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。     

固体C型电枢几何结构优化设计

电枢是电磁轨道炮的关键部件之一,其几何结构直接影响轨道炮的发射性能。在电磁轨道炮发射过程中,由于电枢与轨道接触面上流过强大的电流,局部高温导致金属材料丧失强度与产生烧蚀。为此需要通过选择合理的电枢结构参数来抑制电流趋肤效应的影响,使流过导轨和电枢接触面的电流分布尽量均匀,达到改善轨道炮烧蚀的目的。基于ANSYS建立了固体C型电枢电磁性能的有限元分析模型,对三种典型的C型电枢进行了仿真计算,研究了几何参数对C型电枢电磁性能的影响,得出了最优化C型电枢的设计方案。本文的研究结论对固体C型电枢的研究与设计有重要参考意义。     

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。     

电枢膛内位置及速度的直接接触式测量方法

目前电磁轨道发射装置中膛内电枢位置测量多采用B-dot磁探针。但在连续发射的模式下,电枢电流不连续,B-dot磁探针失效,需要新的测量方法检测电枢经过关键位置的时刻及运动速度。为此,根据轨道发射装置的结构特点,提出采用直接接触式测量方法。即在电枢配重中安装金属纤维,同时在绝缘隔板中沿电枢运动方向分布金属触头,金属触头与外接电源相连接;电枢运动时,其配重中的金属纤维与金属触头接触时,回路闭合,在取样电阻上获取高电平信号,该信号上升沿即为电枢位置信号。同时根据相邻电平上升沿的时间差以及所对应金属触头的间距,可以获得电枢在膛内的速度。在实际发射实验中,利用该方法准确测得发射过程中电枢的位置,及对应发射速度,且该测量有效地避免了发射过程中烟雾及弧光的影响。     

电磁发射中枢轨接触电阻特性研究

在电磁轨道发射技术中,电枢和轨道的接触状态对发射系统的性能和寿命有重要影响。接触电阻是反映接触状态的一个重要指标。为此,建立了炮口电压的电路模型,设计不同充电电压条件下的发射试验,并测量炮口电压、轨道电流、电枢位移。根据电路模型计算出接触电阻和电枢体电阻。计算结果表明:初始阶段,电枢体电阻与接触电阻大小接近;在后半段,电枢体电阻远小于接触电阻。不同充电电压下发射试验的接触电阻曲线具有相同的变化趋势,接触电阻先随着电流的增加而减小,在电流处于平顶区时接触电阻先上升后下降,当电流下降时接触电阻急剧上升。分析讨论后认为,接触压力和温度是决定接触电阻的两个主要因素,而电流大小直接影响电磁压力和温度。     

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。