轨道炮速度趋肤效应的分析与仿真

 根据Maxwell方程推导出电磁场参数与速度之间的关系,建立了直角坐标下的电磁场和温度场扩散2维偏微分方程, 分析了固体电枢电磁轨道炮的速度趋肤效应。以矩形固体电枢为例,给出了边界条件和激励源函数。采用有限差分法对方程进行求解,并对数据进行了分析,得到轨道和电枢中磁感应强度、温度和电流密度的分布曲线。计算结果表明:电枢的运动使得电流密度集中在电枢和轨道交界面的尾部,使得该局部地区温度增加,进而引起电枢尾部的熔融与烧蚀。     

电磁轨道炮接触热时空分布特性分析

电磁轨道炮接触热时空分布特性是进行电枢熔化抑制、轨道散热设计和热管理的重要依据。在建立电枢与轨道接触压力、接触电阻计算模型的基础上,建立了接触热时空分布的计算模型,对电磁轨道炮的接触热时空分布进行了仿真计算,并对其特性进行了分析。针对接触热在电枢运动初始阶段相对集中的问题,研究了电枢前级加速对接触热时空分布特性的影响。仿真分析结果表明:接触热主要来源于电流焦耳热,焦耳热功率曲线与驱动电流曲线具有较大相似性;大部分接触热在电枢运动初始阶段传导给轨道,这是引起此阶段轨道烧蚀的主要原因;电枢运动初始阶段单位长度轨道传导的接触热和发射过程中电枢的热积累随着电枢初速度的增大而减小。     

不同轨道结构下电枢电流分布特性

解决轨道和电枢的烧蚀问题是六极轨道电磁发射器走向实际应用的关键环节,引起轨道和电枢烧蚀的原因之一就是轨道和电枢中电流分布不均匀。利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对三种不同轨道进行仿真,得到了电枢表面电流密度分布情况以及电枢受力。结果表明:矩形轨道对应电枢表面电流密度最大值在三种轨道中最小,凸出半圆形轨道枢轨接触面电流分布最均匀,在发射过程中可以有效减少轨道和电枢的烧蚀,凹陷半圆形轨道对应的电枢受力最大,可用于大质量物体的发射。     

静止条件下轨道炮膛内磁场分布特性分析

为了分析轨道炮静止条件下膛内磁场分布特性, 建立了轨道炮二维计算模型, 基于磁扩散方程与安培定律, 得到导轨和电枢各区域电流密度值, 并通过毕奥-萨伐尔定律对轨道炮电枢前端各考察点磁通密度进行理论计算, 基于电磁感应法进行了膛内磁场测量实验, 实验测量值与理论计算值基本一致, 结果表明, 膛内磁场大小主要由流经电枢和导轨的的电流决定, 电枢前端中心轴线上各考察点, 随着与电枢前端面距离的增大, 磁通密度峰值呈衰减趋势, 但衰减速度逐渐变小。研究结果有助于轨道炮膛内强磁场屏蔽与智能弹药设计。     

串联型双轨增强电磁轨道炮电路模拟

建立了包括脉冲电源模块和电磁轨道炮的全电路模型,实现了从电源放电至电磁轨道炮发射过程的全电路模拟。根据电源放电与洛伦兹力加速的耦合方程组,在电路模型内将电源的基本单元封装成子电路模块、弹丸受力运动模型转化为电路解耦模块,建立了针对24个基本单元组成的电源网络驱动串联型双轨增强电磁轨道炮的电路模型。将模拟结果与实验结果进行对比,电流模拟结果偏差2.6%,电枢出膛速度模拟结果偏差9.8%,模拟与实验结果基本一致,验证了模型方程和模拟方法的可靠性和合理性。     

电磁发射中固体电枢的磁探针测速误差

对磁探针感应电压的原理进行分析,得出电枢电流变化率是磁探针测量电枢膛内运动位置误差的原因。通过简化,采用理想化的电枢电流波形和电枢位移曲线,不同电枢电流变化率条件下,在Matlab软件中对磁探针测量电枢位置进行仿真分析。结果表明:测量电枢位置误差与电枢电流变化率绝对值正相关,电枢电流变化率相同时,误差与电枢电流和电枢速度的乘积负相关。进一步对磁探针测量电枢膛内速度的误差进行仿真分析,理想电流曲线仿真结果表明:测速误差情况可分为三种,电枢电流变化率相近,则测速误差小,反之则测速误差大。     

脉冲成形网络参数对轨道型电磁驱动系统效率的影响

针对分布馈电式(DES)轨道型电磁驱动系统,建立了基于PSpice的电路模型;采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络(PFN);负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦,以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力,从而得到电枢的加速度、速度,以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压,脉冲成形电感器的电感量,主放电开关的闭合时间间隔,以及PFN模块参数(包括模块的数量、结构等),进行仿真分析,得出在各种参数下的系统效率,并加以比较,确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明:在电枢质量与加速距离不变的条件下,电容器组的电容量或初始电压越高,电枢初速度越大,而系统效率随着电压的升高先增大后减小;脉冲成形电感器的电感量越大,电感器中的剩余能量越大,系统效率越低;主放电开关的闭合时间间隔越短,系统的效率越高;在初始能量一定的前提下,电源的模块数越多,电枢的出膛速度越大,系统效率也越高,可以通过采用多组小电容值的电容,来提高系统的效率;优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。     

电磁轨道炮高速滑动接触电阻的定量表征

从描述电磁轨道炮炮口电压波形的场路模型出发,构建了电枢/轨道高速滑动接触电阻与轨道电流波形、炮口电压波形、电枢膛内速度曲线和轨道结构参数之间的关系,依据此关系可定量表征电磁轨道炮高速滑动接触电阻。实例计算表明,电枢/轨道高速滑动接触电阻的变化依赖于轨道电流变化,对应电流上升段、平顶段和电流下降段。在平顶段接触电阻最小约0.2mΩ,在电流上升段和电流下降段,接触电阻达3mΩ。     

分布储能式电磁轨道炮效率分析

分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势,为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点,建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮,根据电流波形的平稳性要求,沿导轨方向设置电流馈入点,诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源,以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型,基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布,并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路;分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型,计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程,并使用信号电路建立电枢-导轨模块,通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络,仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮,结果显示,电容预充电压为10.8 kV时,导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s,与炮尾集中式电磁轨道炮相比,系统发射效率可提升约3%。     

分流器形式炮口消弧装置的电路模拟优化与试验

针对轨道炮电枢出炮口时拉弧问题,提出了一种基于分流器形式的炮口电弧抑制方案。以固体电枢为研究对象,采用Simulink软件根据发射器与消弧装置的电气参数建立含有炮口消弧装置的发射系统仿真模型,目的是通过对消弧装置电气参数不同阻抗值的仿真计算,实现消弧装置电气参数与发射系统电气参数的最佳匹配,达到降低消弧支路对电枢出炮口速度的影响,同时有效地抑制炮口电弧。由于与消弧装置串联的电枢前方轨道阻抗在消弧支路阻抗中占比很大,通过消弧装置阻抗电阻、电感优化调整,实现电枢在膛内运动起始阶段,消弧支路的阻抗远大于电枢支路的阻抗,发射电流大部分都流过电枢,保证了电枢的加速运动。随着电枢向炮口方向运行,消弧支路阻抗快速减小,同时在磁通压缩作用下,消弧支路中电流快速增加,电枢支路电流减小,但由于电枢前后方磁场对其都是推进作用,电枢出炮口速度基本不受影响,保持较高的系统效率;电枢出炮口后,消弧支路的阻抗小于电弧的阻抗值,建立合理的电弧快速消引条件,消弧支路电流远大于电枢上电流,发射系统的剩余能量可通过消弧装置释放,降低炮口拉弧对发射性能的影响。经过消弧装置的电阻和电感多参数值的计算与分析,最后确定与文中发射系统匹配的消弧装置电阻约为1 mΩ,电感约为0.1 μH。结合发射装置结构,设计出的消弧装置电阻为1.32 mΩ,电感为0.124 μH,在搭建的发射系统仿真模型中对其进行了充电电压3 kV等级的发射仿真计算,在充电电压3 kV的发射能量等级下进行了消弧发射试验,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,消弧效果良好。     

一种小口径电磁轨道发射用电枢设计

为了在低储能条件下研究电磁发射过程中的刨削现象,要对电枢进行优化设计,使其在小口径发射试验装置中实现高初速发射。通过计算、仿真,对电枢尺寸、初始预紧力等参数进行优化,并进行预紧力、塑性性能和接触面积等相关参数的测试和实验,最终确定电枢型号,在保持良好电接触的条件下实现了高初速发射。     

管身对中口径电磁轨道炮的影响分析

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮无可避免地在不锈钢管身上感应出巨大涡流,涡流不仅自身损耗能量,而且削弱电枢的推进力,降低发射效率。为深入研究管身对电磁轨道炮的影响,结合场路模型计算了电磁轨道炮系统的发射效率和涡流能耗,讨论了不同管身结构和材料下的发射效率,进一步分析了管身对电磁轨道炮力学特性的影响。结果表明:基于10MJ脉冲电源的中口径电磁轨道炮,其不锈钢管身将大幅削弱系统的发射效率,管身涡流能耗比炮口动能的一半还多;采用层压式结构的高导磁材料作为管身,发射效率的提升尤为明显;管身对电枢轴向力的削弱是导致发射效率下降的根本原因,对电枢径向力的削弱则不利于电枢和轨道的良好接触,从而增加接触电阻,降低发射效率;但是对身管各部件径向力的减小有助于降低身管所需预紧力。     

Scaling study for the performance of railgun armatures

A model is developed for investigating the performance of solid, plasma, hybrid, and transitioning armatures as a function of railgun geometry and gun operating conditions. The two figures of merit used in the calculation are the armature efficiency and the maximum velocity. Effects investigated include armature parasitic mass, armature resistance, friction, ablation drag, and, for the hybrid armature, gap growth. The model is applied to study how armature performance scales with projectile mass, or correspondingly bore dimension, and with gun current per unit rail height in the hypervelocity regime from 7 to 15 km/s. The model indicates that armature efficiency generally increases with projectile mass, whereas the maximum velocity for plasma and transitioning armatures is relatively insensitive to projectile mass. Calculations are also performed to determine the sensitivity of the model's predictions to uncertainty in key parameters, such as the ablation entrainment fraction, the skin friction coefficient, and the contact potential     

基于遗传算法的同步感应线圈发射装置参数优化

发射速度和能量转换效率是同步感应线圈型电磁发射装置(SICEML)最重要的两项指标。驱动线圈和电枢的结构参数、驱动线圈匝数以及电枢初始触发位置都会对这两项指标产生影响。以上述参数为变量,以发射速度和能量转换效率之积为目标函数,引入遗传算法对单级SICEML参数进行了优化设计,并利用有限元软件进行了仿真验证。结果表明:在储能与发射装置总体体积不变的前提下,优化后的系统效率由5.38%提高到13.6%,出口速度由38m/s提高到61m/s,系统性能得到明显改善。利用单级SICEML样机进行了堵驻试验,结果与仿真结果吻合较好,验证了本文提出的遗传算法的可行性。     

脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响

利用一种小型脉冲功率系统的脉冲形成网络进行波形调制,得到了锯齿、凸顶和平顶脉冲电流波形,利用这三种脉冲电流开展了导轨型电磁驱动系统中的固体电枢滑行实验,通过测量电枢极限出口速度,比较了不同脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响。结果表明:电流变化急剧的锯齿波形在较低的充放电能量下就会引起固体电枢与导轨界面接触失效,发生烧蚀现象,因而不利于固体电枢的滑行; 相同充放电能量条件下,凸顶波形比平顶波形得到的固体电枢出口测速高,即效率更好; 平顶波形可使固体电枢承受更高的充放电能量,且平顶波形比凸顶波形的极限出口测速高; 三者相比,平顶波形最有利于固体电枢与导轨良好接触,电枢的滑行性能表现得最好。     

枢轨界面电磁特性的演变规律分析

枢轨电接触性能随电枢膛内滑动而演变,界面电磁特性变化是其演变的根本作用因素。以系统时变电磁场计算为基础,从脉冲电流、电枢速度和局部接触等三个方面讨论了对界面电磁特性演变的作用规律,并设计实验综合验证了电枢膛内运动时枢轨电接触界面的电磁特性演变。结果表明:脉冲电流驱使电流向接触前端聚集,电流峰值聚集随电流变化而下降;电枢速度克服脉冲电流作用向接触尾部聚集电流,尾端聚集临界速度(50m/s)下,接触表面电流分布最为均匀,高速下接触表面呈现尾端U型电流聚集模式;局部接触对电流的聚集作用随接触面增加、速度增加而减弱;在法向磁力作用下,预置接触会向前扩展并趋于稳定。实验后枢轨表面检测验证了各因素对电磁特性演变的作用规律。研究结果为深入探究枢轨滑动电接触机理奠定基础。