电磁轨道炮轨道温度场与热应力数值仿真

在电磁轨道炮发射过程中,因热量累积而引起的急速温升与热应力对轨道性能和寿命有着重要的影响。为获得发射过程中轨道温度场及热应力分布情况,在分析轨道热载荷的基础上,建立了热载荷计算模型,并在给定的参数下,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对3种典型截面轨道的温度场与热应力进行了数值仿真。仿真结果表明:轨道温度场与热应力轴向上呈梯度分布,纵向上只扩散到内表面很薄的区域,温度与热应力最大值在电枢初始位置处;相较于矩形与凹形截面轨道,凸形截面轨道温升与热应力较低,性能较好。     

静止条件下多种轨道-电枢形状的轨道炮电流分布仿真

针对等轨道截面、等炮口截面、等长度、等材料和等电流8种典型的轨道-电枢结构,在电枢速度为0 m／s的情况下,采用Ansoftl 2有限元分析软件,仿真分析电流分布特征,得到：矩形截面轨道一长方体结构电枢的轨道炮有最不均匀的电流分布特征,电流主要分布在轨道外表面和电枢后部凹表面,并且分别对应于趋肤效应和电流短路径聚集现象,跑道形截面的轨道一回转体结构电枢的轨道炮有最均匀的电流密度分布．     

轨道炮不同激励电流下的发射特性对比分析

电磁轨道炮可以推动宏观弹丸到超高速,而相同幅值、不同上升时间的激励脉冲电流波形对轨道炮的电流分布、电枢所受电磁力、炮口速度等发射特性有明显的影响。因此,主要采用Ansoft Maxwell有限元软件仿真分析的方法,对加载不同形状激励电流波形的电磁轨道炮,分析其电流分布、电感梯度及其所受电磁力的变化规律;再通过综合以上几种影响因素,对相应电流波形的电磁轨道炮发射特性进行对比分析,进而得到不同上升前沿的电流波形对轨道炮发射特性的影响。     

电磁轨道炮电感梯度影响因素分析

利用Ansoft Maxwell 14.0有限元分析软件,在考虑和不考虑电枢2种情况下对简单电磁轨道炮电感梯度的影响作对比分析,得出计算电感梯度时有必要将电枢的影响考虑进去的结论.为提高增强型轨道炮的电感梯度,分析不同轨道间距、厚度以及不同炮口宽度对2种增强型轨道炮电感梯度的影响,得出电感梯度随轨道参数变化的规律.     

电磁轨道炮系统建模与分析

轨道炮利用电能将电枢及弹丸推动至超高速,是具有武器应用背景的复杂机电系统。介绍了轨道炮基本原理,在分析了轨道炮电路、运动学、能耗特点基础上,利用MATLAB建立了系统的数学模型,计算了不同电感梯度条件下轨道炮系统的发射电流、电枢速度、溃入炮体能量,分析了发射过程中不同形式的能量损耗及能量利用效率。结果表明,在特定电源参数条件下,一定范围内提高电感梯度值,电流幅值降低,炮口动能和发射效率提高明显。这对研究轨道炮电能应用特点有一定的参考价值。     

静止条件下轨道发射器瞬态电磁场分布有限元模拟

在电枢静止条件下建立了简单轨道发射器及块状电枢的三维有限元模型。利用ANSYS模拟得到了轨道及电枢内的瞬态电流密度分布。结果显示,在通电过程中电流趋向轨道内侧表面,并在电枢尾部与轨道接触处集中,电流线聚集是造成轨道和电枢之间放电烧蚀的最主要原因。同时得到的还有轨道发射器周围空间的瞬态磁场分布,其结果表明,感应磁场主要集中分布在靠近电枢尾部一侧的两轨道间,并向后延续到约等于4倍口径的长度,电枢所在的位置正好是磁场激增区域。     

电磁轨道连续快速发射下轨道中热量分布特性

电磁轨道连续快速发射下的热量积累直接决定电磁轨道发射装置的轨道寿命,而掌握轨道中累积热量的时空分布特性是对轨道进行热量管理的前提,为此分析了轨道体电阻产生的焦耳热量、电枢轨道相对滑动摩擦产生的热量和电枢轨道接触电阻产生的焦耳热量三种热量源的生成机理,并结合电枢动态发射过程中位移、速度与时间的关系,采用解析方法和有限元方法分析得到了轨道中累积热量的空间分布特性;分析了冷却通道作用下热量交换关系,得到了轨道中累积热量的时变特性。数值计算结果表明:轨道中热量来源在电枢运动起始段以焦耳热量为主,之后摩擦热量的地位逐渐上升;电枢轨道间接触电阻产生的焦耳热量占比较小;轨道体电阻产生的焦耳热量在电流上升沿结束附近对应的电枢位移处达到最大值;冷却通道作用下轨道中的累积热量随时间呈锯齿波形状变化,并逐渐趋于热量平衡。     

电磁轨道发射装置磁热耦合数值计算方法

针对导轨式电磁发射装置动态发射过程中的物理场计算问题,基于发射装置的二维控制方程,推导出相应的有限元离散方程,并根据计算模型的特点,采用自由度平移法处理运动问题保证求解区域不变,建立了考虑摩擦热下的电磁-温度-运动耦合场有限元数值计算模型。根据模型计算得出了不同电枢运动下的电流密度及磁场分布,并分析了温度场在电枢轨道接触面的分布特性,结果表明:电枢运动速度越大,速度趋肤效应越明显,枢轨接触面处的电流密度、接触压强及温升越大。     

电磁发射装置电-磁-热场分布的分析与仿真

为探讨电磁发射过程中出现的热烧蚀现象,构建了电磁发射及电接触层接触电阻的模型,推导出电-磁-热场耦合方程,采用有限元数值计算方法得到了在脉冲电流激励下,轨道和电枢间电流密度、磁感应强度及温度的分布图。计算过程表明:电磁发射过程实际是电-磁-热场的耦合过程,接触电阻是造成电磁发射热损耗的主要原因之一,接触电阻使得轨道和电枢接触表面区域的电流密度极大,容易造成轨道材料的烧蚀。     

电磁轨道炮电枢前感应磁场特性及其受力分析

电枢是电磁轨道炮中核心运动部件,也是将轨道炮系统电磁能转化为弹丸动能的媒介,电枢前的感应磁场、通流电流是推动电枢运动的根本原因,也直接决定了轨道炮系统的能量转化率。暂未考虑轨道电阻、电流趋肤效应等影响,基于面电流假设,建立了电枢前电磁感应强度场计算模型,以及电枢所受电磁力模型,基于仿真结果,研究了电枢前感应磁场强度分布特性,分析了轨道通流长度对感应磁场及电枢受力的影响。     

抑制弧光干扰的电磁炮光幕测速方法

电磁轨道炮发射中,电枢与导轨间的高速、带电滑动,使电枢出炮口时产生强烈的弧光,严重干扰激光光幕测速系统对电枢速度进行测试。通过对试验数据进行计算、分析,得到电枢与弧光从炮口至测试点之间的运动关系。通过对弧光光谱进行测量,提出改进方法,选择中心波长为780 nm的窄带干涉滤光片对弧光进行抑制,改进激光光幕测速系统,并进行了相应试验。结果表明:改进后的激光光幕测速系统能有效抑制弧光干扰,在相对复杂的测试环境中,具有较高测试性能,满足电磁轨道炮速度测试要求。     

美国电磁轨道发射技术现状及特点分析

以电磁轨道炮为主,介绍美国陆、海军电磁轨道发射技术的发展历程及阶段性研究成果、发展目标与未来规划、研究机构及相关研究方向、潜在应用领域以及近期电磁轨道炮的主要战术技术指标,并对其关键技术特点进行了分析。     

电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟

针对电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟问题,基于矢量磁位A和时间积分标量电位V,采用节点单元法,并选择运动坐标系描述运动问题,推导出动态发射下的电磁轨道发射器三维涡流场有限元离散方程。结合温度场控制方程,建立电磁轨道发射器的三维电磁-温度耦合有限元模型。针对一个电磁轨道发射器动态发射问题,对模型进行数值模拟,得到了动态发射下轨道及电枢的温度场分布特点及发射器电感梯度随时间的变化规律。计算结果表明,模型计算出的脉冲电流峰值、出口电流大小、出口速度等参数均与试验结果吻合较好,验证了所开发的有限元程序代码的正确性。     

电磁轨道炮的三维电热力耦合数值模拟

基于有限元和边界元混合算法,辅以外电路模拟程序,开发了电磁发射三维电热力耦合数值模拟程序(Railgun3D)。该程序可描述电磁发射过程中电磁加载、欧姆加热、电枢运动等物理过程,为电磁发射系统的设计提供参考。对使用电磁轨道炮三维电热力耦合数值模拟程序的计算结果与经验公式计算以及串联增强型电磁轨道炮发射的试验结果进行了比较和分析,结果表明:所开发的程序不仅能模拟电磁发射过程,还能给出发射中电、热、力参数的变化,有助于提高对电磁发射过程的理解,可为电磁发射器的设计提供参考。     

新型四极轨道电磁发射器

提出一种新型四极轨道电磁发射器模型,并对其进行数值分析及有限元仿真。设计了四极轨道和三叶花瓣状抛体,通过抛体的三组径向电流与四极轨道产生的三组环向磁场正交。环向磁场和流过抛体的径向电流相互作用产生轴向加速力。此外,新型四极轨道电磁发射器的结构设计有利于克服发射过程带来的巨大振动,提高发射精度和准确性。基于理论计算和有限元验证,对抛体的电流及磁场分布进行了分析。结果表明:与传统轨道电磁发射器相比,四极轨道电磁发射器能产生更大的轴向加速力。同时随着轨道电流的增加,抛体所受推进力也会增加。     

四轨电磁发射器电枢-轨道初始接触特性研究

电磁发射器中电枢轨道的不合理物理接触可能导致轨道的刨削、烧蚀和电枢转捩,进而影响电枢和轨道寿命。针对四极轨道电磁发射器电枢的结构特点,设计了基于过盈配合的电枢-轨道初始接触有限元模型,利用ANSYS进行了不同结构参数下的电枢-轨道仿真计算,获得了不同结构参数对初始接触特性的影响规律。为解决电枢尾部接触分离现象,设计了基于反向加载方式下挠度拟合的曲线电枢臂,仿真结果表明,轨道接触效率得到了提高,改善了电枢-轨道初始接触面的压力分布情况。     

最小期望接触面积下的电枢臂弯曲形状优化研究

电枢结构直接影响电枢轨道间接触压力和接触面积等接触特性,进而决定电磁发射状况。为此,通过对不同接触面积下的电磁发射装置进行瞬态电磁场分析,得到了C形固体电枢与轨道间的最小期望接触面积。在假设电枢臂为悬臂梁的条件下,综合趋肤效应和接触电阻的接触层模型,确立了分布力载荷。在此基础上,基于分布力载荷作用下电枢臂变形的挠曲线,得到了电枢臂弯曲形状与枢轨界面间接触压力及接触面积的关系。该研究为电枢的结构设计提供了理论依据。     

电磁轨道炮的发展困境与利基进路

当传统身管火炮的技术进步接近极限,电磁炮的兴起与发展更加引人瞩目。尽管电磁轨道炮的工作原理十分简单,但在实际操作层面上不仅存在储能装置小型化、发射导轨寿命、制导系统环境适应性等诸多工程技术领域的瓶颈,而且面临资金投入大、研发周期长、工程风险性高等困难。由于这一系列原因的存在,使电磁轨道炮迟迟难以应用于实战。作者试图以经济学领域的"利基战略"为切入,分析探讨电磁轨道炮下一步发展的新思路。研究表明,电磁轨道炮的发展,需要我们有足够的耐心并利用科学合理的发展模式。     

电磁轨道炮及其脉冲电源技术的研究进展

随着美国第三次"抵消战略"的推进,电磁轨道炮等新概念武器成为关注的焦点。在介绍电磁轨道炮的基础上,总结了外军的发展现状和技术瓶颈,详细阐述了电磁轨道炮脉冲功率电源的超导储能技术和变流装置的拓扑结构。研究表明,电磁轨道炮和超导储能技术将是发展的趋势。     

电磁轨道炮对机场跑道打击的作战能力分析

随着电磁轨道炮武器装备的快速发展,针对其完成机场跑道毁伤封锁这一重要任务所需的作战能力进行了分析研究。首先,建立了子母弹命中精度圆概率误差(circular error probable, CEP)、跑道瞄准点选择、子母弹落点模拟、跑道封锁概率计算等数学模型,并采用Monte-Carlo法对子母弹的落点分布进行仿真模拟;然后,基于飞机最小起降窗口进行搜索计算,仿真分析了电磁轨道炮射击初速、距离对射击误差的影响以及子母弹命中精度CEP、发射弹丸数量及子母弹抛撒半径等相关战技指标对跑道封锁概率的影响。研究结果对电磁轨道炮弹药总体方案设计及武器系统效能优化具有重要的指导意义。