CN109141110B - 一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统及冷却方法，属于电磁轨道炮技术领域，解决了现有炮膛内散热不及时，导致轨道表面被烧蚀，造成轨道表面损伤的问题。一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，包括设于电磁轨道炮轨道内的冷却通道、用于储存冷却剂的储液罐和低温液体泵；冷却通道的前段沿导轨的长度方向设置，冷却通道的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置；低温液体泵将储液罐中的冷却剂输送至冷却通道中。本发明能够对电磁轨道炮的轨道进行实时冷却，从而减少轨道的阻抗，减少能量损失，增大电枢的加速力，进而增大系统的效率。

Description

一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统及冷却方法

技术领域

本发明涉及电磁轨道炮技术领域，尤其涉及一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统及冷却方法。

背景技术

电磁轨道炮是一种新概念武器，是根据物理学中的电磁感应定律制成，其主要原理是利用脉冲大电流产生电磁力加速弹丸。电磁力的大小与电流平方成正比，可以通过控制电流的大小来控制电磁力，从而控制弹丸的加速过程。

对于连续发射电磁轨道炮，在电枢发射过程中，因枢轨的电接触问题，导致枢轨接触面产生大量的热量，而且连发造成炮膛内散热不及时，导致轨道表面被烧蚀等，造成轨道表面损伤。

授权公告号为CN105444614B的专利通过在反应通道内发生化学反应吸热来达到降低轨道炮轨道温度的目的。但上述专利一方面需要对发生化学反应后的反应产物进行后续处理；另一方面，液氮温度是-196℃，依靠化学反应吸热很难达到-196℃的低温。除此之外，需要使用气体分离装置对反应产生的二氧化碳和铁进行分离，二氧化碳排放入大气中会加剧温室效应，反应产生的铁需要进入氧化铁再生成装置，工艺复杂，反应设备多，不易操作和控制。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统及冷却方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有轨道炮冷却系统冷却效果差，导致炮膛内散热不及时，轨道表面被烧蚀，造成轨道表面损伤的问题；(2)现有轨道炮冷却方法工艺复杂，冷却设备多，不易操作和控制。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，包括设于电磁轨道炮轨道内的冷却通道、用于储存冷却剂的储液罐和低温液体泵；所述冷却通道的前段沿导轨的长度方向设置，所述冷却通道的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置；所述低温液体泵将储液罐中的冷却剂输送至所述冷却通道中。

在上述方案的基础上本发明还做了如下改进：

进一步，所述冷却通道在距离炮口1/3至2/3处开始偏向导轨和电枢接触面的方向设置。

进一步，所述冷却通道在距离炮口1/2处开始偏向导轨和电枢接触面的方向设置。

进一步，所述冷却通道在距离炮口1/4处开始沿导轨的长度方向设置。

进一步，所述冷却通道为通孔，所述通孔的数量为1个、2个或3个。

进一步，所述通孔包括第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述第一通孔位于电枢和所述导轨接触面的正下方，所述第二、三通孔相对于所述第一通孔对称设置。

进一步，所述冷却通道的最高点距离导轨最顶端的垂直距离大于等于1cm，所述冷却通道的最低点距离轨道最底端的垂直距离大于等于0.5cm。

进一步，所述冷却通道的横截面为圆形或椭圆形，所述导轨的横截面为凸弧形。

进一步，所述冷却剂为液氮或液氦。

本发明还公开了一种用于冷却电磁轨道炮轨道的冷却方法，包括以下步骤：低温液体泵将冷却剂持续输送至导轨的冷却通道中，冷却剂气化排出。

本发明有益效果如下：

1、本发明通过在导轨内设置冷却通道，并在冷却通道内通入冷却剂，能对导轨进行实时冷却，及时散去炮膛内的热量，能将轨道的温度由几万度降为几百度，从而减少轨道的阻抗，降低能量损失，增大电枢的加速力，进而增大系统的效率。

2、冷却通道的前段沿导轨的长度方向设置，冷却通道的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置，上述特殊的结构设计，使得温度较高的炮口端的温度也能快速降低。

3、本发明的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统既保证了良好的导电效果，又不会影响导轨的使用寿命，提高了电磁轨道炮连续发射时的效率。

4、本发明根据轨道的形状，合理设置冷却通道的位置、形状和尺寸，不仅大大减少对电流密度的影响，而且提高了冷却效果，减少了局部发生烧蚀等现象的发生。

5、本发明设备少，易于操作和控制。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的电磁轨道炮系统的原理简图；

图2为本发明实施例用于冷却电磁轨道炮轨道的系统的工作流程图；

图3为本发明实施例冷却通道为通孔的导轨纵剖面示意图；

图4为本发明实施例通孔带有一定角度的导轨纵剖面示意图；

图5为本发明实施例冷却通道先直后弯再直的导轨纵剖面示意图；

图6为本发明实施例沿导轨长度方向和宽度方向均设有通孔的导轨纵剖面示意图；

图7为本发明实施例冷却通道为U形的导轨纵剖面示意图；

图8为本发明实施例设有一个冷却通道的导轨横截面示意图；

图9为本发明实施例设有三个冷却通道的导轨横截面示意图。

附图标记：

1-导轨；2-电枢；3-脉冲电源；4-冷却通道；5-第一通孔；6-第二通孔；7-U形冷却通道；8-低温液体泵；9-储液罐；10-第三通孔；11-阀体。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

电磁轨道炮是根据物理学中的电磁感应定律制成，电磁轨道炮的两导轨相互平行，发射组件沿着导轨轴线方向滑动，电枢的作用是传递两导轨间电流，并接受洛伦兹力的作用，推动弹丸向炮口做加速运动，将电磁能转换成动能。发射时，电流在导轨的末端通入，沿一根导轨流动，通过电枢，沿另一根导轨流回，构成闭合回路。大电流流经导轨回路感应出强大的磁场，电枢中的电流和这个磁场相互作用，产生了非常高的推动发射组件向前做加速运动的电磁力，当电枢到达炮口时，电枢和电枢前面的弹丸获得高速度，弹丸脱离电路或轨道，开始自由飞行。

轨道炮的连续发射，是轨道炮进入实战系统的基础，在发射过程中，枢轨接触面会产生大量的热量，轨道上瞬时温度能达到几万度。而且连发会造成炮膛内散热不充分，导致导轨1表面被烧蚀等，进而造成导轨1表面损伤。为减少导轨1的损伤，炮膛内的热管理是很重要的，有效的方式是实时地对导轨1进行冷却。

本发明的主要思路是：在不影响电流密度的情况下，对导轨1开冷却通道，在冷却通道内通入冷却剂。在电枢的发射过程中，持续不断的在冷却通道中通入冷却剂能持续不断的给导轨降温。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，包括设于电磁轨道炮导轨(轨道)1内的冷却通道、用于储存冷却剂的储液罐9和低温液体泵8；冷却通道4的前段沿导轨的长度方向设置，冷却通道4的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置；低温液体泵8将储液罐9中的冷却剂输送至冷却通道4中，如图4所示。本实施例中冷却通道4为通孔。

电磁轨道炮的工作过程为：

导轨1包括第一导轨和第二导轨，电路导通，脉冲电源3提供电流，电流依次通过第一轨道、电枢2和第二轨道，回到脉冲电源3，大电流流经导轨1回路感应出强大的磁场，电枢2中的电流和这个磁场相互作用，产生了非常高的推动发射组件向前做加速运动的电磁力，当电枢2到达炮口时，电枢2和电枢2前面的弹丸获得高速度，弹丸脱离电路或轨道1，开始自由飞行。

实施时，低温液体泵将冷却剂输送至导轨的冷却通道4中，冷却剂气化排出，或通过回流管排出；向冷却通道中持续通入冷却剂对轨道进行持续冷却。

与现有技术相比，本实施例提供的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统有益效果如下：

1、本发明通过在导轨内设置冷却通道，并在冷却通道内通入冷却剂，能对导轨进行实时冷却，及时散去炮膛内的热量，能将轨道的温度由几万度降为几百度，从而减少轨道的阻抗，降低能量损失，增大电枢的加速力，进而增大系统的效率。

2、冷却通道的前段沿导轨的长度方向设置，冷却通道的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置，上述特殊的结构设计，使得温度较高的炮口端的温度也能快速降低。

3、本发明用于冷却电磁轨道炮轨道的系统既保证了良好的导电效果，又不会影响导轨的使用寿命，提高了电磁轨道炮连续发射时的效率。

4、本发明根据轨道的形状，合理设置冷却通道的位置、形状和尺寸，不仅大大减少对电流密度的影响，而且提高了冷却效果，减少了局部发生烧蚀等现象的发生。

液氮是无色、无味、不可燃、温度极低的液态氮气。常压下，液氮温度是-196℃。在电枢运动过程中，较低温度的液氮进入冷却通道后迅速气化，体积迅速增大，在气压的推动下，液氮从冷却通道的另一出口以气体的形式喷出，冷却通道设计为通孔有利于液氮的喷出。持续不断的在冷却孔中通入液氮能持续不断地降低轨道的温度，从而减少轨道的阻抗，减少能量损失，增大电枢的加速力，进而增大系统的效率。

示例性地，冷却剂还可以为液氦。和使用液氮作为冷却剂一样，冷却剂经过冷却通道后变为气体，无需设置回流管。

为了使通孔受力均匀，本实施例的通孔设置在电枢和导轨接触面(即枢轨接触面)的正下方。此位置设置通孔，使得通孔只受到正下方方向的力，左右方向的力相互抵消。具体来说，是在枢轨接触面的中下部开孔。

为了进一步降低导轨的温度，通孔的数量还可以为2个或3个。考虑到受力均衡的问题，本实施例通孔的数量选择为3个，包括第一通孔5、第二通孔6和第三通孔10，并且第一通孔5位于电枢和导轨接触面的正下方，第二通孔6和第三通孔10相对于第一通孔5对称设置。第二通孔6和第三通孔10的设置位置不高于第一通孔5。

值得注意的是，为了减少冷却通道对电流密度分布的影响，本发明实施例中，冷却通道的最高点距离导轨最顶端的垂直距离大于等于1cm，冷却通道的最低点距离轨道最底端的垂直距离大于等于0.5cm。上述设置的另一个原因是，液氮体积迅速膨胀，会对导轨产生一定的压力，如果通孔的厚度太薄，则导轨易烧蚀。反复实验发现，只要冷却孔的厚度大于1cm，膨胀后的压力就不会损伤轨道，也不会影响导轨的使用寿命，能及时散去炮膛内的热量，减少了烧蚀等情况的出现。

实施例二

考虑到电枢的运动特性，炮口端的温度要比炮尾端高，因此，轨道的冷却主要集中在中后段，而实际使用中，冷却剂一般从炮尾端通入，原因在于：如果冷却剂从炮口端通入，那么液氮气化后的氮气就会从炮尾端排出，而炮尾端布置有其它设备和线缆等，温度较高的氮气会降低其它设备的使用寿命，并且会加速线缆的老化。

为了使炮口端的温度快速降下来，本实施例在距离炮口1/3至2/3处，冷却通道设计为向导轨和电枢接触面的方向偏离3-5mm。若轨道材料硬度偏高，可保持冷却通道的口径不变；若导轨材料硬度偏低，可适当减小冷却通道的口径，从而保证电枢发射过程中，轨道不会因为冷却通道的存在而变形，冷却通道在由大变小的过程中也是逐渐变化的。

考虑到弯曲通道弯曲部分的弯曲半径较大，有助于冷却剂在冷却通道内流动顺畅，所以，一般来说，在距离炮口1/2处开始偏向导轨和电枢接触面的方向弯曲。

考虑到冷却通道与导轨的长度方向平行时，冷却效果好，所以，本实施例中，从距离炮口1/4处开始冷却通道又变为直通道，即变为沿导轨的长度方向设置，如图5所示。

为了进一步快速降低炮口端的温度，本实施例在导轨1的左侧面和右侧面也设有冷却通道，该冷却通道沿导轨的宽度方向设置，并与沿导轨长度方向设置的冷却通道贯通，如图6所示。

为了控制冷却剂的流量，本实施例的轨道冷却系统还包括用于控制冷却剂流量的阀体11，阀体11设于低温液体泵8和储液罐9之间。

为了进一步控制冷却剂的流量，低温液体泵8和冷却通道4之间也设有阀体11。

实施例三

从来源和成本两方面考虑，本发明实施例的冷却剂也可以为水。考虑到普通的自来水中含有杂质，而杂质具有导电功能，会影响电流密度的分布，所以，本实施例的冷却剂选择为去离子水。

因为去离子水流经冷却通道后只有少部分气化，大部分去离子水仍以液态水的形式存在，所以，本实施例的轨道冷却系统还包括回流管，从冷却通道出来的去离子水经回流管排出。

为了使去离子水和导轨进行充分的冷热交换，本实施例的冷却通道设置为U形7。考虑到在轨道1中开U形的冷却管道比较麻烦，在成形的导轨1直接开孔，工艺上实现起来较难。本发明实施例可以在导轨1加工过程中开孔，或者在成形的导轨1上先打上两个贯通的孔，再在炮口部分将两个孔贯通，然后堵起多余的部分。持续不断的在冷却管道中通入去离子水能持续不断的给导轨1降温，减少导轨1上的能量损失并减小了导轨1受热损伤等情况，增大了电枢2的加速力，从而增大了系统的效率。

为了进一步降低导轨的温度，所使用的去离子水可以为低温去离子水。

实施例四

为了便于实施，本实施例的储液罐9和低温液体泵8之间、低温液体泵8和冷却通道4之间均设有连接管。考虑到冷却剂在连接管中流动时会与外界发生冷热交换，为了减少液体输送过程中的冷量损失，本实施例在连接管外设有隔热部件。示例性地，隔热部件可以为保温层。

本实施例中，冷却通道4的横截面可以为圆形或椭圆形，而不能为矩形和正方形，原因在于：矩形和正方形的冷却通道凸起的棱一方面会影响电流密度的分布，另一方面发射过程中产生的热量会集中在棱角部分，导致轨道变形。

示例性地，导轨1的横截面可以为凸弧形。之所以选择凸弧形的导轨，而不选择带棱角的导轨，如凸字形，原因在于：带棱角的导轨会使得电流密度分布不均匀，并且发射过程中产生的热量会集中在棱角部分，导致轨道变形。

根据电流的趋肤效应，轨道上的电流大部分聚集在导轨表面处。为了选择合适的冷却通道的位置，本发明对炮体进行了多物理场仿真，发现本发明所设置的冷却通道的位置、形状和尺寸对电流密度的影响很小，因此，本发明冷却通道的设置是合理的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，其特征在于，包括设于电磁轨道炮轨道内的冷却通道、用于储存冷却剂的储液罐和低温液体泵；所述冷却通道的前段沿导轨的长度方向设置，所述冷却通道的后段偏向导轨和电枢接触面的方向设置；所述低温液体泵将储液罐中的冷却剂输送至所述冷却通道中；

所述冷却通道在距离炮口1/3至2/3处开始偏向导轨和电枢接触面的方向设置，所述冷却通道的偏移距离为3-5mm；

所述冷却通道在距离炮口1/4处开始沿导轨的长度方向设置；

所述冷却通道为通孔，所述通孔的数量为3个；

所述冷却通道的最高点距离导轨最顶端的垂直距离大于等于1cm，所述冷却通道的最低点距离轨道最底端的垂直距离大于等于0.5cm；

所述导轨的横截面为凸弧形。

2.根据权利要求1所述的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，其特征在于，所述通孔包括第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述第一通孔位于电枢和所述导轨接触面的正下方，所述第二、三通孔相对于所述第一通孔对称设置。

3.根据权利要求1所述的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，其特征在于，所述冷却通道的横截面为圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，其特征在于，所述冷却剂为液氮或液氦。

5.一种用于冷却电磁轨道炮轨道的冷却方法，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的用于冷却电磁轨道炮轨道的系统，包括以下步骤：低温液体泵将冷却剂持续输送至导轨的冷却通道中，冷却剂气化排出。

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