电磁轨道发射中炮口电弧的抑制

采用一种导通时阻抗极低的外触发开关作为旁路器件, 在电枢即将出膛前开通此消弧器件, 使回路电流从器件流过, 从而达到抑制甚至消除炮口电弧的目的。对比试验表明, 在触发了消弧开关的试验中, 出膛时炮口电压显著降低, 轨道电流几乎全部流过消弧器件, 高速摄影亦显示电弧亮度明显降低, 消弧器件可有效抑制炮口电弧。通过比较触发信号与器件导通信号, 发现消弧器件的导通时刻较触发信号时刻有一定的延迟, 这在一定程度上影响了消弧器件抑制电弧的性能。     

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。     

夹断开关对“荧光-1”实验装置电流特性的影响

主要探讨了夹断开关对“荧光-1”实验装置输出电流特性的影响,利用Pspice软件对其在装置中起到的作用进行功能建模并分析其参数影响,同时开展初步调试实验并分析多组夹断开关导通性能及其同步性对负载电流的影响。仿真与实验结果表明:夹断开关可有效改善负载电流脉宽,可使脉宽从原有3 μs展宽至100 μs,其导通电阻与电感参数均能明显影响电流幅值与脉宽。由实验波形结合仿真可知,夹断开关实际导通电阻约4 mΩ, 两支路耦合电感分别约为60,125 nH,调试结果验证了夹断开关功能建模的正确性及其对脉宽展宽的有效性。     

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%。     

枢轨接触面形貌对电枢起动特性的影响

在脉冲大电流直线驱动装置中,电枢和轨道的接触状态会改变电枢起动特性,而电枢起动过程将直接影响整个发射系统的效率和寿命,因此有必要对电枢起始阶段的滑动接触状态进行研究。搭建发射实验平台,通过高速相机观察电枢起动状态,并结合有限元软件ANSYS,对电枢的预紧力、初始接触状态以及电磁压力、电流密度进行仿真分析,研究电枢表面形貌对电枢起动的影响。结论表明:开槽电枢增加了电枢本身的柔顺性,使得预紧力增大,同时由于电流趋肤效应使得电流密度分布更加均匀,从而电磁压力增大,电枢起动变慢,接触电阻变小。实验和仿真结果对于改善电枢起动过程的接触状态,减轻烧蚀具有重要意义。     

胡椒孔法在强流脉冲离子束中的发射度测量

真空弧离子源的引出束流具有低能、强流等特点,当离子源工作在单脉冲模式时,被广泛采用的缝-杯式和Alison式发射度测量方法不再适用。采用基于成像板的胡椒孔法测量了真空弧离子源的发射度。初步研制了胡椒孔法发射度测量装置,利用该装置测量了引出电压为64 kV时脉冲束流的发射度和发射相图。在x方向和y方向,测得归一化均方根发射度分别为6.41,4.61 mmmrad。测量结果表明该真空弧离子源在64 kV时的归一化发射度远大于其他类型的离子源的发射度。     

雷电间接效应多重脉冲组电流产生装置的设计

针对雷电间接效应多重脉冲组电流模拟需求,完成了雷电间接效应多重脉冲组模拟源的设计,采用20个Crowbar电路支路,通过分时放电的方式实现1个脉冲串内多脉冲输出需求,每个支路可以实现最小间隔30 ms的重复频率放电,从而实现3个脉冲串的输出需求。对放电支路的参数进行了详细设计,分析了电容、波尾电路电感、波尾电路电阻参数变化对输出特性的影响。分析了采用并联大电容实现放电电容重复频率快速充电的可行性,完成了装置的初步结构设计并结合装置结构简要分析了电路模拟参数设置的合理性。该装置建成后,可为电子、电气设备等开展测试提供技术支持。     

泄能支路对CFETR失超保护系统影响分析

中国聚变工程实验堆(CFETR)是中国自主设计的下一代聚变装置,其超导线圈的电流最大达到100 kA。失超保护系统尤其是直流保护开关的可靠性对于超导线圈的保护极为重要。分析了系统中泄能回路参数对CFETR失超保护开关的动作可靠性影响,首先通过理论计算分析杂散参数对开关动作的影响趋势,然后通过仿真求解关断过程中各支路电流电压来验证计算。计算结果证明,较大的泄能支路杂散参数将改变直流开关的关断参数,并降低直流保护开关的动作可靠性。最后对泄能电阻杂散电感提出小于120 μH的设计要求,确保系统安全可靠地运行。     

大气压直流滑动弧等离子体工作特性研究

对大气压直流滑动弧等离子体的电参数和发射光谱进行了测量,比较研究了不同气体种类下滑动弧等离子体电压的特性.以氮气滑动弧为例,分析了其在一个周期内电弧电压、电流、电阻和功率的变化特性.通过对电弧电压信号进行快速傅里叶变换频谱分析,研究了气体种类、气体流量和外部电阻值对滑动弧等离子体脉动特性的影响.结果表明随着气流量或外部电阻值的增加,其主要脉动频率变高,电弧周期变小.利用光谱法检测了氮气、氧气和空气滑动弧等离子体的主要自由基种类,并研究了外部电阻值对发射光谱强度的影响和沿电极中轴线在337.1 nm(N关键词： 滑动弧等离子体 非平衡等离子体 脉动特性 发射光谱     

5MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10kV·A。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示:该电源最大输出为220kW/1500A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。     

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。     

电枢膛内高速运动控制仿真与试验

电磁轨道发射的过程中，电枢在膛内高速运动时会受到电磁力、电枢初始正压力、摩擦力、空气阻力、烧蚀阻力等多种因素影响，电枢的出口速度呈现出在一定范围内波动的特征。为了提高电枢的出口速度精度，针对膛内电枢与轨道摩擦不均衡性和烧蚀程度不确定的特性，综合考虑脉冲成形网络的电路模型与电枢的动力学特征，建立了电枢在膛内的运动开环控制仿真模型。通过仿真，得出了脉冲电源模块触发时刻与电枢出口速度之间的关系，提出了电枢出口速度闭环控制模型，探究了电枢出口速度控制可行方案。结果表明:应用闭环控制算法，可实现对电枢出口速度的精确控制。     

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。     

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。     

导弹四级磁场电枢轨道过盈配合参数优化

为了促进四级电磁轨道发射器在地空导弹武器发射中的应用,对四级电枢的过盈结构进行了研究。在有限元软件Ansys Workbench三维过盈装配仿真的基础上,选择最大等效应力、接触面积系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数四个表征接触特性的评价指标,采用正交试验的方法对四级电枢的过盈量、尾翼宽度、尾翼厚度和过盈长度4个过盈结构参数进行了综合优化。结果表明,采用过盈量2 mm、尾翼宽度140 mm、尾翼厚度40 mm、过盈长度270 mm的优水平组合能够使发射前期电枢和轨道间接触特性更理想,可为四级电枢结构设计提供参考。     

Boundary-layer effect on railgun muzzle voltage

Measured values of railgun muzzle voltage exceed those predicted from simple armature models by several tens of volts. This excess voltage is called the contact potential and may represent a substantial fraction of the power dissipated in the armature. A simple two-dimensional model for the conductivity and velocity boundary layers has been used to calculate the electric field in the region near the rail surfaces. Calculations were performed for parameters characteristic of the University of Tennessee Space Institute (UTSI) 1-cm square-bore railgun. These calculations showed that the electric field decreased across the boundary-layer thickness and predicted contact potentials from 12.5 to 88.7 V, depending on the choice of boundary-layer parameters     

Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

 中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1 mF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成,采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明：在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下,Marx发生器的建立时间175 ns,抖动极差小于±10.0 ns,均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5 mH,串联电阻3.2 W,在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV, Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果（输出电压为4.6 MV,电压建立时间160 ns）吻合良好。     

光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计

为了驱动重复频率运行高阻抗X光管,设计了基于光导开关的级联Blumlein型脉冲形成网络。采用数值模拟方法优化网络参数,从网络充电电压一致性、输出脉冲波形畸变、电压叠加效率、负载预脉冲幅值出发确定了充电电感和支撑电感设计原则。实验表明:光导开关工作场强23.2 kV/cm,激光触发能量3.5 mJ时,阻抗约15.6 的Blumlein型脉冲形成网络电压转换效率为0.71,2级级联网络电压叠加效率0.96。