CN106595390A - 基于电枢预加速降低接触面热积累的电枢熔化抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道炮电枢熔化抑制方法。该方法设计了电枢预加速式轨道炮，主要由预加速轨道炮和主轨道炮组成。预加速轨道炮置于主轨道炮前，每次电枢发射预加速轨道炮使电枢以20％的目标出膛速度进入主轨道炮。电枢获得初速后在主轨道炮中运动产生的反电动势能够降低主轨道炮的驱动电流，电枢获得初速能够改善主轨道炮的接触电阻焦耳热的时间和空间分布，缩短电枢在主轨道炮中的运动时间，从而降低电枢与轨道接触电阻焦耳热功率以及电枢上的热积累效应，起到抑制电枢熔化的作用。本发明具有良好的电枢熔化抑制效果，为抑制轨道炮发射时的电枢熔化提供了一种有效的解决途径。

Description

基于电枢预加速降低接触面热积累的电枢熔化抑制方法

技术领域

本发明属于轨道式电磁发射技术领域，是一种抑制电磁轨道发射装置电枢熔化的方法。

背景技术

电枢在电磁轨道发射装置的轨道内加速时，电枢与轨道接触面的焦耳热和摩擦热使电枢发生熔化，电枢熔化给电枢发射带来不利影响。抑制电枢熔化有利于提高发射精度和可靠性，最终达到提高电磁轨道发射装置性能的目的。电枢熔化的本质是电枢接触点温度超过材料熔点时材料由固态变为液态的过程。电枢在轨道内加速过程中，能够产生热量的物理效应主要包括电流焦耳热效应、电枢克服接触面摩擦力做功。对电枢发射过程中的接触电阻焦耳热和摩擦热进行了理论分析和实验测定的结果表明：接触电阻焦耳热产生量要远大于摩擦热产生量(Motes D,Keena J,Womack K,et al.Thermal analysis of high-energy railgun tests[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2012,40(1):124-131.)。这说明接触电阻焦耳热对电枢熔化的影响要远大于摩擦热，因此，若能降低接触电阻焦耳热功率则能抑制电枢熔化。目前，抑制电枢熔化主要有优化电枢构型、延长放电时间和外场增强磁场等。

对改进的C形电枢进行的发射实验表明，马鞍形电枢能够减弱速度趋肤效应带来的电流过度集中，起到一定的抑制电枢熔化作用。优化电枢构型可以在一定程度上避免焦耳热过度集中，但是对电枢熔化的抑制效果有限(Zhang Ya-Dong,Ruan Jiang-Jun,HuYuan-Chao,et al.Ablation and geometry change study of solid armature in arailgun[J].China Physics B,2013,22(8):410-415.)；

焦耳热功率与电流的二次方成正比，因此若延长放电时间，降低电流的幅值可以显著降低焦耳热功率，从而抑制电枢熔化的产生。对于脉冲成形网络，可延长模块间的放电间隔，达到降低峰值电流的目的，但是延长放电时间会使加速距离变长，且不利于系统效率提升(杨玉东，王建新.脉冲成型网络对轨道炮发射效率的影响[J].火炮发射与控制学报，2011，(4)：41-45.)；

Shvetsov G A等人采用了外场增强磁场降低驱动电流幅值的方法抑制电枢熔化，这种方法可以提高轨道区域的磁感应强度，降低通过电枢电流的需求，缺点是需要额外的励磁电路，且结构复杂(Shvetsov G A,Stankevich S V.Ultimate kinematiccharacteristics of rail electromagnetic launchers with an external magneticfield[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2014,42(3):849-852.)。

上述方法仍存在抑制效果有限、系统效率降低、结构复杂等不足，仍需寻找或开发新的电枢熔化抑制方法。

发明内容

本发明的基于电枢预加速的电磁轨道发射装置电枢熔化抑制方法是一种基于电磁轨道发射装置结构改进的方法，目的是降低电枢的热积累，抑制发射过程中的电枢熔化。

本发明的目的是这样实现的：

本发明设计在次级电磁轨道发射装置前设置电枢预加速的初级电磁轨道发射装置，次级电磁轨道发射装置和初级电磁轨道发射装置采用独立的脉冲电源系统，初级电磁轨道发射装置与次级电磁轨道发射装置的口径相同，炮膛在同一轴线上，初级电磁轨道发射装置的炮口与次级电磁轨道发射装置的炮尾两者之间为环氧树脂玻璃纤维绝缘结构。次级电磁轨道发射装置与环氧树脂玻璃纤维绝缘结构的接口长度大于四倍口径，使电枢进入次级电磁轨道发射装置轨道达到四倍口径以上以后才完全与两侧轨道实现良好接触，避免次级电磁轨道发射装置在电枢刚进入轨道时就开始放电却不产生推力效果，造成次级电磁轨道发射装置电能的损失和轨道的烧蚀。若次级电磁轨道发射装置轨道间距较大(脉冲电源充电电压不足以击穿轨道间的空气)，且次级电磁轨道发射装置不采用时序放电的脉冲电源时，则次级电磁轨道发射装置可以不设置脉冲电源放电的大功率开关，其放电回路的闭合由电枢的进入来实现。

工作时，电枢填装进初级电磁轨道发射装置，然后分别为初级电磁轨道发射装置和次级电磁轨道发射装置的脉冲电源充电，电枢发射时，初级电磁轨道发射装置使电枢获得目标出膛速度的20％后，电枢进入次级电磁轨道发射装置继续加速，获得100％的目标出膛速度。在上述设计情况下，电枢在次级电磁轨道发射装置中运动时接触电阻焦耳热功率得到降低，电枢上的热积累效应也会减弱，从而抑制电枢的熔化。

本发明的优势是：

(1)电枢熔化抑制效果好。当初级电磁轨道发射装置的出膛速度为目标出膛速度的20％时，电枢在次级电磁轨道发射装置中运动时的接触电阻焦耳热平均功率约为未采用电枢预加速时的71％，电枢传导的接触电阻焦耳热约可下降至未采用预加速时的65％，电枢的温升显著下降，能够有效抑制电枢熔化。

(2)在次级电磁轨道发射装置轨道间距较大且不采用时序脉冲放电模式时，可以省去次级电磁轨道发射装置的脉冲放电开关，降低次级电磁轨道发射装置脉冲电源的制造成本，提升其可靠性。

附图说明

图1电枢预加速电磁轨道发射装置结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的基于电枢预加速的电磁轨道发射装置电枢熔化抑制方法做进一步详细描述。

本发明的电枢预加速电磁轨道发射装置结构示意图如图1所示，本发明在次级电磁轨道发射装置1前设计设置初级电磁轨道发射装置2，次级电磁轨道发射装置1与主电磁轨道发射装置2处于同一轴线上，次级电磁轨道发射装置1和初级电磁轨道发射装置2间为环氧树脂玻璃纤维绝缘结构3，次级电磁轨道发射装置1的轨道与环氧树脂玻璃纤维绝缘结构3的接头4长度大于四倍口径，次级电磁轨道发射装置1和初级电磁轨道发射装置2分别设置脉冲电源5和脉冲电源6，初级电磁轨道发射装置2的作用是使电枢7获得适当的初速后进入次级电磁轨道发射装置1，电枢的速度提升主要在次级电磁轨道发射装置1内实现。若次级电磁轨道发射装置1的轨道间距足够大使得脉冲电源5的电压不足以击穿轨道间的空气，且脉冲电源5不采用时序放电模式，则次级电磁轨道发射装置1的脉冲放电开关8可以省略。

电磁轨道发射装置工作时，电枢填装在初级电磁轨道发射装置2炮膛内超过四倍口径的位置，电枢7发射时，脉冲电源5先开始放电，电枢7获得20％目标出膛速度后进入次级电磁轨道发射装置1继续加速，最终获得目标出膛速度。

在上述结构设计和发射过程设置条件下，电枢7在次级电磁轨道发射装置1中运动时的接触电阻焦耳热功率降低，运动时间缩短，电枢7传导的热量减少，电枢7的温升减小，电枢熔化得到抑制。

Claims (2)

1.基于电枢预加速降低接触面热积累的电枢熔化抑制方法，其特征在于通过初级电磁轨道发射装置使电枢在次级电磁轨道发射装置中发射时具有适当的初始速度，改善次级电磁轨道发射装置接触电阻焦耳时间和空间分布，缩短电枢在次级电磁轨道发射装置中的运动时间，降低电枢上的热积累，抑制电枢熔化。

2.电枢首先装填入初级电磁轨道发射装置，工作时，初级电磁轨道发射装置将电枢加速到20％目标出膛速度，然后电枢进入次级电磁轨道发射装置，电枢继续加速，电枢速度的提升主要在次级电磁轨道发射装置内完成，此过程中，电枢运动产生的反电动势能够降低次级电磁轨道发射装置的驱动电流，降低接触电阻焦耳热功率，缩短电枢在次级电磁轨道发射装置中的运动时间，电枢接触面的温升显著降低。