电磁发射技术的研究现状与挑战

该文介绍了电磁发射的技术特点和技术分支,归纳了电磁发射系统包含的脉冲储能、脉冲电能变换、脉冲直线电机、检测与控制、高速高过载制导五项共性技术,综述了电磁发射在军事平台和武器领域、民用及航天领域的发展现状及应用情况,指出了目前面临的挑战及对策,提出了电力电子系统无缆化、高性能材料复合化、全系统感知控制智能化的发展趋势,旨在为电磁发射技术的后续研究提供参考。

基于电流丝法的多级线圈发射装置滑差与线圈匝数匹配特性研究

同步感应线圈炮(SICG)作为一种新概念动能武器,多场耦合和极端冲击相互作用的复杂电磁环境使其运行受多个因素的影响,而电磁发射时产生的线圈本体温升已成为限制发生器发射效率和使用寿命的主要因素之一。针对此问题,以单级同步感应线圈炮为研究对象,建立了基于电流丝法(CFM)的模型和有限元“场-路”耦合计算模型,分别对比分析了2种模型的发射效率及影响因素;研究了不同结构参数对电枢温升和加速度的影响规律,阐明了高速发射器滑差与匝数匹配关系;针对7级和25级同步感应线圈炮进行仿真验证,仿真结果表明:采用适当的线性分布滑差可以在一定程度上将加速度反向,从而使得电枢在炮管的加速过程更加平稳,实现对电枢发射速率与方向的精确控制。相关研究结论可为同步感应线圈发射器的结构设计以及高效运行提供参考。

感应线圈炮的电枢受力分析

基于电磁感应定律讨论感应线圈炮的工作原理后建立了等效电路模型。用McKinney法详细分析电枢受力并进行有限元仿真分析的结果表明:电枢轴、径向受力不均匀,尾部的径向压力较大,易使电枢变形;电枢初始位置对抛体出口速度影响较大,故实用中应增强电枢强度、合理选择电枢的初始位置。

多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性

多级电磁感应线圈炮在发射过程中,前面各级驱动线圈放电产生的磁场和电枢自身感应电流产生的磁场都会耦合进入下一级驱动线圈,对驱动线圈的加速性能产生影响。基于多级感应线圈炮等效电路模型,建立了带有续流二极管的多级感应线圈炮数学模型,得到了其推力方程和运动方程。基于电磁感应定律,分析了2种耦合因素作用时下一级驱动线圈中感应电动势和感应电流的变化。基于场路耦合,对多级感应线圈炮进行了仿真,得到了不同情况下的耦合特性。研究结果表明:多级线圈发射中存在耦合效应;根据耦合磁通的不同,后面各级驱动线圈上会产生正向或反向串联的电动势;正向串联电动势有利于线圈炮的加速。

同轴线圈电磁推进技术述评

为了给同轴线圈电磁推进(CCEMP)技术的进一步发展提供参考并指明可能的研究方向,回顾了同轴线圈电磁推进技术的发展历程,展望了其应用前景,介绍了当前世界范围包含国内的研究热点和现状,通过分析同轴线圈推进装置独有的特点以及研究进程中的关键技术和技术瓶颈,认为具备大载荷、高效率、高重复使用寿命的同轴线圈推进装置是未来战场作战必然选择之一,而实用化之前必须解决高密度储能电源的小型化、轻量化问题,并发展高强度的绝缘新材料;然后分析并指出了可能的解决方法和途径。希望能够推动我国在同轴线圈推进技术领域的发展和工程化应用。

同步感应线圈炮内磁场及涡流场的有限元分析

为了研究感应线圈炮内磁场及涡流场的分布,根据单级实心电枢同步感应线圈炮的结构模型,基于矢量磁位和标量电位相结合的方法建立了其导体区域涡流场的数学模型。对套箍和炮管非导体区域、气隙区域分别采用矢量磁位、标量磁位来描述磁场。在电枢区域涡流场的控制方程中,考虑了电枢运动效应和位移电流效应的影响;在驱动线圈区域涡流场的控制方程中,考虑了位移电流效应的影响。采用Ansoft有限元分析软件对单级实心电枢同步感应线圈炮内的涡流场分布情况进行了仿真研究。仿真结果表明:单级实心电枢同步感应线圈炮内的磁场在电枢尾部发生明显畸变,电枢内的涡流主要分布在电枢的外表面和尾部,其方向与驱动电流的方向相反。这些工作体现了单级实心电枢同步感应线圈炮实际工作过程中磁场、涡流场以及能量损耗的分布规律,为感应线圈炮的优化设计提供了参考依据。

改进电流丝法及其在感应线圈炮场路结合分析中的应用

对线圈炮路方法——电流丝法进行了修改,通过对激励线圈进行剖分提高了等效网络中的互感计算精度,使电流丝法能够更准确地分析线圈炮的性能。为了验证修改后电流丝法的有效性并对线圈炮的电磁暂态进行研究,将电流丝模型计算得到的激励线圈电流加载到对应的场模型中,实现对线圈炮的场路结合分析。线圈炮的场模型基于三维组合网格法建立,组合网格法使用2套网格分别离散静止和运动区域,2套网格之间没有拓扑约束从而克服了常规有限元法在处理运动导体涡流场问题时需要重剖分的麻烦。通过电流丝法改进前后场路结合法计算结果的对比可知,对激励线圈进行剖分可以提高场分析和路分析结果的一致性。提出的场路结合法使感应线圈炮的精细化分析成为可能。

单级感应线圈炮工作过程的动态仿真

为了更好地对多级同步感应线圈炮进行设计和试验研究,为储能脉冲电容器驱动的单级感应线圈炮建立了描述其动态工作过程的数学模型(包括电路方程和电枢运动方程),并利用Ansoft有限元分析软件和2-D瞬态求解器进行了仿真研究。这种方法可以避免驱动线圈自感、电枢自感以及驱动线圈与电枢之间互感等参数计算的难题。仿真结果给出了驱动电流波形、电枢受到的电磁力、位移以及速度等参数随时间变化的波形。这对于预测单级感应线圈炮的加速性能具有十分重要的意义。仿真结果表明:感应线圈炮的主要加速作用发生在驱动电流的第1个半周期内(主要加速时间小于半周期),驱动电流有时对电枢起制动作用,制动作用范围与感应线圈炮的初始工作状况有关。研究结果表明:该仿真方法可用于对单级感应线圈炮的最佳初始位置进行优化,也可用于多级同步感应线圈炮工作过程的动态仿真。

基于蚁群算法的同步感应线圈炮结构参数优化

能量转换效率一直是制约同步感应线圈炮(SICG)工程应用的重要因素。对于SICG系统,任何机电参数的改变都会直接或者间接地影响系统能量转换效率。为了提高SICG系统的能量转换效率,建立了SICG的机电模型,以驱动线圈的结构参数、电枢结构参数以及两者的轴向中心距为变量,以能量转换效率为目标函数,采用蚁群算法对60 mm口径的SICG系统进行了优化研究。研究结果表明,优化后系统能量转换效率从5.32%提高到15.2%.为了验证优化结果,搭建了SICG实验装置并进行了效率验证实验,优化结果得到了有效验证。

基于场路耦合的多级感应线圈炮内弹道分析

为研究多级感应线圈炮中电枢的受力、加速和过载等内弹道特性,基于电磁场理论,建立了同步感应线圈炮的数学模型,并给出了线圈炮的控制方程和电磁力计算方法.结合场路耦合模型,对3级感应线圈炮进行了有限元仿真.该仿真模型得到的最大过载可达15 000g.仿真分析表明:发射过程中,电枢不仅会受到很大的过载,而且其受到的电磁力在运动中会发生反向;随着电枢速度的提高,电磁力反向时刻不断提前,电磁制动力不断增大,加速力不断减小.

感应线圈炮性能的场路结合分析

线圈炮性能分析对于线圈炮的实验研究和电磁结构优化非常重要。本文使用电流丝模型对线圈炮进行路仿真,电流丝模型将线圈炮控制方程归结为非线性变系数常微分方程组的初值问题,路模型易于编程实现,从中可发现系统性能对可变参数的依赖关系。使用组合网格法建立线圈炮场模型,组合网格法使用两套相互独立的网格对场域进行离散,克服了常规有限元法在处理运动电磁问题上需要重剖分的麻烦。文中使用路模型和场模型相结合的方法对三级同轴感应线圈炮进行了仿真,实现了对线圈炮这类复杂的运动导体涡流场的三维场分析,获得了线圈炮发射过程中空间磁场分布和电枢涡流分布。通过对比两种模型的仿真结果,证实了它们的一致性和有效性。

一种螺旋线圈电磁发射器弹丸受力的仿真研究

对一种螺旋线圈电磁发射器(HCEL)弹丸受力的影响因素,如弹丸与驱动线圈相对位置、弹丸线圈和驱动线圈尺寸、电流大小等进行了静态模拟。结果表明,HCEL弹丸的受力大小与其相对驱动线圈的位置有关,且有一个最大受力位置。线圈半径固定时,弹丸最大受力随线圈轴向长度增大而增大,线圈轴向长度较小时弹丸加速度达到最大。弹丸最大受力与线圈每匝电流平方成正比,最大受力位置不随电流改变。仿真结果验证了HCEL的基本理论,并为HCEL结构的设计提供了参数支持。

非重叠Mortar有限单元法在运动导体涡流场计算中的应用

使用非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping mortarfinite element method,NO-MFEM)对2维轴对称滑动问题进行了计算。在处理运动问题时,NO-MFEM将求解区域分解为运动和静止2个子域。在子域交界面上,NO-MFEM不要求节点逐点匹配,在运动发生后只需要改变运动部件所在区域节点的坐标,从而克服了传统有限元法(finite elementmethod,FEM)在处理运动问题时需要不断进行网格重剖的麻烦。该文首先介绍了NO-MFEM的基本原理;说明了适合于该方法处理的运动问题的类型;通过2维静电场问题分析了NO-MFEM的非协调误差;使用NO-MFEM对感应线圈炮模型进行了计算,分析了发射过程中不同时刻空间磁场和电枢涡流的分布,通过与实验结果和其他数值仿真结果进行对比,验证了NO-MFEM在处理运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题上的有效性。

单级感应线圈炮场路耦合运动时步有限元分析

基于麦克斯韦方程组,提出了一种适用于单级感应线圈炮的场路耦合运动时步分析方法,对于瞬态涡流场与电路耦合问题,应用了Crank-Nicholson法进行求解;对于运动问题,采用运动坐标系的方法进行求解;电磁力采用了节点力法求解;解决了单级感应线圈炮在脉冲供电时场路耦合分析问题,建立了单级感应线圈炮电磁场-电路-运动系统二维耦合模型。应用上述模型对单级感应线圈炮进行分析,计算结果与实验结果相吻合,验证了该模型的正确性。

同步感应线圈炮实验与仿真研究

为了验证多级同步感应线圈炮的发射能力,测试仿真结果的准确性,设计了小规模的4级同步感应线圈发射系统。该系统由发射器、脉冲功率电源、测控系统和弹丸组成。四级单线圈组件串联排列形成发射器身管,每级线圈由单独的脉冲功率电源供电,时序放电产生的磁场加速弹丸。测试系统测量弹丸的位置,精确控制电源的顺序导通放电。对两种形式的弹丸进行了发射试验,利用该发射系统将650g的圆筒型弹丸加速到125 m/s,效率为6%,将1kg的圆筒型弹丸加速到92m/s,效率为5%。试验结果证明了该发射系统的发射能力,验证了模型的准确性和可行性,为下一步大规模多级发射器的设计提供了工程基础。

直流螺旋线圈电磁发射器的能量转换效率

综合考虑换向过程、炮口剩余磁能和电阻的能量损耗等因素,建立等效电路模型,通过理论、数值计算和实验的方法,对比分析了常规螺旋发射器和一种新型螺旋发射器的效率。结果表明:电阻焦耳热损耗的能量最大,其次是换向磁能损失,而炮口剩余磁能损失最小。降低电阻、增大互感梯度、减小驱动线圈单元的匝数、增大工作电流等方式可以有效提高发射器的能量转换效率。然而,较大的互感梯度也会带来较大的换向磁能和炮口磁能损失,造成炮管烧蚀甚至损坏、能量泄放和效率降低。另外,恒流工作模式的螺旋发射器理论效率超过轨道炮,且新型螺旋发射器结构的理论效率接近100%,未来有望在超导或较低电阻的情况下实现应用。

感应线圈炮中电枢感应电流产生机理及特性

电枢感应电流方向与驱动线圈放电电流方向相反时,电枢才会受到电磁推力,因此电枢感应电流的特性将影响电枢的加速性能。介绍了电磁感应线圈发射器的工作原理,建立了感应线圈发射器的数学模型。基于电磁感应定律和楞次定律,分析了影响电枢感应电流的因素:驱动线圈电流变化和电枢运动,并给出了驱动线圈放电电流的峰值点和电枢感应电流反向点之间的关系。研究结论表明:电枢中感应电流主要由感生电流和动生电流构成;电枢在运动过程中,其感应电流的方向发生了反向,反向时刻与电枢的速度相关,电枢的速度越高,电流反向时间越早,反之越晚。

多级感应线圈炮最优发射控制策略

基于电路理论,建立了多级感应线圈炮数学机电控制模型;分析了电枢受力的影响因素,结果表明,电枢受力决定于驱动线圈和电枢的电流大小和它们之间的互感梯度。总结了多级同步感应线圈炮设计原则,根据设计原则,提出了感应线圈炮的最优发射控制策略,并从理论上证明其可行性,最后以10级线圈炮为例,归纳了多级感应线圈炮的触发公式,并进行了实验验证,其结果表明,通过修正触发公式,仿真结果与测量值吻合较好。

感应线圈炮电枢的磁-结构耦合分析

电枢是感应线圈炮的关键部件,其在工作过程中易发生破坏。为了设计高强度的电枢,以保证感应线圈炮实验研究的顺利进行,建立了电枢磁-结构耦合过程的数学模型;用有限元仿真程序建立了感应线圈炮的仿真模型,并对所建模型进行了仿真,得到了电枢的涡流、电磁力、变形及应力分布规律;分析了电枢后端部壁厚变化对电枢应力的影响规律。结果表明:电枢的涡流密度、所受电磁力和结构变形在电枢的后端部最大,最大应力值位于电枢后端部内侧,并且随着电枢壁厚的增加,电枢的最大应力值逐渐减小,故在设计电枢时其后端部应采取加固措施以提高电枢的强度。

弹丸配重对线圈炮最佳初始位置影响研究

在单级感应线圈炮的发射过程中,弹丸初始位置是影响电磁发射效率的因素之一,而弹丸配重又对弹丸最佳初始位置有很大影响。因此,本文针对不同弹丸配重,以弹丸初始发射位置为变量,以弹丸所能达到的最大出口速度为目标,应用有限元法对单级线圈炮系统进行研究。研究结果表明,对于给定的单级感应线圈炮系统,配重确实影响最佳初始位置,随着配重增加,最佳初始发射d增大、弹丸出口速度降低、系统效率降低,为以后的工程实践提供参考。