分流器形式炮口消弧装置的电路模拟优化与试验

针对轨道炮电枢出炮口时拉弧问题,提出了一种基于分流器形式的炮口电弧抑制方案。以固体电枢为研究对象,采用Simulink软件根据发射器与消弧装置的电气参数建立含有炮口消弧装置的发射系统仿真模型,目的是通过对消弧装置电气参数不同阻抗值的仿真计算,实现消弧装置电气参数与发射系统电气参数的最佳匹配,达到降低消弧支路对电枢出炮口速度的影响,同时有效地抑制炮口电弧。由于与消弧装置串联的电枢前方轨道阻抗在消弧支路阻抗中占比很大,通过消弧装置阻抗电阻、电感优化调整,实现电枢在膛内运动起始阶段,消弧支路的阻抗远大于电枢支路的阻抗,发射电流大部分都流过电枢,保证了电枢的加速运动。随着电枢向炮口方向运行,消弧支路阻抗快速减小,同时在磁通压缩作用下,消弧支路中电流快速增加,电枢支路电流减小,但由于电枢前后方磁场对其都是推进作用,电枢出炮口速度基本不受影响,保持较高的系统效率;电枢出炮口后,消弧支路的阻抗小于电弧的阻抗值,建立合理的电弧快速消引条件,消弧支路电流远大于电枢上电流,发射系统的剩余能量可通过消弧装置释放,降低炮口拉弧对发射性能的影响。经过消弧装置的电阻和电感多参数值的计算与分析,最后确定与文中发射系统匹配的消弧装置电阻约为1 mΩ,电感约为0.1 μH。结合发射装置结构,设计出的消弧装置电阻为1.32 mΩ,电感为0.124 μH,在搭建的发射系统仿真模型中对其进行了充电电压3 kV等级的发射仿真计算,在充电电压3 kV的发射能量等级下进行了消弧发射试验,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,消弧效果良好。     

强流脉冲下重复滑动电接触界面的电热特性

固体电枢电磁轨道发射中,膛内枢轨滑动电接触的电热特性关系到滑动界面的接触状态、电流传导品质和界面能量耗散,制约着系统效率和轨道寿命。设计开展了多组不同电流线密度的多发重复试验,通过采集电气试验数据进行迭代计算,得到了滑动接触电阻和界面焦耳热耗散功率的动态变化规律,分析了沉积物随重复发射的演变及电流线密度对电热特性的影响规律,并结合试验后轨道表面熔蚀沉积检测,讨论了滑动电接触界面的演变过程。结果表明:接触电阻稳定临界点和焦耳热耗散功率峰值点都出现在脉冲电流下降沿,接触电阻稳定值量级为10-2 mΩ,焦耳热功率峰值幅值可达10-1 MW;炮口速度随重复次数的增加而降低并趋于稳定,多次重复发射对滑动接触电阻和焦耳热功率较小的影响表明沉积物在发射中再次熔融并对电接触起积极作用;而即使输入能量一致,电流线密度的变化也显著影响了界面焦耳热的生成。     

分布储能式电磁轨道炮效率分析

分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势,为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点,建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮,根据电流波形的平稳性要求,沿导轨方向设置电流馈入点,诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源,以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型,基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布,并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路;分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型,计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程,并使用信号电路建立电枢-导轨模块,通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络,仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮,结果显示,电容预充电压为10.8 kV时,导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s,与炮尾集中式电磁轨道炮相比,系统发射效率可提升约3%。     

管身对中口径电磁轨道炮的影响分析

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮无可避免地在不锈钢管身上感应出巨大涡流,涡流不仅自身损耗能量,而且削弱电枢的推进力,降低发射效率。为深入研究管身对电磁轨道炮的影响,结合场路模型计算了电磁轨道炮系统的发射效率和涡流能耗,讨论了不同管身结构和材料下的发射效率,进一步分析了管身对电磁轨道炮力学特性的影响。结果表明:基于10MJ脉冲电源的中口径电磁轨道炮,其不锈钢管身将大幅削弱系统的发射效率,管身涡流能耗比炮口动能的一半还多;采用层压式结构的高导磁材料作为管身,发射效率的提升尤为明显;管身对电枢轴向力的削弱是导致发射效率下降的根本原因,对电枢径向力的削弱则不利于电枢和轨道的良好接触,从而增加接触电阻,降低发射效率;但是对身管各部件径向力的减小有助于降低身管所需预紧力。     

脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响

利用一种小型脉冲功率系统的脉冲形成网络进行波形调制,得到了锯齿、凸顶和平顶脉冲电流波形,利用这三种脉冲电流开展了导轨型电磁驱动系统中的固体电枢滑行实验,通过测量电枢极限出口速度,比较了不同脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响。结果表明:电流变化急剧的锯齿波形在较低的充放电能量下就会引起固体电枢与导轨界面接触失效,发生烧蚀现象,因而不利于固体电枢的滑行; 相同充放电能量条件下,凸顶波形比平顶波形得到的固体电枢出口测速高,即效率更好; 平顶波形可使固体电枢承受更高的充放电能量,且平顶波形比凸顶波形的极限出口测速高; 三者相比,平顶波形最有利于固体电枢与导轨良好接触,电枢的滑行性能表现得最好。     

枢轨接触面形貌对电枢起动特性的影响

在脉冲大电流直线驱动装置中,电枢和轨道的接触状态会改变电枢起动特性,而电枢起动过程将直接影响整个发射系统的效率和寿命,因此有必要对电枢起始阶段的滑动接触状态进行研究。搭建发射实验平台,通过高速相机观察电枢起动状态,并结合有限元软件ANSYS,对电枢的预紧力、初始接触状态以及电磁压力、电流密度进行仿真分析,研究电枢表面形貌对电枢起动的影响。结论表明:开槽电枢增加了电枢本身的柔顺性,使得预紧力增大,同时由于电流趋肤效应使得电流密度分布更加均匀,从而电磁压力增大,电枢起动变慢,接触电阻变小。实验和仿真结果对于改善电枢起动过程的接触状态,减轻烧蚀具有重要意义。     

电磁轨道炮接触热时空分布特性分析

电磁轨道炮接触热时空分布特性是进行电枢熔化抑制、轨道散热设计和热管理的重要依据。在建立电枢与轨道接触压力、接触电阻计算模型的基础上,建立了接触热时空分布的计算模型,对电磁轨道炮的接触热时空分布进行了仿真计算,并对其特性进行了分析。针对接触热在电枢运动初始阶段相对集中的问题,研究了电枢前级加速对接触热时空分布特性的影响。仿真分析结果表明:接触热主要来源于电流焦耳热,焦耳热功率曲线与驱动电流曲线具有较大相似性;大部分接触热在电枢运动初始阶段传导给轨道,这是引起此阶段轨道烧蚀的主要原因;电枢运动初始阶段单位长度轨道传导的接触热和发射过程中电枢的热积累随着电枢初速度的增大而减小。     

电磁轨道炮滑动电接触的热效应

为了更准确地反映滑动电接触面的温升过程,建立了电磁轨道炮高速滑动条件下非理想电接触的计算模型,采用有限差分法,对接触电阻热效应进行了计算。计算结果表明:非理想电接触的表面温升明显高于理想接触,接触电阻层的厚度越大,电接触面的温升越快;由于速度趋肤效应的影响,接触电阻热的作用范围主要集中在接触面尾部区域;材料的热导率及输入电流的波形均对接触面温度峰值有重要的影响。研究结果为预测接触表面的材料状态,进而预测接触转捩的发生提供了理论依据。     

电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5 g的电枢,以速度为1 000 m/s,166 Hz连续发射试验。通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响。结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题。      

Sliding electrical contact performance of electromagnetic launcher system in rapid fire mode

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5 g的电枢,以速度为1 000 m/s,166 Hz连续发射试验.通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响.结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题.     

枢轨界面电磁特性的演变规律分析

枢轨电接触性能随电枢膛内滑动而演变,界面电磁特性变化是其演变的根本作用因素。以系统时变电磁场计算为基础,从脉冲电流、电枢速度和局部接触等三个方面讨论了对界面电磁特性演变的作用规律,并设计实验综合验证了电枢膛内运动时枢轨电接触界面的电磁特性演变。结果表明:脉冲电流驱使电流向接触前端聚集,电流峰值聚集随电流变化而下降;电枢速度克服脉冲电流作用向接触尾部聚集电流,尾端聚集临界速度(50m/s)下,接触表面电流分布最为均匀,高速下接触表面呈现尾端U型电流聚集模式;局部接触对电流的聚集作用随接触面增加、速度增加而减弱;在法向磁力作用下,预置接触会向前扩展并趋于稳定。实验后枢轨表面检测验证了各因素对电磁特性演变的作用规律。研究结果为深入探究枢轨滑动电接触机理奠定基础。     

静止条件下轨道炮膛内磁场分布特性分析

为了分析轨道炮静止条件下膛内磁场分布特性, 建立了轨道炮二维计算模型, 基于磁扩散方程与安培定律, 得到导轨和电枢各区域电流密度值, 并通过毕奥-萨伐尔定律对轨道炮电枢前端各考察点磁通密度进行理论计算, 基于电磁感应法进行了膛内磁场测量实验, 实验测量值与理论计算值基本一致, 结果表明, 膛内磁场大小主要由流经电枢和导轨的的电流决定, 电枢前端中心轴线上各考察点, 随着与电枢前端面距离的增大, 磁通密度峰值呈衰减趋势, 但衰减速度逐渐变小。研究结果有助于轨道炮膛内强磁场屏蔽与智能弹药设计。     

轨道炮速度趋肤效应的分析与仿真

 根据Maxwell方程推导出电磁场参数与速度之间的关系,建立了直角坐标下的电磁场和温度场扩散2维偏微分方程, 分析了固体电枢电磁轨道炮的速度趋肤效应。以矩形固体电枢为例,给出了边界条件和激励源函数。采用有限差分法对方程进行求解,并对数据进行了分析,得到轨道和电枢中磁感应强度、温度和电流密度的分布曲线。计算结果表明:电枢的运动使得电流密度集中在电枢和轨道交界面的尾部,使得该局部地区温度增加,进而引起电枢尾部的熔融与烧蚀。     

电磁轨道炮C型固体电枢坡膛段的装填方式研究

 为了满足电磁轨道炮对电枢和轨道间初始接触压力的要求,以小口径电磁轨道炮C型固体电枢的坡膛段装填过程为研究对象,在力学分析的基础上,采用有限元计算方法,对匀速装填、冲击装填以及组合装填3种方式进行了计算,并对电枢臂头部、中间和尾端单元的径向变形、应力和剪切应力随时间的变化进行了对比分析。分析结果表明,在同等条件下,采用组合装填方式可以明显地降低固体电枢在装填过程中受剪切破坏的程度,并有效地提高初始接触压力。研究结果表明,组合装填方式有利于提高电磁轨道炮的发射效率。     

Boundary-layer effect on railgun muzzle voltage

Measured values of railgun muzzle voltage exceed those predicted from simple armature models by several tens of volts. This excess voltage is called the contact potential and may represent a substantial fraction of the power dissipated in the armature. A simple two-dimensional model for the conductivity and velocity boundary layers has been used to calculate the electric field in the region near the rail surfaces. Calculations were performed for parameters characteristic of the University of Tennessee Space Institute (UTSI) 1-cm square-bore railgun. These calculations showed that the electric field decreased across the boundary-layer thickness and predicted contact potentials from 12.5 to 88.7 V, depending on the choice of boundary-layer parameters