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。     

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。     

轨道电磁发射装置中电枢装配接触压力分布的不均匀特性

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,基于仿真计算研究了电枢装配接触压力分布不均匀特性。通过模拟电枢轨道的装配过程,利用ABAQUS有限元分析软件,计算了初始静态情况下不同结构电枢与轨道的接触压力分布。仿真验证了电枢装配接触压力的不均匀分布,同时根据压强分布云图,提出并定义了4个不均匀系数,分别表征接触压力横向、纵向、总体、局部分布的不均匀程度。这些不均匀系数的取值范围都介于0~1之间,其值越大,对应分布的不均匀程度就越小,即分布越均匀。基于进一步计算,获得了各不均匀系数随基本电枢结构参数的变化规律:各不均匀系数受电枢过盈量的影响较小,随电枢尾翼长度增加变小,随电枢肩部厚度增加变大;而随翼尖厚度变化呈现不同变化趋势。     

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。     

电磁轨道炮电流分布特性研究综述

电磁轨道炮电流分布特性与其发射性能密切相关,局部区域电流密度过大会导致电枢和轨道熔蚀磨损、界面熔化沉积、转捩电弧等现象,严重影响电枢和弹丸的发射稳定性,造成轨道和内膛绝缘的损伤。该文首先阐述了影响电流分布的三种物理效应——趋肤效应、临近效应和速度趋肤效应,基于此,总结了国内外针对电磁轨道炮电流分布特性的相关研究。分析了枢轨界面状态、枢轨材料、枢轨结构、驱动电流对电流分布特性的影响规律,提出马鞍C形电枢在改善电流分布上的优势。最后总结了优化电流分布的若干措施,可为电磁轨道发射的工程应用提供技术支撑。     

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。     

弧形轨道结构下电流分布特性的仿真研究

解决轨道烧蚀问题是电磁轨道发射技术走向实际应用的关键点之一,轨道和电枢中电流的分布均匀性是造成烧蚀的主要原因之一。本文试图通过增大轨道和电枢的接触面积以达到改善接触电流分布的目的,于是提出弧形轨道结构。在不考虑速度趋肤效应的条件下,利用有限元分析软件掌握了电流密度分布规律。结果表明:一弧和多弧轨道结构可以有效地改变轨道和电枢接触面上的电流密度分布,实际发射过程中加以利用可以更好地控制电流密度的分布,有效减少电枢尾部的烧蚀。     

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。     

电磁轨道炮电枢多场耦合分析与试验研究

电枢是电磁轨道炮的关键部件之一,其结构直接影响轨道炮的发射性能。在轨道炮发射过程中,电枢与轨道接触面上流过强大的电流,局部高温会导致金属材料熔化,从而影响接触性能。该文基于对电枢的功能分解建立典型C型电枢的参数化模型,重点围绕普通C型电枢和马鞍C型电枢,利用有限元软件Ansys对其电磁场-温度场-结构场进行多场耦合分析,并在发射装置样机上开展动态发射试验。试验结果验证了仿真分析的正确性,同时为电枢设计提供了技术支撑。该文的研究成果对固体C型电枢的设计与试验具有重要参考意义。