单级感应线圈炮的外电路对电枢捕获效应的影响

由楞次定律可知,在感应线圈炮发射的过程中,为阻止驱动线圈剩余电流减小,电枢上涡流将产生与驱动线圈同向的磁场,此时电枢受捕获效应的影响而感应出减速力,使电枢的出口速度减小,发射效率降低。为减弱电枢捕获效应的影响,可在放电回路串接电阻或电容。通过理论和仿真,分析了改进后的外围电路对减弱电枢捕获效应的效果,并搭建单级感应线圈炮实验系统进行了验证。研究发现,在放电回路串接一个合适的大电阻或小电容,能加快驱动线圈剩余电流的释放,有效减弱电枢捕获效应,从而提高了电枢的出口速度,改善了感应线圈炮的发射性能。     

载流电枢与感应电枢电磁线圈发射器系统特性比较

电枢是电磁线圈发射器的关键能量转换部分,针对感应实体电枢、感应线圈电枢、串联载流线圈电枢和并联载流线圈电枢4种电磁发射器的发射原理和结构特点,推导了4种发射器的系统数学模型。根据等效电路方法,利用MATLAB建立仿真系统,对影响电磁线圈发射器系统特性的电枢尺寸、实体电枢材料、线圈电枢线径、电枢初始位置与初速度、多级发射器电枢位置序列等因素进行了仿真计算和比较分析。结果表明:感应电枢发射器在初级和末级驱动线圈电流下降阶段存在磁力拖拽效应,使得发射体速度在发射管出口处下降明显,而载流电枢发射器不存在拖拽效应;增大感应线圈电枢和串联载流线圈电枢线径,或减小并联载流线圈电枢线径,可以有效提高发射出口速度;载流电枢适用于低速较少级数发射系统。研究方法和结论对电磁发射器电枢结构选择和方案设计具有一定的指导意义。     

电磁线圈炮计算程序的收敛性与实验验证

根据电磁线圈炮中推力线圈与电枢之间的感应耦合方程和电枢动态响应方程,考虑发射过程中推力线圈和电枢的欧姆加热,开发了电磁线圈炮的计算程序,给出了程序的算法和流程。分析了程序的收敛性,认为最大时间步长和电枢最大网格均依赖于驱动脉冲波形的上升时间。通过模拟结果与单级线圈炮实验测量结果的比较,验证了程序的有效性。模拟的线圈电流波形与实验波形吻合较好,模拟的出口速度比测量速度大约6.5%。程序收敛性和有效性的验证表明该程序可用于电磁线圈炮系统的初步设计。     

单级同步感应线圈炮堵驻电磁力研究

堵驻状态下,单级同步感应线圈炮(SSICG)的电枢位置固定,电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变,且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型,对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量,试验数据与仿真结果吻合较好,验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系,为SSICG动态发射提供了试验基础。     

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。     

线圈炮电枢电磁-热耦合仿真分析

 从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了3维多级感应线圈炮电磁场、温度场分布的基本方程,并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了3维有限元分析模型,忽略级间的相互影响,多级线圈炮中电枢温升可以等效为多个单级电枢的温升,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对单级感应线圈炮中电枢电磁场和温度场进行仿真。计算中考虑了材料物理参数随温度变化对温度场的影响。仿真结果表明：电枢内的温升主要分布在电枢的外表面和尾部;电枢的温度随着电容器组电压和电容增加而升高,这是因为总能量增大,电枢中涡流也增大,从而电枢的温度升高;电枢的触发位置和速度匹配关系,也会对电枢温升造成很大的影响;电枢的温度随着级数的增加逐渐升高,说明电枢在一定级数后达到了材料的熔点而被破坏。     

电磁弹射灭火弹消防系统研究

首先介绍了我国严峻的火灾形势,阐明现有气动和火箭发射灭火弹装置的研究现状,针对射程不足、火工品使用限制等问题,提出采用电磁线圈发射器发射灭火弹进行灭火,基于电流丝模型法设计了一种10级线圈发射器模型,以脉冲电容器作为初始能源,采用续流电路对线圈进行时序放电,可将7.2 kg抛体加速至最高速度171 m/s,出口速度154 m/s,发射效率达15%,分析表明现有电磁线圈发射器能够满足灭火弹的发射需要。提出一种智能化无人电磁弹射灭火弹消防系统,智能指挥控制系统利用无人机采集火场信息,制定灭火策略,指挥无人电磁发射灭火车发射灭火弹实现精准高效灭火,根据灭火效能评估结果调整灭火方案,直至完成灭火任务。     

多级感应线圈炮最优发射控制策略

基于电路理论,建立了多级感应线圈炮数学机电控制模型;分析了电枢受力的影响因素,结果表明,电枢受力决定于驱动线圈和电枢的电流大小和它们之间的互感梯度。总结了多级同步感应线圈炮设计原则,根据设计原则,提出了感应线圈炮的最优发射控制策略,并从理论上证明其可行性,最后以10级线圈炮为例,归纳了多级感应线圈炮的触发公式,并进行了实验验证,其结果表明,通过修正触发公式,仿真结果与测量值吻合较好。     

单级电磁感应线圈发射器温升研究

同步感应式线圈型电磁发射器主要采用脉冲电流对线圈直接供电,其实际工作过程中电枢和线圈会产生温升,这是当前制约线圈发射器向小型化、高速发展的一个主要因素。本文通过建立电磁线圈的温升模型,对于单次触发的情况,分别利用Comsol和自编程序Coilgun进行计算,并搭建相应的试验平台进行验证。采用直接耦合方式的Comsol计算结果最为准确,也能考虑材料参数随温度的变化。仿真得到电枢的温升大约为4.2℃,线圈最大温升为7.7℃。由于热电偶温度传感器的测量延迟性与采样频率的限制,电枢温度试验曲线未能测量到仿真曲线中出现的温度最大值点,可记录到整个试验过程中温度变化曲线,其变化形势以及最终稳定的温度与仿真的基本一致,误差最大为6.1%,说明了仿真的准确性。为后续进行多级线圈连续发射奠定基础。     

基于传感器控制的多级磁阻式电磁炮制作与研究

针对磁阻式电磁发射器的技术特点,设计了一种基于传感器控制的多级电磁炮射击装置,并成功试制了电磁发射装置样品,通过单级加电压和改变炮弹初始位置的方法对样品进行试射,并在此基础上加装三级加速,从而得出三级电磁炮的发射最优配置,试验证明,在280V电压下,炮弹的出口速度达到27.52m/s.     

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。     

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。     

激光干涉测速技术在内弹道弹丸速度测量中的应用研究

 利用任意反射面激光干涉测速（VISAR）系统以及全光纤位移干涉仪（FDI）,测量了线膛炮弹丸速度,获得了线膛炮弹丸在0~491 μs内从零加速到140 m/s的速度历史,弹丸运动了20.7 mm,出炮口时的弹丸速度为817 m/s。实验结果表明,影响激光干涉测速技术在内弹道测量中应用的主要因素是炮口烟。研究结果对于深入探索激光干涉测速技术在内弹道测量中的应用有重要的参考意义。     

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     

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%。