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。     

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。     

电磁轨道炮被动式炮口消弧装置的理论分析与优化设计

为了研究电磁轨道炮消除炮口电弧的方法,提出了一种新型结构的被动式炮口消弧装置,建立了含有消弧装置的内弹道计算模型。分析了被动式消弧器的两个作用原理,第一个是磁通压缩原理,能够在电枢中产生反向电流,以减小炮口剩余电流; 第二个是续流原理,使系统中残余能量可以从消弧器中释放,而不是经过电弧,从而大大减小炮口弧光。发现消弧器的电气参数必须与发射器的电气参数相匹配才能达到最佳效果,过大或过小的感抗和阻抗都会导致不良消弧状态,最优参数应为较小的电感与稍大的电阻组合。进一步研究了炮口消弧器的工程化设计方法,所提出的结构最适合使用不锈钢材料,能显著降低炮口残余电流和电弧,而初速基本没有减小,该理论分析和设计思路可以为轨道炮消弧器的研究提供参考。     

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。     

基于改进遗传算法的电磁轨道炮电源时序优化

针对电磁轨道炮电流波形平稳性的特殊要求,提出了一种基于改进遗传算法的电源时序优化方法。根据脉冲电源时序放电的特点,将电磁轨道炮的工作过程分成相互关联的多个阶段,采用多阶段优化策略。各阶段运用引入了精英保留、自适应变异和交叉3种策略共同作用的改进遗传算法产生新种群,克服早熟及收敛速度慢的缺陷; 优化过程中逐步动态更新缩小设计变量的搜索空间,以进一步提高搜索能力。以使用金属电枢的电磁轨道炮多个脉冲电源时序设计为例进行分析比较,结果表明,该方法不但增强了搜索能力,改善了求解的质量,而且电流波形非常平稳,提高了优化结果的实用性,是确定电磁轨道炮脉冲电源时序的一种有效方法。     

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。     

多匝轨道炮的电磁学优势分析

多匝轨道炮采用多层结构,是解决简单电磁轨道炮电感梯度小、电流汇聚严重等轨道炮应用问题的一个重要途径.分别对简单轨道炮、双匝、三匝轨道炮膛内磁场分布、电感梯度、轨道内电流分布进行了比较分析.分析结果为在单侧通流总量不变、口径相同条件下,3种结构形成的磁场分布近似,多匝轨道炮电感梯度提高明显且电流汇聚程度减弱.分析认为,与简单轨道炮相比,轨道炮采用多匝结构可在一定程度上降低对脉冲电流的大幅值需求,进而减小对电源的要求、降低电源及回路线缆的不必要能耗、减弱欧姆热集中带来的不良影响,是轨道炮发展的一个重要方向.     

轨道炮动态负载特性的分析与仿真

为设计有效的脉冲功率电源,必须了解负载的动态特性。通过对一个简化轨道炮模型进行电磁场三维有限元分析,得到轨道炮的电感梯度和电阻梯度的频率和时间分布,轨道和电枢的磁感应强度分布,电枢受力,反向动生电动势变化情况。在设定的脉冲功率电流作用下,求得电枢的运动速度和位移。仿真结果表明,轨道炮的负载可以等效为非线性的电阻、电感和一个变化的反向电动势的串联。     

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。     

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。     

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。     

爆磁压缩发生器电枢膨胀角对磁通损失的影响

爆磁压缩发生器（MCG）在脉冲功率技术中有广泛的用途．针对爆磁压缩发生器在运行过程中由于线圈和电枢的击穿从而造成磁通损失的故障．分析了螺旋形爆磁压缩发生器（HMCG）的电枢膨胀角,并就电枢膨胀角对爆磁压缩发生器由于提前击穿引起的磁通损失进行了分析,从而优化爆磁压缩发生器的设计．     

电磁轨道炮轨道表面刨削产生分析

刨削是一种高速滑动过程中发生在接触界面的损伤现象.对电磁轨道炮超高速滑动电接触界面刨削形成的因素进行了探讨,对刨削产生的微观机械作用过程进行了详细的分析,得出刨削发生于一个高速高温高应变率的物理环境中;刨削过程的物理实质是电枢与轨道局部微凸体发生了绝热塑性剪切作用.最后归纳了目前抑制刨削的3种手段,为轨道炮系统结构的设计提供了参考.     

空间信息支持电磁轨道炮应用研究

简要介绍了空间信息概况和电磁轨道炮的基本原理,在此基础上,设计了空间信息支持电磁轨道炮应用系统的框架,并提出电磁轨道炮对空间信息的需求以及运用信息的流程.     

基于角平分线特性的轨道炮轨间距测量方法分析

电磁轨道炮轨道间距变化一致性与发射过程中枢轨电接触性能密切相关,为获取轨道间距变化规律,针对轨道炮炮膛特殊结构形态,并结合角平分线相关特性,提出一种基于角平分线特性的轨道间距测量方法,并对其进行误差分析,分析结果可知误差大小随着角平分线偏转角和传感器测点位置距离支撑机构距离的增大而增大,在对轨道间距进行实际测量时,设计了标定装置对测量数据进行验证,结果表明该系统测量误差为20～50μm,该测量方法可满足轨道间距在40 mm及以上口径范围内的轨道炮轨间距测量精度要求,该研究为轨道炮轨间距等参数的测试提供了一种新方法。     

一种电磁轨道炮系统的仿真模型

针对传统方法建模工作量大等问题,提出一种电磁轨道炮系统的模块化分解方法。对轨道炮系统的工作原理、结构特点和工作方式进行研究,将组成系统的物理部件划分为电源、轨道、电枢和弹丸4个主要的实体模块,通过替换系统模块或者改变模型内的参数,灵活方便地研究使用不同类型电源、电枢的电磁轨道炮,并建立了轨道炮系统比较实用的仿真模型。仿真结果表明:适当增大电源电压、合理设计轨道结构及使用轨道修复技术可以提高轨道炮的性能,为今后电磁轨道炮系统的建模与仿真研究提供了思路。     

螺栓紧固式轨道炮后坐规律研究

轨道炮两条平行导轨在发射过程中受到向外侧的扩张力,为了约束导轨扩张,采用螺栓紧固形式的外层封装结构。为研究螺栓紧固式轨道炮的后坐规律,建立发射系统模型,对发射过程中后坐部分的受力进行分析,并建立后坐复进运动微分方程。结合两种反后坐装置方案,对螺栓紧固式轨道炮的后坐规律进行了仿真计算和试验测试。仿真计算结果与试验结果表明：与常规火炮相比,螺栓紧固式轨道炮具有后坐行程短、后坐速度低的特点;在螺栓紧固式轨道炮上使用的节制杆式驻退机需要具有更小的流液孔面积,以提高驻退机力。     

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。     

电磁轨道炮及其关键技术的现状与发展

以美国为首的军事大国,早在20世纪80年代就将电磁轨道炮作为战略武器正式开始研发,随着国际形势的发展,其开发速度时急时缓.20世纪90年代,美国海军积极开发电磁轨道炮,进人21世纪后,美国海军探讨了电磁轨道炮作为舰载炮的适用性,研究开发再度大规模展开.