瞬态情况下电磁轨道发射器的电感梯度

电感梯度是电磁轨道发射器的重要参数,其值的计算对于发射器结构设计以及预测电枢的运动行为具有重要意义。为此,从磁能的角度出发,推导了二维瞬态情况下电感梯度的表达式。通过求解磁场控制方程,得到了轨道中电磁场的扩散行为。结果表明:在电流从趋肤状态扩散到稳定状态的过程中,电感梯度值为相应高频电感梯度值到低频电感梯度值之间的递增曲线;电流处于下降沿或者材料电导率改变时,均会改变电磁场的扩散行为,进而影响电感梯度变化曲线;研究认为:瞬态情况下电感梯度值与电磁场扩散行为有关,而涡流是影响电磁场扩散行为的重要原因。     

增强型电磁轨道发射技术现状及发展趋势

电磁发射技术是将电磁能转化为动能的新型发射技术,具有初速高、初速可调、性能稳定等优点。增强型电磁轨道发射技术是电磁轨道发射技术的重要分支,具有电感梯度高的显著优点,近年来成为电磁轨道发射的研究热点之一,理论研究和工程应用均取得了较大进展。文中主要介绍增强型电磁轨道发射技术的工作原理,分析近年来相关研究机构在建模、计算仿真、试验验证等方面的主要研究成果,总结并分析近年来国内外研究现状及进展。分析结果表明,增强型电磁轨道发射技术具有增加装置等效电感梯度、降低驱动电流幅值、提升内膛寿命、提高有效载荷比等优点,但也带来电子器件使用限制、装置复杂性和绝缘风险增加等问题,提出了场路耦合计算仿真、一体化绝缘、长寿命、大张力成型、弹炮匹配等关键技术,进一步厘清增强型电磁轨道发射技术和装置的发展及应用方向,加快推进其工程化应用进程。     

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。     

带导磁体的轨道式电磁发射电枢的电磁仿真

为了增强轨道式电磁发射电枢的获得的电磁力,将导磁体安装到电枢上以增强电枢获得的磁感应强度。利用相关电磁仿真软件的稳恒磁场求解器分析电枢及导磁体上磁感应强度分布,验证了导磁体的增强效果。利用其涡流场求解器,在发射系统加载50kHz交流电,分析发射初始时电枢上电流密度的分布情况。结果发现导磁体的存在对电流密度分布没有明显的影响。     

电磁轨道炮发射技术的发展与现状

为给电磁轨道炮发射技术的进一步发展提供指导,回顾了电磁轨道炮发射的发展历程和应用前景,重点介绍了电磁发射技术中的研究热点和电磁轨道炮的研究现状,从电的特点出发,分析了基于电能利用的电磁炮技术的优、缺点,指出电磁炮是发射技术发展的必然趋势。由于技术的复杂程度极高,涉及到诸多非常规极端条件,因此对相关规律和现象的认识还有很大局限,发射器寿命问题的解决是电磁炮走向应用的前提,而电源的小型化问题将在相当一段时间成为电磁炮技术应用的范围与领域拓展的关键问题,有必要有针对性重点研究关键问题和瓶颈技术,以期迅速发展电磁发射技术推动电磁炮的应用。     

小口径电磁轨道发射装置重复发射试验的不确定性

电磁轨道发射器的初速精度受到电磁发射过程中各种参数的影响。通过避免预紧力、安装方式及初始位置等因素的影响,在小口径电磁轨道发射器进行了多次发射试验。试验结果表明发射过程的滑动电接触性能良好。分析了测量系统的测量精度,初速测量误差为0.56‰。在多次重复发射时,获得平均速度为1 853.2 m/s,其相对误差为4‰,或然误差为3.06 m/s,并分析或然误差的几种可能因素。分析结果表明重复发射过程中,由于电磁轨道发射初速已经具有较高的精度,所以只需较小的速度调节就可以进一步提高初速精度,为今后高精度发射试验提供了坚实的基础。     

瞬态条件下电磁轨道发射装置绝缘体热损伤分析

电磁轨道发射装置绝缘体在瞬态发射条件下易出现热损伤而影响其支撑强度和绝缘性能。为分析电枢膛内运动以及炮口电弧回流两个阶段绝缘体的热损伤情况,该文建立了三维瞬态电-磁-热耦合模型以及考虑G10绝缘体细观结构的流-固-热耦合模型。结果显示：电枢膛内运动阶段,绝缘体最高温度始终出现在电枢起始位置附近,接近最高允许工作温度;炮口电弧回流阶段,回流电弧对绝缘体纱线的影响很小,仅口部1.3 mm范围内的纱线形成“倒角”状热损伤,但对绝缘体内表面电弧流经区域的树脂造成了大范围热分解,树脂的热分解损伤占主导地位,并得到了试验验证。导轨冷却系统设计可以避免绝缘体支撑强度下降,采用炮口消弧装置以及提高树脂的抗热侵蚀能力有助于避免绝缘失效。     

基于时频分析的电磁轨道发射电感梯度研究

为研究电磁轨道发射试验过程的导轨电感梯度,本文首先利用Matlab时频工具箱对发射试验的电流信号进行处理,得到了发射过程中电流的时频曲线;同时通过Ansoft建模仿真得到了不同频率下的导轨电感梯度值;进而得到实际发射过程中对应于不同时刻的导轨电感梯度值.结果表明在整个发射过程中,工作电流频率是在逐渐减小的,而导轨的电感梯度是在非线性增大;对比由此电感梯度与常值电感梯度(0.40μH/m)引起的推力表明:在发射的初期,二者大小非常接近,但在发射的后期(1.0ms以后)推力差异增大,常值时的推力值较前者偏小约4%.     

基于Fluent二次开发的电磁轨道发射运动磁场仿真

针对电磁轨道发射运动电磁场与传统运动电磁场存在的差异性,系统推导其运动电磁场的控制方程、边界条件,建立电磁轨道发射运动电磁场的数值计算模型,创新性地提出采用FluentUDS二次开发进行数值计算的方法,仿真得到速度趋肤效应对电磁轨道发射弹丸内部磁场的影响。仿真结果表明:相比不考虑速度趋肤效应的情况下,在速度趋肤效应的影响下,弹丸中轴线最大磁感应强度由5.6T降到5.2T,且磁感应强度的峰值时刻由放电电流平流段结束时刻提前到平流段的起始时刻。研究方法可对电磁轨道发射膛内多物理场耦合模型的建立提供基础,研究结论可为电磁发射弹丸发射磁场模拟平台的搭建提供设计输入。     

电磁轨道发射用脉冲电源系统的发展与现状

脉冲电源系统是电磁发射系统的重要组成部分,其性能影响着电磁发射技术的工程化应用进程。本文针对不同储能形式下(电容储能、电感储能和惯性储能)脉冲电源系统的研究现状进行了总结和展望。电容储能型脉冲电源运行可靠、调控灵活,在不同口径和射频需求下普遍适用;电容的低储能密度制约了在可移动平台上的发展,但由于技术成熟度最高,未来短期内是电磁发射工程应用的首选电源方案。电感储能型脉冲电源已初步完成千焦级模块的研制和兆焦级系统的搭建,但存在开关器件关断应力高和系统传输效率较低的问题,与工程应用存在一定差距。惯性储能型脉冲电源的储能密度最高,研究多集中于空心脉冲发电机,在理论分析、多物理场仿真等方面取得一定进展,高速实体电机的研制处于发展初期。     

身管外壳对电磁轨道发射装置发射性能影响分析

电枢在发射过程中,瞬时变化的导轨电流会在金属身管外壳上感应出巨大的涡流,身管涡流会产生额外的损耗,同时外壳涡流的去磁效应会改变电枢、导轨等器部件的应力分布从而影响装置发射性能。该文建立了电磁轨道发射装置的数学模型,并针对整体式、上下分断式以及叠压式三种外壳结构有限元模型进行了电磁场-结构场联合仿真,获得了发射装置电磁参数和各部件应力分布。有限元电磁仿真结果表明,叠压式外壳结构外壳涡流最小、电感梯度最大、器部件应力最大,整体式外壳结构外壳涡流最大、电感梯度最小、器部件应力最小。全系统电气仿真和对比试验证明,在满足外壳支持强度和装置各部件应力条件下,选用高磁导率、低电导率的材料并设计抑制涡流的身管外壳结构,有利于提高发射装置电枢出口速度和系统效率,从而获得优良的发射性能。     

无刷直流电动机瞬态电磁-温度耦合场分析

航空用永磁无刷直流电动机通常具有高转速、小体积、大功率密度的特点,因此该类电机的发热问题较为突出。为了对永磁无刷直流电动机温度场进行准确仿真,必须考虑电机内电磁场与热场的耦合效应。采用二维时步有限元法对一台4极3相30 kW表贴式永磁无刷直流电动机的温度场进行了分析计算。各物理场之间的耦合是通过损耗计算及材料特性随温度变化而实现的。计算结果和实测结果进行了分析比较,验证了模型的有效性。     

变电所的瞬态电磁环境分析

变电所的瞬态电磁环境威胁二次系统的安全运行。采用现场测试和数值计算的方法分析了开关操作时和雷电作用时产生的瞬态电磁场。开关操作时产生的瞬态电场的频率范围为小于15 MHz,持续时间为8μs,主频为DC～1 MHz,上升时间为0.5～1.5μs;瞬态磁场的频率范围为小于20 MHz,持续时间为8～10μs,主频为0.5～3 MHz,上升时间为0.25μs。建议的最大瞬态磁感应强度为400 A/m,电场强度为20 kV/m。雷击变电所的雷电瞬态磁场建议取1 000 A/m。国家推荐性标准GB/T17626.9-1998的要求无法满足变电所实际雷电电磁环境的要求,建议变电所电子设备电磁兼容测试的脉冲磁场抗扰度的要求取1 000 A/m,另外建议对变电所的电子设备的抗扰度试验要增加瞬态电场测试,其强度取20 kV/m。     

电磁发射中导轨温度时空分布规律的实验研究

合理地设计导轨冷却系统需要了解电磁发射过程中导轨温度的时空分布,为此,设计并搭建了基于光纤光栅的导轨温度测量系统,测量了导轨多处的温升数据。依据延时测温数据,推测了导轨温度分布及演化规律。结果表明:导轨体电阻的焦耳热是热量比重中最大的部分;整个导轨上热量分布不均,电枢起始位置附近的热量最高;热量率先在导轨横向截面达到平衡,再逐步向两端传导耗散。结论为验证、修正导轨温度场仿真模型及设计导轨冷却系统提供了依据。     

论电磁发射开启电磁武器时代

本文认为武器的本实质是能量变换器;从能量科学发展进步的角度首次揭示出"电磁武器"概念及其科学体系;并指出电磁武器体系的最后形成是电磁发射研发的结果;科学地定义并给出电磁武器的种类及其所包涵的内容;还依据分析了第四代武器是电磁武器的必然性;以及总结提出"电磁武器"的现实意义和历史价值。     

计算焦耳温升作用的电磁轨道发射中电枢尾翼转角处受力分析

在电磁轨道发射中电枢尾翼转角处的受力过程是焦耳温升作用下的动态过程,受多种因素影响,易发生断裂失效,进而影响电枢和电磁轨道发射系统性能。为此,在构建电枢静止、加速和减速运动状态下尾翼转角处受力理论模型的基础上,结合电枢材料电阻率和比热容随焦耳温升的变化,对电枢尾翼转角处的受力情况进行了仿真计算,然后通过电磁轨道发射试验进行了验证。计算结果显示:电流峰值为600 kA时,考虑电阻率和比热容变化时温升的计算结果比不考虑时的结果高171.23 K;当电流峰值达620～640 kA,但未达到电枢材料6061铝合金的“载流特征量”时,电枢尾翼转角处就会发生拉伸断裂失效。观测发射试验后回收电枢的形貌,电枢尾翼上存在符合拉伸断裂特征的收缩断裂缝,初步验证了理论计算分析结果,为后续电枢设计优化提供了依据。     

基于小波和凯瑟效应的电磁声发射信号特性分析

针对脉冲电磁涡流激励下,金属铝板的声发射信号具有宽频率响应以及低频干扰严重的特性,使用小波包和快速傅里叶(FFT)方法研究了不同加载条件下来自不同试件信号的高低频能量特性,揭示了不同试件的信号特征,得到了缺陷的声发射信号以及噪声的强度特性。基于声发射理论,将有限元计算的形变和声发射信号进行了归一化处理,并依据凯瑟效应,建立了有限元分析和声发射信号之间的内在联系,为理论和实验研究电磁声发射技术提供了重要的理论和实验依据。     

电磁瞬态多级防护技术研究

对电磁瞬态 (电涌 )的器件防护技术进行了研究。根据电涌多级防护的基本要求 ,利用电路波过程理论 ,推导了两级防护电路的电压和电流波的计算公式。在此基础上 ,对两级防护的动态特性进行计算分析。最后采用 EMTP软件对多级防护的实例进行仿真