电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析

增加或保障电枢与轨道具有较大接触面是电磁轨道炮设计与试验中的一个重要目标,但实际上接触面大小的作用仍有待探讨。为此,通过仿真计算分析了接触面上电流分布区域的位置与电流大小。结果表明:电流仅从小部分接触面穿过,在满足该接触面大小的情况下,接触面再增加或接触面大小对轨道电枢接触的电磁性能影响不大;同时,电流流过的区域大小与电枢和轨道的尺寸以及电流随时间的变化有关。对被分析的结构,在电流平顶阶段,接触面积为电枢侧面的20%(接触面长度约为8 mm,实际接触面大小约为240 mm2)已可认为足够大,接触面再加大最大电流密度已基本不变。因此,在固定尺寸的电磁轨道炮中,不必过分追求大电枢/轨道接触面,保证一个接触面大小满足电接触的电气性能即可。     

基于过盈配合的C形电枢轨道初始接触特性分析

电磁发射过程初期,C形电枢与轨道之间的恰当过盈配合,是电枢和轨道保持良好的金属-金属接触,同时提供充足的接触压力确保正常发射而不发生转捩的必要条件。为对电磁发射矩形炮膛用一体化C形电枢结构进行优化设计,基于电枢与轨道的过盈配合对电枢选取了各种不同的结构参数,利用有限元分析软件ABAQUS,进行了发射初期不同结构参数下的电枢与轨道之间的2维过盈装配仿真计算,获得了结构参数变化对C形电枢轨道初始接触特性的影响规律。选取较优的仿真结果,加工制造出相对应结构参数的C形电枢进行电磁轨道炮发射试验,试验表明电枢发射性能良好。针对同一结构电枢,进行2种不同方式的过盈装配仿真计算,发现紧固式装配与填塞式装配获得的初始接触特性极为相近,与实际发射试验相一致。     

电枢初速对电磁轨道炮性能的影响

电枢预加速是改善轨道炮性能的重要途径,为了研究电枢预加速条件下电磁轨道炮特性,仿真分析了电枢初速对电磁轨道炮电流波形、电枢速度、炮口动能和系统效率的影响。建立了电磁轨道炮的电路模型和电枢动力学模型,并通过Simulink对电磁轨道炮电枢的发射过程进行了仿真计算。结果表明:在一定范围内提高电枢的初始速度能够改善电流波形、减小电枢速度增量、增大动能增量、提高系统效率;在同等轨道炮性能需求条件下,电枢预加速可降低对电磁轨道炮电气元件的性能要求。以上结果可为电磁轨道炮设计和优化提供参考。     

C型固体电枢与导轨接触压力的保持

C型固体电枢与导轨接触压力的保持是电磁轨道炮研究中的一个重要问题,本文通过二者之间的接触压力计算和固体电枢相对于电磁轨道炮口径的过盈量的确定,提出了解决问题的有效途径。     

电磁轨道炮固体电枢熔化波烧蚀过程的三维数值模拟研究

为了更好地预测电枢转捩,建立了3维固体电枢轨道炮内电流熔化波烧蚀的计算模型,采用有限差分法模拟了电流熔化波的形成及传播过程。计算结果表明:在速度趋肤效应作用下,电流向接触表面的尾部边缘集中,Joule热的剧增导致电枢尾端拐角处首先发生烧蚀,并在接触面处形成了从尾部向头部传播的熔化波。熔化波沿接触面的两侧边缘烧蚀较快,而沿中部的烧蚀较为缓慢,形成了一个U形的烧蚀表面。烧蚀缝隙会造成电枢与导轨失接触进而引发电枢转捩。计算结果与经典解析模型及实验结果相比具有良好的一致性。通过模拟并分析电枢接触表面的烧蚀状况,可将计算结果用于预测电枢转捩的发生。     

电磁轨道发射器的几何尺寸对电感梯度的影响

电感梯度是影响电磁轨道发射器性能的重要参数,主要由发射器结构的几何尺寸决定。为此,从Biot-Sa-vat定律出发,考虑了发射过程中轨道上电流分布的趋肤效应,推导了矩形口径电磁轨道发射器电感梯度的理论解析式,通过数值算例研究了结构几何参数对电感梯度的影响规律,并与现有的电感梯度公式进行了比较。结果表明,在小口径电磁轨道发射器中,当轨道厚度从1/3倍口径变为1倍口径时电感梯度降低约20%。由于充分考虑了电枢和轨道几何参数的影响,给出的电感梯度理论公式更符合实际情况。     

移动电磁载荷作用下曲面轨道/电枢动力特性

为进一步提高电磁轨道发射器性能,应用LS-DYNA建立电磁轨道发射有限元模型,研究了在C形电枢电磁轨道发射过程中电枢与轨道的接触问题。设计了3种曲率半径的内凹C形电枢与同一曲率半径的轨道,研究了各组合的动态力学响应。数值模拟结果显示:3种曲率半径的内凹C形电枢与轨道的接触力在0~0.1 ms期间快速上升;从0.1 ms到大约0.74 ms期间,接触力一直在振荡,且幅度趋于变小;在0.74 ms的时候,电枢达到临界速度,接触力发生较大的振荡;0.755 ms时均发生了明显的波动,到达局部极小值。3种电枢接触面压力分布大致相同;轨道挠度曲线非常相似,且在电枢运动过后等值线图几乎没区别。以接触压力的突然大幅波动为标志电枢达到临界速度,且此后电枢与轨道的接触变得不稳定。内凹型曲面电枢与轨道的曲率配合情况对电枢与轨道的动态结构响应影响不大。     

弧形轨道结构下电流分布特性的仿真研究

解决轨道烧蚀问题是电磁轨道发射技术走向实际应用的关键点之一,轨道和电枢中电流的分布均匀性是造成烧蚀的主要原因之一。本文试图通过增大轨道和电枢的接触面积以达到改善接触电流分布的目的,于是提出弧形轨道结构。在不考虑速度趋肤效应的条件下,利用有限元分析软件掌握了电流密度分布规律。结果表明:一弧和多弧轨道结构可以有效地改变轨道和电枢接触面上的电流密度分布,实际发射过程中加以利用可以更好地控制电流密度的分布,有效减少电枢尾部的烧蚀。     

电磁轨道炮轨道电阻率和轨道高度对电流上升沿阶段电枢边沿熔蚀的影响

在固体电枢电磁轨道炮系统中,保持电枢轨道界面良好的电接触至关重要。在电流处于上升沿的发射起始阶段,往往可以观察到电枢材料熔化沉积集中在轨道的外侧,这表明该阶段电流在电枢边沿集中的特性。为此,利用ANSYS软件,在改变轨道电阻率和高度的条件下,对电枢电流密度的分布进行了数值仿真,仿真结果表明:1)电流集中在电枢尾翼边沿;2)通过提高轨道电阻率或者(同时)减小轨道高度可以减小电枢尾翼边沿的电流密度。在20 mm方口径轨道炮上进行了实验,研究了不同电阻率的轨道材料(如98%铜-1%锆-1%铬合金,黄铜和非磁性不锈钢)和不同轨道高度(50、30 mm)对电枢熔化的影响。实验结果表明,在电流上升沿,更高的轨道电阻率和更低的轨道高度时有相对较小的电枢边沿熔蚀。基于数值分析和实验结果,提出了电磁轨道炮起始阶段(电流上升沿阶段)减小电枢边沿熔蚀的轨道结构改进方案。     

电磁发射用一体化C形电枢的结构设计

为对电磁发射用一体电枢结构进行合理的设计,选取C形一体电枢的部分结构参数作为研究目标,通过对电枢进行建模仿真,对一体电枢的结构参数变化对其电流密度分布、与轨道接触面上的接触压强分布进行了计算,并通过对比获得了部分结构参数变化对电流密度和接触压强分布的影响规律。电枢的两翼厚度和头部厚度对通过电枢的电流密度和电枢上产生焦耳热分布的最大值区域有明显影响,而长度增加对这些特性分布的幅值和位置影响不大。30mm尾翼长的模型中,接触压强较大的主要范围为其后半部分,与实验结果比较一致。设计制作了不同结构的铝合金电枢,进行发射实验,并测量通过电枢的发射电流、观测发射后的电枢轨道接触面状况。发射实验结果显示,加长电枢两翼长度,可以一定程度的扩大电枢-轨道良好接触区域的面积,头部厚度7mm的铝电枢在20mm口径的发射装置中可以满足通流250kA以上不至于产生物理破坏。通过对计算和实验结果的分析比较,提出进一步工作展开的方向应为将数值计算和实验现象建立直观的联系。     

直线推进机构C型电枢几何结构对电流分布影响规律研究

随着武器的不断现代化，轨道直线推进机构装置近年来的发展也十分迅速，但是其发射过程中摩擦热和焦耳热会导致电枢和导轨烧蚀损伤，而电枢几何形状对电枢的发射效率和电流密度的分布起关键作用，因此研究电枢几何参数对电枢电流分布的影响对提高发射效率和耐用度具有重要意义。以实际直线推进机构系统为原型，使用Maxwell建立三维电磁场仿真不同几何形状电枢的模型，本文对平台宽度比R_w、平台高度比R_h、前缘后缘长度比R_lt、喉部曲率ρ四个重要参数进行了仿真和分析，获得了不同电枢结构下电枢和枢轨接触面的电流密度分布。研究表明，更多的电流倾向于从接触侧的后部与喉部交界处流向非接触侧的前部与喉部交界处；对于枢轨接触面来说，由于电枢材料铝的电阻率大于铜，导致电流密度集中在接触面的前侧和后侧；当平台高度占比过小时会导致喉部电流密度过大和接触面前方电流密度过大，在一定程度上增大平台高度占比可以明显改善电流的聚集；因此在设计电枢时电枢任何部分的厚度不宜过薄。上述研究可为直线推进机构电枢的优化设计提供一定参考依据。     

电磁轨道炮运行阶段系统发射效率和电枢出膛动能研究

为了研究电磁轨道炮运行阶段关键参数对系统性能的影响,基于发射过程快速求解方法和触发策略自动计算方法,采用参数扫描的方式分析系统发射效率和电枢出膛动能随电枢质量、准备使用的脉冲形成单元(PFU)数、PFU电容预充电压和轨道电流波动幅度的变化趋势,并采用遗传算法求解发射效率和电枢出膛动能的单目标最优解和双目标Pareto前沿。总体而言,系统关键参数变化时,发射效率和电枢出膛动能均呈单峰变化趋势,并且彼此制衡。该研究方法和结论,对于在不同发射需求(即不同系统参数)下研究系统性能的变化趋势、实现发射效率和电枢出膛动能的双目标最优,有积极的指导意义。     

电磁轨道炮中的电流线密度与膛压

为提供一个统一的参考标准,将不同口径电磁轨道炮的研究成果联系起来,借鉴传统火炮内弹道研究方法,通过描述电磁轨道炮发射过程微分方程组,以及电枢与轨道电磁力解析分析,分别从宏观层面和微观层面考察了电磁轨道炮的内弹道过程。结果表明,电磁轨道炮的电磁场、应力场和温度场不由电流大小或口径大小单独决定,而是有由它们的比值即电流线密度决定。电流线密度平方与轨道压力、弹底压力、轨道间磁压力、轨道温度成正比,电流线密度可以反映电磁轨道炮的内膛压力大小。提出以电流线密度作为电磁轨道炮的核心参数,且比照传统火炮内弹道学参数的命名,电流线密度可以看作是电磁轨道炮的"膛压"。对大、小口径电磁轨道炮发射过程模拟计算对比表明,以电流线密度作为表征量,可以有效联系起不同口径电磁轨道发射装置上相关参数的变化规律。     

电磁轨道炮试验过程中枢轨界面的接触电阻特性

电磁轨道炮枢轨界面的接触电阻对界面热量和轨道炮系统的性能有着重要影响。为了计算轨道炮发射过程中的接触电阻,构建了发射过程电路模型,结合试验数据得到了接触电阻的数值和曲线。首先利用构建的发射过程电路模型确定了回路阻抗表达式。然后结合试验测量的炮口电压、炮尾电压和轨道电流,拟合了电枢的位移曲线和速度曲线。最后利用MATLAB进行数值计算,得到了轨道炮发射过程的回路阻抗和接触电阻数值,以及在轨道裸露和覆有铝熔膜2种情况下接触电阻的变化曲线。通过分析接触电阻的变化特性,得到了以下结论:在发射过程中,回路阻抗在一定范围内震荡,接触电阻则随电枢前进呈现不断减小的趋势;轨道表面的粗糙化和黑色氧化物减少了枢轨间固-固接触的实际面积,增大了接触电阻;而覆盖轨道的铝熔膜能增大实际接触面积,减小接触电阻。     

增强型电磁轨道炮瞬态温升时空分布

轨道瞬态温升时空分布特性对于增强型电磁轨道炮发射效率具有极其重要的作用。该文从接触电阻瞬态特性、枢轨接触压力瞬态特性的角度,对轨道电阻焦耳热与摩擦热共同影响轨道瞬态时空温升的分布特性进行研究。通过发射试验得到的炮口电压、轨道电流、电枢位移等数据建立这几个物理量之间的数学模型,计算分析了增强型电磁轨道炮枢轨接触电阻瞬态特性,获得了轨道接触电阻焦耳热分布;应用瞬态接触压力计算方法模拟枢轨接触压力的瞬态特性,获得了轨道摩擦热分布。为研究轨道瞬态温升时空分布特性,通过电枢运动位移、速度与时间的关系,对轨道进行分段建立瞬态温度场计算模型并采用电-磁-热耦合的计算方法,得到了以电阻焦耳热与摩擦热为热载荷共同作用下的轨道温升时空分布特性。数值模拟结果表明:随着电枢高速运动,摩擦热随之逐渐上升,接触电阻热较小;发射过程中临近炮尾的轨道温升较大,表明了炮尾轨道为热管理的关键部位,为电磁轨道炮的热设计提供了理论依据。     

电磁轨道发射装置仿真与试验

为了便于电磁轨道发射技术的研究,在对电磁轨道发射过程中的电磁和力学规律分析的基础上,建立了轨道发射的仿真模型。该模型可对发射过程中的电流、电压、速度等进行仿真计算,并通过实际发射实验结果对仿真模型进行了检验与校正。结果表明,该模型的仿真结果与轨道发射实验结果非常吻合,为电枢出膛速度、系统效率及其影响因素的进一步研究提供了有效工具。     

电磁轨道炮的电路建模及参数特性分析

利用非线性暂态电路仿真计算分析了电磁轨道炮系统的几个参数对系统性能的影响特性,包括脉冲功率电源的电容值及时序触发时间、调波电感及其电阻值、续流二极管和晶闸管电阻、轨道的电阻梯度和电感梯度参数等,系统性能指标为电枢加速时间和出口速度.在参数灵敏度分析的基础上,设计了一个电磁轨道炮系统.     

单级异步感应线圈炮的设计仿真分析

异步感应线圈炮是一种多相电源供电的电磁推进装置,线圈炮的性能分析对电磁结构优化和后期实验研究非常重要。在初级的发射过程中,影响电枢出口速度的因素很多,在电容参数一定的条件下,首先利用Ansoft有限元软件确定最佳电枢初始位置,接着分析驱动线圈连接方式和电枢材料两因素对电枢电磁力和出口速度的影响,为下一步设计多级电磁感应线圈炮提供参考。     

串联并列增强型轨道炮电磁特性分析

介绍了串联并列增强型轨道炮基本结构与原理,采用有限元分析方法,仿真分析了轨道内电流分布、炮膛磁感应强度、电感梯度值在50Hz半周期正弦电流激励下的特点。结果表明,串联并列增强型轨道炮在幅值为200kA的50Hz半周期正弦波电流作用下,轨道不同位置电流出现幅值和相位上的差异,出现的电流密度最大值为763MA/m~2,轨道边缘电流相位超前于轨道中心位置处;5ms时刻磁感应强度最大值为7.004T,磁感应强度呈中心对称分布;5ms时刻电感梯度值为7.48μH/m,此时可产生电磁发射力为150kN。分析认为串联并列增强型轨道炮具备良好的电磁发射特性,本研究为该轨道炮的设计提供了依据,对实用化轨道炮技术研究具有一定的参考价值。     

电磁发射系统C型固体电枢的电流密度分布特性及其机理分析

为得到C型固体电枢的电流密度、焦耳热分布特性,在假设电枢与轨道之间是不分离接触、理想全接触的前提下,基于数值仿真分析了C型电枢的电流密度和温度场分布特性及其产生机理,并进一步探讨了电枢结构尺寸变化对电流密度特性分布规律的影响及其影响机理。得出了集肤效应与邻近效应对电枢的特性分布有重要影响。