一种轴径双向分离式电磁线圈驱动装置的结构响应特性

为了避免传统一体化驱动结构在运行过程中容易出现骨架断裂失效等不稳定现象.本文根据典型一体化驱动结构在运行过程中的应力应变,结合加速实验后出现内壁裂痕的一体化驱动结构的耐压放电测试,分析确定一体化驱动结构存在的不稳定因素,初步设计了一种轴径双向分离式模块化的新型驱动结构,对新结构在运行过程中的电磁及结构响应等展开有限元仿真分析.在相同激励条件下,新型驱动结构内壁上的应力应变远小于一体化结构,同时一体化驱动结构的内壁上的最大形变约为10-2m量级,而新型驱动结构在运行过程中内壁上的最大形变降低至10^(-5)—10^(-6)m量级.结果表明新结构能够在保证推进性能的前提下,降低内壁和相间隔板的应力应变及变形程度,提高了结构的可靠性,能够为电磁线圈驱动结构的设计优化提供一定参考和借鉴.

滑动电接触梯度功能材料电枢熔化磨损特性仿真研究

该文提出一种利用梯度功能材料电枢提高电枢表面熔点、降低电枢熔化磨损率,从而延长电磁轨道发射器中轨道使用寿命的方法,并通过多物理场耦合仿真选择合适的电枢梯度功能材料,研究梯度功能材料电枢的熔化磨损特性。在COMSOL Multiphysics仿真软件中采用“平板式”分层的梯度功能材料模型,将各层复合材料的物理性能表示为关于功能体材料体积分数的函数,模拟在电流流经结构体电阻以及电枢-轨道表面接触电阻产生的焦耳热影响下,电枢于初始阶段的熔化情况。结果表明,铬更适合作为功能体材料加入铝基体形成梯度功能材料电枢,铌、钼次之,而铜功能体梯度功能材料电枢的抗熔化磨损能力较弱。该文仿真实验和结果对梯度功能材料电枢的研发和试验具有一定的指导意义。

基于椭圆成像参数匹配的弹体姿态测量方法

一体化弹丸的弹托分离过程对弹体的飞行稳定性和打击效能具有显著的影响。为此,针对一体化弹丸出膛后弹托相对弹体的六自由度运动过程,提出了基于椭圆成像参数匹配的弹体姿态测量方法,即利用弹体底部为圆形在任意角度下成像为椭圆的特点,通过提取弹体底部椭圆成像轮廓上的几个点,解算得到椭圆参数,再结合双目椭圆成像参数相同的约束条件,通过优化弹体的成像角度实现参数的最优匹配,从而实现对弹体姿态角度的估算。测试结果表明:相比传统基于纹理信息以及基于轮廓匹配的姿态测量方法,该方法不需要识别弹体表面标记点或者完整的轮廓信息,大大提高了测量方法的通用性和可靠性,且测量精度可达0.4°,满足使用要求。

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。

增强型电磁轨道发射器的电磁场仿真分析

为了分析增强型电磁轨道发射器的电磁场分布和电感梯度的影响因素,介绍了增强型电磁轨道发射器的基本原理,建立了2对导轨结构的增强型电磁轨道发射器的3维电磁场仿真模型,利用ANSOFT电磁场有限元分析软件对不同几何参数轨道炮的电磁场进行了仿真,给出了不同条件下的磁场和电流密度分布图,对其电感梯度进行了计算,并总结了几何参数对电感梯度的影响规律。仿真结果表明,在综合考虑导轨的机械和热承受能力的前提下,增强型电磁轨道发射器的内外导轨间距越小,电感梯度越大;导轨的厚度越小,电感梯度越大。与单对结构相比,该结构能够提高轨道电磁发射器的电感梯度1倍以上。

同步感应线圈炮的电枢减速特性

为了使同步感应线圈炮获得较大的出口速度和较高的能量转化效率,对同步感应线圈炮固有的电枢减速特性进行了分析研究。从集总参数模型推导并分析了电枢减速特性产生的原因,采用场路耦合的方式进行了定量的仿真计算。根据分析结果,从驱动线圈和电枢线圈之间磁场耦合的角度提出了减小电枢减速特性的方法,并进行了有限元仿真分析。结果表明,改变电源参数如提高电容初始电压或者增加电容值,改变电枢参数如减小电枢质量、采用绕线式电枢,都可有效减小电枢减速特性,提高系统效率。搭建4级线圈炮发射系统进行了实验,对比仿真和实验结果表明,改变电枢参数减小电枢减速特性符合实际需求。结论可供同步感应线圈炮的设计参考。

增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性研究

为研究增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性,通过实际发射试验得到炮口电压、轨道电流、电枢速度和位移等数据以及发射器机械结构的实际参数。在分析电枢在膛内运动过程的基础上,建立了接触电阻与炮口电压、轨道电流、电枢速度、电枢位移等物理量之间的数学模型。进一步分析了在互感系数不同情况下电枢的接触电阻变化规律。将该变化曲线与试验轨道三维建模模型损伤图形和实际发射试验后轨道图像进行比较,发现轨道烧蚀和摩擦损伤情况随着电枢位移和接触电阻变化呈现烧损、滑动和磨损等典型特征,为预测轨道损伤提供了参考依据。

多因素作用下的C形固体电枢优化设计方法

针对传统方法在电枢设计中的局限性,以电枢发射过程中应力、温度及质量为优化目标对象,提出了一种将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化设计方法。采用拉丁超立方试验的设计方法,在设计空间抽取样本点,建立了由喉部厚度、臂长、尾翼厚度及尾翼倾角等4个参数所决定的初始二阶响应面模型,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对响应面模型进行优化,求得Pareto最优解集,并根据最小距离选择法得到了最优妥协解。仿真结果表明,发射过程中电枢的应力、温度及质量不会同时达到最小,但选取的最优妥协解可使得上述3个指标中的其中1个在另外2个指标均不变差的前提下不会取得更小值,实现了电枢的优化设计,且该方法具有较高的准确性和可行性,为电枢结构的改进提供了有效的途径。

小口径电磁轨道炮电枢电流熔蚀特性实验研究

为了掌握轨道电磁发射中电枢的电流熔蚀特性,对小口径电磁轨道发射装置进行了实验研究。实验装置为20 mm×20 mm,方形口径轨道电磁发射装置,通过控制发射实验中电枢出膛的速度,研究了电流幅值、电枢质量和转角厚度（载流能力）等因素对熔蚀的贡献。另外,基于电流幅值递增实验,总结了熔蚀程度的几种模型和相应的电流幅值范围。结果表明：不同的发射条件对电枢的熔蚀程度影响有所差异;电流分布是熔蚀产生的直接原因,能显著影响熔蚀程度;电枢质量对起始时刻的熔蚀有影响;电枢转角厚度对熔蚀的贡献不大（电枢载流能力足够的情况下）;随着电流幅值的增加,电枢表面熔蚀有从电枢中端偏下位置沿棱边向电枢中部和电枢头部延伸的趋势,在此过程中归纳出了3种熔蚀程度及其对应电流范围：轻度熔蚀,对应电流181-293.8 k A;中度熔蚀,对应电流293.8-320.8 k A;极度熔蚀,电流〉320.8 k A。

高功率脉冲电流作用下滑动界面初始熔蚀的试验研究

为研究高功率脉冲电流作用下轨道电磁发射装置中枢轨滑动界面的熔融和沉积特性,在同一峰值脉冲电流下,通过控制电枢触发位置进行发射试验,模拟了不同发射阶段的滑动界面熔蚀特征。试验采用4种不同尺寸的C形电枢,比较了不同初始接触状态对初始熔蚀的影响。结果表明:电枢接触表面出现液态金属流动特征和熔融溢出现象;电枢接触边缘首先发生熔蚀,其轴向位置与初始接触状态紧密相关;随着脉冲电流作用时间增长,熔蚀区域向电枢前部和中部扩散,较大的接触力/接触面积有利于保持界面熔融层和减小能耗。试验结果可为进一步精确模拟界面复杂物理过程提供可靠的参考。

轨道温度对电磁发射性能的影响

电磁轨道发射过程中,枢轨(电枢与轨道)接触界面电接触状态受到电磁力、速度及温度等因素的影响。在连续发射条件下,轨道温度升高,对枢轨界面滑动电接触状态及发射性能产生影响。通过发射器结构的优化设计,采用加热装置对轨道进行加热,轨道可具有不同的初始温度。在电枢型号、质量、驱动电流基本一致的前提下,开展轨道不同初始温度的发射试验。通过测量驱动电流、出口电压、B-dot信号、轨道温度等参数,获得了电磁发射过程中的枢轨接触阻抗曲线、电枢运动速度及轨道不同测量点温度变化,从而分析轨道不同初始温度条件下发射过程中枢轨滑动界面电接触性能,以及轨道初始温度提高对轨道温升、电枢初速的影响。结果可得:随着初始温度升高,轨道电阻增加,发射过程中轨道温升相应增加,界面接触电阻增加,电枢初速降低。

增强型电磁轨道发射技术现状及发展趋势

电磁发射技术是将电磁能转化为动能的新型发射技术,具有初速高、初速可调、性能稳定等优点。增强型电磁轨道发射技术是电磁轨道发射技术的重要分支,具有电感梯度高的显著优点,近年来成为电磁轨道发射的研究热点之一,理论研究和工程应用均取得了较大进展。文中主要介绍增强型电磁轨道发射技术的工作原理,分析近年来相关研究机构在建模、计算仿真、试验验证等方面的主要研究成果,总结并分析近年来国内外研究现状及进展。分析结果表明,增强型电磁轨道发射技术具有增加装置等效电感梯度、降低驱动电流幅值、提升内膛寿命、提高有效载荷比等优点,但也带来电子器件使用限制、装置复杂性和绝缘风险增加等问题,提出了场路耦合计算仿真、一体化绝缘、长寿命、大张力成型、弹炮匹配等关键技术,进一步厘清增强型电磁轨道发射技术和装置的发展及应用方向,加快推进其工程化应用进程。

小口径电磁轨道发射装置重复发射试验的不确定性

电磁轨道发射器的初速精度受到电磁发射过程中各种参数的影响。通过避免预紧力、安装方式及初始位置等因素的影响,在小口径电磁轨道发射器进行了多次发射试验。试验结果表明发射过程的滑动电接触性能良好。分析了测量系统的测量精度,初速测量误差为0.56‰。在多次重复发射时,获得平均速度为1 853.2 m/s,其相对误差为4‰,或然误差为3.06 m/s,并分析或然误差的几种可能因素。分析结果表明重复发射过程中,由于电磁轨道发射初速已经具有较高的精度,所以只需较小的速度调节就可以进一步提高初速精度,为今后高精度发射试验提供了坚实的基础。

C形一体电枢的结构设计及接触压力分析

轨道起始段良好的电接触性能是确保轨道炮正常发射的必要条件。为增强起始段枢轨电接触性能,从枢轨接触面和接触压力两方面对C形一体电枢结构进行优化设计。利用高频涡流仿真方法计算分析接触面对电枢电磁特性的影响,获得电枢电流密度以及电磁受力曲线,通过对比分析获得最优枢轨接触面大小与位置。为避免电枢在起始运动中出现接触失效问题,对传统接触压力设计方法“安克法则(1g/1A)”进行修正优化,形成“安克法则”瞬态应用方法,有效地模拟接触压力瞬态变化特性。应用该方法计算不同接触面的枢轨接触压力,获得的接触压力曲线均在某临界直线如“1g/1A”曲线之上,结果表明枢轨接触良好。基于“安克法则”瞬态应用方法设计的电枢在最优接触面下进行5发试验,实现了较好的起始段电接触性能。以上结论可供未来电枢设计时参考。

非惯性运动目标弹道预报技术探讨

动能拦截弹的助推段和中段一般针对预测命中点实施制导,这是以目标弹道预报为前提的。空天防御体系的作战对象将来要面对具有大机动能力非惯性运动目标,因此非惯性弹道预报技术将是空天防御技术的难点和关键技术之一。首先分析了非惯性目标运动与控制的特性,讨论了大升阻比空天飞行器的控制原理、飞行约束条件与制导方法,从而探讨非惯性弹道预报的技术可行性。根据现有技术条件,分析了非惯性运动目标弹道预报的关键技术以及弹道外推预报的方法。

连续电磁发射过程中轨道受力分析

获取电磁轨道发射器轨道受力特性是分析轨道材料失效机理及极限安全连续发射边界的前提。通过建立电磁-温度-应力多物理场耦合计算模型,得到了动态发射过程中包括电磁力、温度应力和预紧力的多成分轨道应力载荷时空分布特性。分析结果表明:轨道受到的电磁力载荷在脉冲电流平顶沿电枢经过位置基本上均为峰值;轨道热量主要集中于电枢运动起始段,且热量密度在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置达到最大值;轨道在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置受力最为严酷;喷淋冷却可有效降低轨道中的温度应力;最优的预紧力大小以恰好满足动态发射时轨道与绝缘支撑体不分离使身管保持整体式稳定结构为判据。

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。

电容储能型轨道炮能量回收方案及仿真实现

针对电容储能型轨道炮系统效率有限的现状,在现有电容储能型轨道炮电路模型的基础上,提出一种能量回收方案。为了验证方案的有效性,以系统仿真软件Simplorer?V8为仿真平台,参数的设计与选取均以750 kJ容量、590 kA脉冲电流峰值的电容储能型轨道炮系统为基准,电路参数来自于实际系统元件参数与实测数据,对系统电路进行了参数分析与仿真实验获得了电枢速度、电压、系统能量等参数随时间变化的曲线。根据实验结果,提出了从炮口处通过开关、电缆与脉冲形成单元中电容充电端相连的能量回收拓扑方案并提出能量触发时刻偏差比最优范围为(-13.33%,+3.33%)。仿真证明,通过回收剩余能量能够提高系统效率并降低系统建设成本。

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。