电磁轨道炮膛内强磁场屏蔽与优化方法

针对电枢发射过程的速度趋肤效应影响磁场分布和导磁材料磁饱和特性的问题,在轨道炮面电流模型基础上提出单层导电材料、单层导磁材料、三层组合屏蔽方案以及考虑屏蔽体相对弹底距离及屏蔽体壁厚的优化方案。该屏蔽方案利用导电材料的涡流消除机理和导磁材料的磁通分流机理可以有效屏蔽磁场从而保护引信内部电子器件。仿真结果表明,在距离弹底2倍导轨间距位置处,3mm厚的低碳钢-铜-Mumetal的组合屏蔽体具有最优屏蔽效能,屏蔽前后考察面平均磁通密度峰值分别为0.224T和0.0115T,屏蔽效能达到25.79dB;在距离屏蔽体底面9mm距离内,屏蔽效能不低于29dB。     

基于COMSOL的轨道炮弹引信部位磁场组合屏蔽仿真

针对电磁轨道炮发射的弹丸中,引信部位电子器件会受到低频脉冲强磁场干扰的问题,在采用COMSOL仿真软件建立轨道炮面电流模型,进而分析发射过程中电枢前端磁场分布的基础上,对铜-1J22、铜-铁、铝-坡莫合金三种组合屏蔽方式及铝-坡莫合金屏蔽层厚度比例对屏蔽性能的影响进行了仿真。仿真结果表明,发射过程中距离电枢前端越近磁场越强且屏蔽效能越差;三种屏蔽方式下铝-坡莫合金的屏蔽效能最好,在电枢前端10 mm位置屏蔽前后磁通密度为2.902 5 T和0.109 9 T,屏蔽效能可达到28.44 dB;在总厚度为4.5 mm的铝-坡莫合金屏蔽组合方式中,导磁材料坡莫合金厚度增加屏蔽性能也会提高,但其层厚度增加超过2.5 mm时对屏蔽效能的影响已不那么显著且最后将趋于某一恒定值。     

电磁炮弹丸遥测装置的电磁防护方法

针对处于电磁炮弹丸内的弹载遥测装置受强磁场的影响而产生的无线传输信道中断问题,提出了电磁炮弹丸遥测装置在强电磁环境干扰下的电磁防护方法。该方法采用导磁导电材料结合模式,设计了双层组合屏蔽体模型,利用FLUX电磁场分析软件计算不同方案下的磁场屏蔽效果。仿真结果表明,将导电材料置于屏蔽体外侧,导磁材料置于屏蔽体内侧,在给定的弹丸遥测装置尺寸内,遥测装置离弹尾距离越远,屏蔽效能越好,且将遥测装置放置于弹丸头部,屏蔽效能更优。     

电磁轨道炮瞬态磁场测量与数值模拟

为研究电磁轨道炮的磁场特性,建立三维瞬态电磁场计算模型,采用时域有限元/边界元耦合方法进行求解,获得了电枢的膛内运动过程,以及电流密度和磁通密度的时空分布,讨论电枢与轨道间的滑动电接触在电流扩散过程中产生的速度趋肤效应。在发射实验中,用B探针测量电枢运动及磁场,分析了发射过程中的瞬态磁场变化特点,与数值模拟结果进行对比,验证了电磁轨道炮三维瞬态电磁场计算模型的有效性。     

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。     

封装螺旋线圈发射器的瞬态仿真

根据线圈炮的结构特点和发射过程,建立了二维瞬态有限元仿真模型,分析了不同封装材料和结构对发射的影响,与不同时刻的磁场分布规律。结果表明,发射过程中导体封装体内产生感应涡流,会降低弹丸的出口速度,且对电磁场的屏蔽效果不理想。而导磁的非良导体材料封装对炮的主磁场有加强作用,能提高弹丸的炮口速度,且电磁屏蔽效果良好。当导磁材料封装的厚度增加时,可以更好地增强磁场,弹丸炮口速度增加,且电磁屏蔽效果更好。为了得到更高的弹丸炮口速度并更好地屏蔽电磁场,在减小封装与驱动线圈间距并增加封装厚度的情况下,使用高磁导率的硅钢片制作封装,硅钢片的厚度应该尽量小从而削弱涡流效应。     

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.     

电磁轨道炮熔化限制条件下速度极限分析

电磁轨道炮可以超高速发射宏观弹丸,目前制约轨道炮的关键技术之一是电流不均匀特性及其引起的最大电流密度欧姆加热至材料局部熔化。在分析了制约电流不均匀分布的趋肤效应和短路径聚集特性的基础上,设计了电流比较均匀的电枢和轨道结构,参考SAM值和仿真结果,获得了在局部熔化限制条件下最大承载电流的近似取值。根据该位形最大承载电流近似取值,参考电磁轨道炮物理学原理,分析了优化位形发射不同载荷情况下弹丸的理论速度分布及加速距离分布。上述结果对分析电磁轨道炮极限性能以及军事应用前景有重要参考意义。     

轨道炮发射过程中弹药制导组件强磁环境控制技术

电磁轨道炮弹药制导部分是其未来发展的关键技术之一.针对弹药制导组件无法承受过强磁场的问题,采用理论分析和数值仿真方法,对铜导体的电磁感应屏蔽、铁磁材料磁屏蔽以及活动制导组件的控制技术作了磁场分布有限元分析,研究了电磁轨道炮发射过程中弹药制导组件所处磁场环境的抑制方法.结果表明:采用合适隔离与屏蔽方法,制导组件所处环境的磁场可降低4个量级,达到36μT.上述研究工作很大程度上降低了弹药组件环境磁场强度和研发难度,对电磁轨道炮制导弹药研究开发具有一定参考意义.     

线圈型电磁发射器的一种屏蔽方案

从磁路的观点出发,分析了封装材料的导磁和导电特性对发射性能的影响,并分析了铁氧体的特性和作为封装材料的可行性与优越性。基于Ansoft电磁场有限元分析软件,建立了线圈型电磁发射器模型,研究了炮管的厚度与结构变化对线圈发射的影响。结果表明：在驱动线圈电流固定的前提下,增大炮管厚度可有效抑制电磁发射器工作时对外的电磁辐射,并可显著提高弹丸的出炮口速度;炮管采用实心封装结构要优于多层封装结构,初步实现了电磁发射过程的电磁屏蔽。     

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。     

多层平板屏蔽体的多目标优化设计

多层屏蔽体的设计是根据屏蔽效能等的要求来确定各屏蔽层的材料以及厚度,由于多层电磁屏蔽的屏蔽效能是入射波的角度、材料的电导率、磁导率、介电常数以及各层的厚度等的强非线性函数,因此,采用数值方法对多层屏蔽体进行设计是非常困难的。为了解决实际应用中的多层屏蔽体设计问题,提出了多目标优化设计模型,在该模型中,将屏蔽体的总质量,总价格以及总厚度作为优化目标,将多个频率的屏蔽效能作为约束条件。利用遗传算法对屏蔽体进行多目标优化设计,最后对一个三层平板屏蔽体进行了实际设计,结果表明该方法切实有效。     

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。     

弹箭磁屏蔽效能仿真及分析

为了分析磁传感器的测量误差,建立了弹体静磁屏蔽效应数学模型,利用ANSYS软件进行弹体三维磁场仿真,分析了弹体相对磁导率、壁厚等自身因素对磁屏蔽系数的影响,仿真结果与理论计算结果一致。仿真研究并拟合出弹体磁屏蔽系数与弹体姿态角之间的关系。结果表明,当弹轴与磁场方向平行时,磁屏蔽系数最小,随着夹角的增大,磁屏蔽系数增大,当弹轴与磁场方向垂直时,磁屏蔽系数最大。建立了磁屏蔽椭球模型,提出直接获取软磁误差矩阵的方法,为磁传感器的误差校正提供了理论基础;给出了利用磁屏蔽椭球模型直接解算弹体相对于地磁矢量姿态角的方法,为磁传感器在弹上的应用提供了理论基础。     

U形电枢非稳态电磁场二维数值模拟

建立了电磁导轨炮U形电枢二维非稳态电磁扩散效应计算模型,运用有限差分P—R算法耦合计算电磁场与温度场,得到了导轨及U形电枢内部磁感强度和温度分布;并将计算结果与电枢固定静止的情形做了比较。数值计算结果显示了电枢运动引起明显的电流速度趋肤效应,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;同时使电枢尾部欧姆热剧增导致出现高温烧蚀。计算结果为固体电枢在快速滑动中避免发生转捩并抑制烧蚀提供了理论依据。     

电磁驱动式引信过载试验装置中的电磁防护研究

利用电磁驱动技术可模拟引信发射过程中的高过载环境,但其工作过程中产生的磁场会对被试引信产生不利影响,因此需对被试引信采取电磁防护措施。介绍了电磁驱动式引信过载试验装置的组成和工作原理,设计了被试引信电磁屏蔽罩的结构;构建了电磁驱动式引信过载试验装置的仿真模型,对比分析了不含屏蔽罩、含铝制屏蔽罩、铝钢复合屏蔽罩下引信区域的磁场强度。研究结果表明：在1 ms时刻,在不含屏蔽罩、含铝制屏蔽罩、含铝钢复合屏蔽罩3种情况下,被试引信处的最大磁场分别为1.54 T、0.17 T、4.2×10^-5 T,铝钢复合材料防护罩对被试引信具有更好的防护效果。     

电磁轨道炮电枢馈电位置研究

轨道炮电枢依靠馈入的脉冲大电流来产生电磁力以驱动弹丸运动。选择合适的电枢馈电位置,有利于减小电枢的启动延迟,也能够减少身管长度的冗余设计。研究了电枢馈电位置的选择对电枢启动时电磁推力的影响,理论推导分析并结合有限元/边界元数值模拟的结果表明:改变电枢的馈电位置,随着接入电路的轨道长度的增加,电枢所受电磁推力逐渐趋于饱和;对于方膛口径轨道炮,在4倍口径位置处馈电可使电枢获得99%的推力,而当轨道间距增加后,则需要在距炮尾更远处馈电方可获得绝大部分推力。分析了炮尾汇流装置对电枢馈电位置的影响,得到纵向汇流方式比横向汇流方式更有利于缩短电枢距炮尾的馈电距离。