块状固体电枢非稳态电磁效应的三维数值模拟

建立了电磁导轨炮块状电枢三维非稳态电磁扩散效应计算模型,运用有限差分法耦合计算了电磁场与温度场,得到了导轨及电枢内部磁感强度、电流密度和温度分布.数值计算结果表明,电枢运动会引起电流趋向表面流动并在电枢尾部与轨道接触面上趋于集中,使电枢尾部焦耳热剧增并导致高温烧蚀.与二维模型相比,三维模型能更加真实地反映电磁导轨炮发射过程中导轨和电枢中的物理现象,对理论和试验研究有指导作用.     

基于瞬态多物理场求解器的电磁轨道炮发射过程建模与仿真

为研究电磁轨道炮发射过程中瞬态多物理场的作用机制与内在规律,建立包含电路、电磁场、热场和结构场的数学模型。模型中计入材料非线性、结构变形、接触碰撞等实际因素。采用隐式有限元格式求解电磁场和热场以及显式有限元格式求解结构场,利用载荷传递和时间同步实现各物理场之间的耦合,发展出一种瞬态多物理场求解器。通过固体电枢型电磁轨道炮、同步感应式电磁线圈炮等算例,讨论了发射过程计算结果的合理性。结果表明,电磁炮的发射是多场耦合、多部件相互作用下的一个复杂动力学过程,存在电流和磁场扩散、温升、应力传播、接触碰撞等瞬态现象,发射性能与结构、材料和激励密切相关。该求解器可为电磁发射系统及其关键部件提供一种辅助设计手段。     

复合型电磁轨道的多物理场耦合分析

电磁轨道炮在发射时,轨道和电枢均处在强电磁场中,电枢和轨道局部处在高温和高压力作用下,且各物理场间相互耦合作用。分析轨道在耦合场作用下的温度分布和应力分布是十分重要的。在分析了电磁轨道炮发射状态下的电磁场、温度场和机械场的多物理场条件的基础上,给出了相应的控制方程,建立了铜基复合型轨道在发射状态下的电磁、热、机的耦合场的三维计算模型,计算了发射状态下复合轨道的电流密度分布、温度场和应力场,分析了轨道基层、轨道复合层以及电枢温度分布的特征,讨论了影响轨道内侧表面应力分布的因素。     

电磁轨道发射器数值模拟与速度测量

为研究电磁轨道发射器电磁场、温度场特性并且预测发射器性能,建立电磁轨道发射器计算模型,针对矩形电枢普通发射器、C形电枢普通发射器和增强型发射器,采用有限元方法进行求解得到电磁场、温度场和电枢运动过程,并讨论了电枢快速运动产生的速度趋肤效应和发射器结构对磁通密度、电流密度、温度和出口速度的影响。使用增强型电磁轨道发射器进行发射试验,利用高速相机测量电枢出口速度,与数值模拟结果进行对比,验证了计算模型的准确性。     

不同结构形状电枢在电磁轨道发射状态下的应力分析

电磁轨道炮工作时,轨道通入电流,在轨道间形成磁场并在电枢上产生强大的推动力,使电枢沿轨道加速运动.通过应用电流元简化模型的方法,计算电枢上的磁场分布,进而计算电枢所受的电磁力.在此基础上利用数值分析方法分析了3种不同形状电枢的电磁轨道发射过程,研究了电枢的形状、结构尺寸对电枢的应力状态的影响,给出变化规律.研究结果可为电枢设计提供依据.     

轨道推进器瞬态电磁场有限元分析

利用ANSYS软件建立了块状电枢轨道推进器三维瞬态电磁场的有限元模型,计算得到了两轨道和电枢内的电流场分布.结果表明,在几毫秒内,电流趋向导体表面流动并在电枢尾部与轨道接触处集中,电流线聚集是引起轨道和电枢之间放电烧蚀的主要原因.同时根据有限元计算得到了推进器周围以空气为介质的磁场分布,结果显示,磁场主要集中分布在靠近电枢尾部一侧的两轨道间,并向后延续到约等于4倍口径的长度,电枢处是磁场激增区域.上述结论对电磁推进器的优化设计有重要参考意义.     

韩国电磁轨道发射技术概述

概述了韩国电磁轨道发射技术的研究历程和主要研究机构。分析了韩国基于中小口径电磁轨道炮系统在电磁轨道发射器、脉冲电源、电枢、试验测试论证、设计与试验研究方面的进展,在电磁轨道炮瞬态电感梯度、电枢轨道摩擦系数、电枢电磁压力等关键技术的研究现状,并归纳了其对我国电磁发射技术研究的启示。     

电磁轨道炮三维瞬态涡流场的有限元建模与仿真

本文分析了固体电枢电磁轨道炮的三维瞬态涡流问题,建立了运动坐标下的磁扩散公式,该公式基于准稳态麦克斯韦方程组,用矢量磁位和标量电位作为未知量。在运动坐标下计算含有运动导体的磁扩散问题,可以消除高速情况下的数值不稳定,减少计算量和内存需求。通过施加库仑规范,保证了方程解的唯一性。本文以方膛电磁轨道炮为例,用有限元法和后向差分格式对方程组进行了求解,得到了轨道炮中电流密度的分布,以及电流和电枢速度的变化过程。     

轨道炮弹丸所处强磁场环境屏蔽设计与仿真

针对电磁发射过程中产生的脉冲强磁场对发射包内电子器件产生较强干扰问题,采用 COMSOL中 PDE模块对电磁发射过程中的速度趋肤效应进行仿真计算,建立轨道炮的面电流分布模型和脉冲电流模型;采用趋肤效应理论分析电磁屏蔽原理,建立了屏蔽效能评估方法,并设计了一种屏蔽体模型。分别采用导电、导磁材料设计了单层、多层组合屏蔽体,用 COMSOL中磁场模块计算离弹底不同距离处的强磁场屏蔽效果,得出在离电枢较近时,导电材料与导磁材料的屏蔽效能较低,屏蔽体距离电枢越远时,导电材料的屏蔽效能不变,导磁材料的屏蔽效能逐渐提高,距离电枢100 mm时屏蔽效能达到34 dB。轨道炮磁场的低频特性使得导电材料的屏蔽效能较低,高磁通密度使得导磁材料的屏蔽效能较低,得出弹丸内智能电子元器件应置于远离电枢的弹头。     

电磁轨道炮电磁力学分析

在矩形电枢与简单轨道的基础上建立了电磁轨道炮轨道和电枢上磁场扩散的二维有限元计算模型,模型没有考虑轨道与电枢的形变.分析了电枢运动引起的速度趋肤效应,随着轨道与电枢相对速率的增加,磁场、电流的趋肤效应越明显,当速度大于1 000 m·s-1时,磁场和电流集中分布在轨道内表面与电枢后表面附近很小的区域,继续增大相对速率不会使磁场分布发生明显变化.采用ANSYS软件计算了静态复杂电枢结构情形下轨道电枢上的磁场和电流分布,U形电枢结构对于抑制电枢与轨道交界处磁场、电流的过分集中有明显的改善作用.     

动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分析

针对动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分布特性研究缺乏的问题,提出一种数值计算方法。基于磁扩散方程和安培定律,利用测得的动态实验数据和炮尾处磁通密度值,通过有限元计算,确定电枢区域和导轨区域的电流密度值;进一步计算得到电枢前端及后端中轴线各考察点磁场和电场分布特性。结果表明：随着与电枢距离的增加,各考察点峰值磁通密度逐渐减小,电枢前端各点衰减速度远大于后端各点;炮口时刻各考察点峰值电场值为膛内发射过程的数倍。提出的方法能够有效计算轨道炮智能炮弹部位感应电场和磁场,计算结果有助于智能炮弹电磁屏蔽设计。     

电磁轨道炮电枢技术研究进展

电枢作为电流和电磁力的载体,在电磁轨道炮中起着将电能转换为弹丸动能的关键作用。通过对国内外电磁轨道炮电枢资料的搜集分析,论述了不同类型、形状的电枢和轨道炮一体化弹丸的研究进展。结合电枢技术特点及其发展趋势,提出了以电磁轨道炮实用化为应用背景的一体化弹丸对电枢的要求及其研究方向。     

考虑电枢与导轨实际接触状态的电磁轨道炮膛内磁场分析

针对电枢与导轨(简称枢轨)实际接触条件下电磁轨道炮膛内磁场研究缺乏的问题,从小口径C型电枢轨道炮出发,根据静止状态下枢轨实际接触产生的电枢电流密度分布,利用数值计算和有限元仿真对电枢前端中轴线上各考察点磁通密度进行分析,结果与试验值基本吻合。在此基础上,利用模化方法,对电枢运动条件下轨道炮膛内磁场分布特性进行了分析,结果表明：在满足一定相似关系的基础上,可以实现不同口径轨道炮电枢速度和膛内磁场的近似模化;各考察点峰值磁通密度随着与电枢距离的增加而迅速衰减,距离电枢曲率圆心2倍口径考察点的磁通密度仅为1倍口径点的27.4%左右;研究结果有助于智能弹药的电磁屏蔽设计。     

C形一体电枢的结构设计及接触压力分析

轨道起始段良好的电接触性能是确保轨道炮正常发射的必要条件。为增强起始段枢轨电接触性能,从枢轨接触面和接触压力两方面对C形一体电枢结构进行优化设计。利用高频涡流仿真方法计算分析接触面对电枢电磁特性的影响,获得电枢电流密度以及电磁受力曲线,通过对比分析获得最优枢轨接触面大小与位置。为避免电枢在起始运动中出现接触失效问题,对传统接触压力设计方法“安克法则（1 g/1 A）”进行修正优化,形成“安克法则”瞬态应用方法,有效地模拟接触压力瞬态变化特性。应用该方法计算不同接触面的枢轨接触压力,获得的接触压力曲线均在某临界直线如“1 g/1 A”曲线之上,结果表明枢轨接触良好。基于“安克法则”瞬态应用方法设计的电枢在最优接触面下进行5发试验,实现了较好的起始段电接触性能。以上结论可供未来电枢设计时参考。     

基于炮尾电压的串联增强型电磁轨道炮滑动电接触特性分析

为研究局部增强型电磁轨道炮的滑动电接触特性,提出一种基于炮尾电压的计算分析方法。通过构建接触电阻、炮尾电压、炮尾感应电压以及轨道电流间的数学模型,定量表征电枢与轨道间的滑动接触电阻。根据接触电阻的波形特征,将电枢与轨道间的接触状态分为启动阶段、接触电阻稳步下降阶段、电阻增长阶段和单轨阶段4个阶段。计算了系统的发射效率与接触电阻焦耳热能耗率。结果表明：在电枢启动阶段枢轨间的接触主要为固体-固体接触,接触电阻偏大;逐渐形成的铝熔膜会使实际接触面积增大,改善接触状态;接触电阻与电枢所受到的磁压力呈负相关;接触电阻是影响发射效率的重要因素之一。由此可见对局部增强型电磁轨道炮滑动电接触特性的分析工作为轨道炮的机理研究与设计起到了积极作用。     

增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性研究

为研究增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性,通过实际发射试验得到炮口电压、轨道电流、电枢速度和位移等数据以及发射器机械结构的实际参数。在分析电枢在膛内运动过程的基础上,建立了接触电阻与炮口电压、轨道电流、电枢速度、电枢位移等物理量之间的数学模型。进一步分析了在互感系数不同情况下电枢的接触电阻变化规律。将该变化曲线与试验轨道三维建模模型损伤图形和实际发射试验后轨道图像进行比较,发现轨道烧蚀和摩擦损伤情况随着电枢位移和接触电阻变化呈现烧损、滑动和磨损等典型特征,为预测轨道损伤提供了参考依据。     

电磁轨道炮军事应用综述

从电炮实用电源、电枢与烧蚀、复杂轨道设计、与线圈炮对比、磁场增强措施、应用要求和军事使用效果等角度分析了当前电磁轨道炮的技术特征。结论为：活塞式螺旋绕组磁通压缩发电机（MFCG）适合作轨道炮电源,该电磁轨道炮在采用固态电枢、无烧蚀高效率、高射速、超高速发射小质量射弹方面有无可比拟的优势。通过对比分析了高空小质量弹丸与地面大质量射弹的弹道学特征,提出了轨道炮可能优先应用于高空飞机平台上用于自卫、防空、近程反导的电磁发射动能武器,它具有响应快、作战半径大、高精度、抗电磁干扰等优势,对未来作战效果和作战模式有广泛影响。