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。     

电磁轨道炮电枢装填推力影响因素分析

电磁轨道炮发射时装填固体电枢所需的推力不仅与电枢-轨道之间的初始接触压力相关,而且与装填电枢的方式等因素相关。通过选取装填过程所涉及的推杆和电枢为研究对象,利用NX NASTRAN解算器建立了电枢入膛有限元模型,对几种常见的推杆偏移现象进行了量化对比分析,结果表明推杆的上下偏移是造成装填推力变大的重要因素。在实际建模中,轨道选用与现实更贴合的凸面对称结构、电枢-轨道接触压力按照"每安培一克"进行初设。这些工作将有助于提高电磁轨道炮自动装填装置的设计水平。     

一种新的电磁轨道炮电感梯度计算方法

针对现有文献对速度趋肤效应影响下的电磁轨道炮电感梯度研究不足的问题,从毕奥-萨伐尔定律出发,提出一种新的电感梯度计算方法。指出文献给出的4种电感梯度计算方法的缺点与不足,将轨道中电流假设为均匀分布于轨道的内表面及上、下表面,采用文中方法与文献给出4种计算方法对电感梯度进行分析,并将其计算值与ANSYS仿真及实验得到的电感梯度值进行对比。结果表明:该方法与文献给出4种计算方法所得计算值的变化趋势较为一致,但方法得到的电感梯度值较为接近,具有形式简单、计算准确的优点。     

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。     

电磁轨道炮轨道形状对电流分布的影响

电磁轨道炮作为一种新概念动能武器系统,与传统火炮相比具有发射动能高、攻击距离远等优点.电磁轨道炮利用脉冲电流产生的强磁场与电流产生的洛伦磁力来产生推动力,而轨道表面的电流分布会对电磁轨道炮的寿命、性能等产生重要的影响.通过二维边界元方法,采用自编程序对比模拟了几种不同形状轨道的表面线电流分布,计算结果表明:通过倒角、采用椭圆弧面以及几何参数的适当选取等方法可以抑制电流密度聚集效应,增大轨道内侧表面电流密度幅值,优化轨道表面线电流分布,为轨道炮的实验设计提供了合理的参考方案.     

电磁轨道炮导轨和电枢中的焦耳热分析

考虑了脉冲波形的影响,采用简化模型计算了自行设计的一种小型电磁轨道炮在单次发射后金属导轨和电枢中的焦耳热.结果表明铜导轨的热损耗是81.5 kJ,大约占输入总能量的20%,该热量可以使铜导轨表面的温度升高至260℃,远低于铜的熔点1 083℃.铝合金电枢中的焦耳热是991 J,该热量可以使电枢表面的温度升至270℃,表明电枢在发射过程中温度不会达到熔点(620℃).电磁轨道炮单次发射时其导轨和电枢的温升不会造成导轨和电枢的熔化.     

电磁轨道炮后坐过程研究

分析了电磁轨道炮发射时后坐运动的特征,将其运动分为3个时期：电枢膛内运动时期、电枢出膛后残余电能释放时期和惯性后坐时期;进一步将每个时期的后坐运动分为自由后坐运动与制退运动。分别分析3个时期身管后坐的运动特征,根据其运动方程与力平衡方程,结合内弹道计算结果与发射器总体设计参数求解各时期运动规律。以某口径电磁轨道炮为例,在初始后坐阻力10 kN,后坐总行程20 mm的前提下,计算得到后坐阻力常数为22.728 kN,后坐总时间为92.32 ms,获得了后坐运动曲线。计算方法及结果能够为电磁轨道炮制退机与复进机的设计提供一定的指导依据。     

电枢运动状态下轨道炮膛内磁场仿真分析

通过对三维轨道炮模型进行有限元分析求得电枢所受电磁力,进而得到电枢运动速度和位移。以离散时间步长仿真得到不同时刻电枢位于不同位置时的考察点磁场强度。结果表明,膛内磁场变化同激励电流变化整体一致,但是磁场峰值时刻滞后于电流峰值时刻,在下降阶段磁场出现局部波动。磁场频率集中于低频段,整体呈下降趋势。     

晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响分析

基于一种增强型轨道炮负载特性,从机理上分析了大功率晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响。研究结果表明,增强型轨道炮发射过程中脉冲成形网络部分电能得不到有效利用,分析原因是增强型轨道炮的初始电感较大,导轨电流具有梯形波特性,从而使发射初始阶段后膛电压具有较高的幅值,导致该阶段放电的脉冲成形单元存储的电能没有释放完全,大功率晶闸管就因承受了反向电压而关断。通过对增强型轨道炮系统仿真和发射试验验证了上述结论。根据增强型轨道发射系统中脉冲成形网络的实际状况,对剩余电能再利用的方法进行了探讨。研究结论对大功率晶闸管在增强型轨道发射系统中的工程应用具有指导作用。     

电磁轨道炮二阶欠阻尼电路的模型构建与分析

采用了一种简单的等效电路模型,建立了电磁轨道炮的回路方程。利用拉普拉斯变换及反变换得出了储能电容器上的电压、放电回路电流和电枢反电动势的表达式,运用MATLAB软件分析了不同电感梯度下三者的变化规律。结果表明:电感梯度越大,电压波动越小,电流波动也越小,反电动势则越大。随着时间的增长,它们的波动频率先是比较显著,继而逐渐趋向于零。这对研究电磁炮电路问题提供了一定的理论依据。     

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。     

基于三维梁理论的电磁轨道炮复合身管抗弯性能分析

基于复合材料的三维厚壁梁理论,考虑梁的三维应变、挠曲等效应,建立了圆形电磁轨道炮身管纤维缠绕复合外壳的等效抗弯刚度计算模型。采用组合梁的等效抗弯刚度计算法,对纤维缠绕的轨道炮身管的整体抗弯刚度进行了分析,并与层合板理论法、有限元法做了对比。结果显示,3种计算方法在缠绕角度较大时,计算结果一致性较好。分析了纤维缠绕角度的变化、不同径向位置的碳纤维缠绕角度变化以及不同内膛绝缘材料对身管轴向抗弯刚度的影响。研究结果表明：身管的轴向抗弯刚度在缠绕角度较小时,随着缠绕角度的增大,呈明显的下降趋势,并且其受内层碳纤维的缠绕角度影响要比外层碳纤维的要大;高密度、高弹性模量的内膛绝缘材料并不一定就能提高身管的轴向抗弯刚度。     

考虑缠绕预应力的轨道炮身管复合外壳渐进损伤分析

基于渐进损伤理论和Hashin失效准则,建立轨道炮身管纤维缠绕复合外壳的三维渐进损伤模型,采用有限元法分析和预测其损伤的起始和演变发展。借鉴纤维缠绕压力容器的设计理论,计算了等环向应力缠绕的预应力,分析了缠绕预应力对复合外壳渐进损伤的影响。仿真结果表明:复合外壳渐进损伤过程中,基体开裂、分层等多种损伤模式相继出现,其中基体开裂和拉伸引起的分层是复合外壳稳态失效过程中的主要损伤模式;缠绕预应力对复合外壳的某些损伤模式在一定程度上起到了抑制作用,但是加剧了复合外壳整体的损伤。该缠绕方式仅在加载初始电磁压力时,对内膛的刚度和密封性能的改善起到一定作用。