电磁轨道炮轨道表面功能化和防护

电磁轨道炮是利用洛仑兹力将电枢在极短时间内超高速发射的武器,电磁轨道炮发射过程中,一方面要保证电枢和轨道间良好的电接触,满足发射需求;另一方面要避免多种形式的失效,以保证发射的稳定性和轨道寿命。本文概括了电磁轨道炮3种主要的失效形式、机理,介绍了4种轨道防护方案,讨论了在轨道炮口处制备电阻涂层抑制炮口电弧的可行性,对电磁轨道炮轨道表面功能化和防护进行了展望。     

电磁轨道炮热生成机理及温度场数值仿真

在电磁轨道炮的发射过程中将产生大量热量,这些热量引起的温度突变是导致材料失效的重要因素.为了获得U型电枢温度场的变化规律,基于轨道炮的工作原理分析了其热生成机理;并通过将理论计算和有限元仿真相结合的方法,研究了电枢的温度变化;最后根据发射后轨道表面的观测结果,对仿真进行了试验验证.结果表明:电枢的温升主要取决于电流的大小,而摩擦热对温升的影响较小;U型电枢中拐角部分的温升比较明显,而最高温度出现在电枢的两侧与轨道接触区域.该数值仿真为轨道炮的材料技术研究提供了参考和指导.     

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。     

尾推式固体电枢的应力评估方法研究

电枢作为电磁轨道炮用弹丸核心部件之一,对其进行设计与改进一直在电磁轨道炮工程化研制中占据重要位置,其中应力评估是其设计的关键环节。基于电枢的负载要求和膛内不同时刻的工作状态,形成了电枢载荷及约束的加载方法,对所加载的载荷进行了参数化处理;依据轨道炮发射原理及发射试验结果对关键参数进行分析,根据分析结果对膛内工况进行了进一步假设及细化,建立了基于有限元方法的尾推式固体电枢应力评估方法;并以某型尾推式电枢为例进行了电枢应力的示范性计算。     

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。     

基于灰熵分析法的电枢出口速度影响因素分析

为了研究电磁轨道炮结构设计参数与电枢出口速度之间的相关性,建立了电磁轨道炮电枢出口速度影响因素的指标体系,采用灰熵关联法,分析了电容、电感、电阻、电枢质量、轨道有效长度、放电电压对某口径电磁轨道炮电枢出口速度散布特性影响的显著程度.结果表明,放电电压、电容是影响电磁轨道炮精度的主要因素,电枢质量时电磁轨道炮精度影响最小...     

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.     

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.     

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。     

电磁轨道炮锡合金镀层U形电枢仿真与试验

为解决电磁轨道炮电枢/轨道间干摩擦阶段摩擦力过大、发射效率低等问题,提出以锡合金作为电枢/轨道间液态导电涂层,对锡合金改善电磁轨道炮发射性能进行了理论分析与数值仿真计算。仿真结果表明:在电流欧姆热等作用下,锡合金能够比普通铝电枢表面更早熔化并形成液态导电涂层,有效减小电枢/轨道间摩擦力。在20 mm×20 mm方膛轨道炮上开展了普通U形铝电枢与锡合金镀层电枢发射对比试验,结果表明:对比5、20、35、50μm 4种厚度的镀层,以35μm厚镀层对电枢炮口速度提升效果最显著,约为22%;对比5、10、15 MA/m 3种线电流密度条件,其中对电枢速度提升贡献最大的是5 MA/m,最小的是15 MA/m;在典型发射条件下,锡合金镀层电枢较普通铝电枢炮口速度,提升幅度约为13%～22%.     

电磁轨道炮滑动电接触导电涂层应用研究

作为一种超高速新概念动能武器,电磁轨道炮的关键技术之一是电枢/轨道间的滑动电接触控制,由于发射初期滑动电接触属于固态/固态干摩擦状态,因而对系统发射效率和轨道寿命有着严重影响。分析了电磁轨道炮滑动电接触常用涂层材料的研究进展。从理论基础、制备工艺、电热特性、机械特性、化学特性等方面,对基于低熔点合金涂层的流体动压润滑技术应用于电磁轨道炮进行了初步探讨。对低熔点合金涂层用于电磁轨道炮发射初期改善滑动电接触特性进行了展望,并提出了几点建议。     

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。     

电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析

电磁轨道炮是利用电磁力将弹丸加速到超高速的新概念武器系统,可遂行直瞄打击、超高空或超远程投送弹药等多种作战任务。介绍了轨道炮的基本原理,从电能利用角度对轨道炮研究中电源与电力控制、轨道与电枢结构设计、超高速滑动电接触理论与技术以及轨道炮系统集成等关键技术进行了分析。依据电磁轨道炮发展规律及现有技术水平,分析其新的发展趋势为大炮口动能轨道炮设计、基于轨道发射的弹丸设计以及轨道长寿命研究,对新概念武器发展有一定参考意义。     

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。     

冲击载荷下轨道炮刨削形成机理及仿真分析

针对电磁轨道炮的发射特点,提出了微凸体引起的刨削形成机理;根据实际轨道炮的结构和载荷特点,利用ABAQUS有限元软件在不同的参数条件下进行了仿真计算;发现刨槽的尺寸主要取决于枢轨间相对滑动速度和电枢长度,滑动速度越高刨槽就越宽,而且刨槽尺寸随着电枢长度的加长而变长,但是枢轨界面载荷对刨槽尺寸的影响不大;轨道刨削形成机理的提出及仿真计算,为电磁轨道炮的抗刨削技术研究提供了参考和指导。     

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。     

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.     

基于MGM(1,N)模型的C型固体电枢初速研究

为了进一步研究电枢出口速度的变化特性,以小口径C型固体电枢电磁轨道炮为研究对象,通过建立多变量灰色预测模型,来实现对电枢初速的拟合和预测,并对连续发射状态下电枢速度的变化及发射系统的性能进行预测和分析.分析结果表明,电枢初速的变化为先波动后稳定增加最后衰减的趋势,应用MGM(1,N)模型对于电磁轨道炮发射系统性能的研究具有重要意义.     

电磁轨道炮电枢的运动特性研究

为了快速有效地实现电磁轨道炮的反导,对其固体电枢电磁阻力与空气阻力角度等运动进行研究。在基于麦克斯韦理论的基础上,分析了电枢在炮管内的力学特性。通过理论仿真计算分别对电枢的电磁阻力及空气阻力进行了分析,比较了截面及摩擦因素对出口动能的影响,得到了最优方案,并提出了改进电枢发射的措施。研究结果表明：低速段摩擦力大于空气阻力,而高速段空气阻力对发射影响较大。