CN110793388A - 一种电磁推力发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁推力发射装置。装置包括：第一轨道；第二轨道，第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘，并且由金属制成；电枢，电枢位于第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与第一轨道和第二轨道滑动电接触；弹丸，弹丸由电枢推动；高功率脉冲电源；以及开关；第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路，当开关闭合时，电源向回路供电，在回路中通过第一轨道和第二轨道的电流产生磁场，流过电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力，该电磁力加速电枢和弹丸到超高速。本发明解决了电磁推力发射装置轨道的严重烧蚀的问题，使得降低对电枢和轨道的烧蚀，提高了轨道的使用寿命。

Description

一种电磁推力发射装置

技术领域

本发明涉及电磁轨道技术领域，具体地涉及一种电磁推力发射装置。

背景技术

目前，电磁轨道炮概念提出已久，但多年来一直处于试验阶段未投入实际使用，这是因为电磁轨道炮还有一些问题没有得到很好的解决，其中一个便是弹体发射过程中系统会产生大量的热量，对轨道造成烧蚀磨损甚至失效，严重影响材料的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁推力发射装置，解决了电磁推力发射装置轨道的严重烧蚀的问题，使得降低对电枢和轨道的烧蚀，提高了轨道的使用寿命。

通过本发明可以实现的技术目的不限于上文已经特别描述的内容，并且本领域技术人员将从下面的详细描述中更加清楚地理解本文中未描述的其他技术目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

根据本公开的一方面，本发明提供一种电磁推力发射装置，其特征在于，所述装置包括：

第一轨道；

第二轨道，所述第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘，并且由金属制成；

电枢，所述电枢位于所述第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道和第二轨道滑动电接触；

弹丸，所述弹丸由所述电枢推动；

高功率脉冲电源；以及

开关；

其特征在于，所述第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路，当所述开关闭合时，所述电源向回路供电，在所述回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场，流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力，该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的厚度为0.001mm，相对磁导率为1，电导率为2000000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.5w/m·k，比热为1030J/kg·c，所述电源的通电时间为0.002s。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的厚度为以下之一：0.001mm，0.005mm，0.01mm，0.05mm，0.1mm。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的电导率为以下之一：200s/m，2000s/m，20000s/m，200000s/m，2000000s/m。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的密度为以下之一：0.01kg/m³，0.05kg/m³，0.1kg/m³，0.5kg/m³，1kg/m³，10kg/m³，100kg/m³。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的热传导系数为以下之一：0.01w/m·k，0.03w/m·k，0.05w/m·k，0.07w/m·k，0.09w/m·k，0.11w/m·k，0.13w/m·k，0.15w/m·k。

可选地，在如上所述的装置中，所述等离子层的比热为以下之一：1J/kg·c，10J/kg·c，100J/kg·c，1000J/kg·c，10000J/kg·c。

可选地，在如上所述的装置中，所述电源的通电时间为以下之一：1ms，2ms，5ms，10ms，50ms，100ms。

上述技术方案仅为本发明实施例的一些部分，本领域技术人员从以下本发明的详细描述中可以导出和理解包含了本发明的技术特征的各种实施例。

本领域技术人员将会理解，通过本发明可以实现的效果不限于上文已经具体描述的内容，并且从以下详细说明中将更清楚地理解本发明的其他优点。

附图说明

被包括以提供对本发明的进一步理解的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1-27为本发明实施例提供的电磁推力发射装置在各种条件下的温度场的示意图表。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。下面将参考附图给出的详细描述旨在解释本发明的示例性实施例，而不是示出可以根据本发明实现的唯一实施例。以下详细描述包括具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

在一些情况下，已知的结构和设备被省略或以框图形式示出，集中于结构和设备的重要特征，以免模糊本发明的概念。在整个说明书中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种电磁推力发射装置，所述装置包括：第一轨道；第二轨道，所述第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘，并且由金属制成；电枢，所述电枢位于所述第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道和第二轨道滑动电接触；弹丸，所述弹丸由所述电枢推动；高功率脉冲电源；以及开关；其特征在于，所述第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路，当所述开关闭合时，所述电源向回路供电，在所述回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场，流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力，该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速。在如上所述的装置中，所述等离子层的厚度为0.001mm，相对磁导率为1，电导率为2000000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.5w/m·k，比热为1030J/kg·c，所述电源的通电时间为0.002s。在如上所述的装置中，所述等离子层的厚度为以下之一：0.001mm，0.005mm，0.01mm，0.05mm，0.1mm。在如上所述的装置中，所述等离子层的电导率为以下之一：200s/m，2000s/m，20000s/m，200000s/m，2000000s/m。在如上所述的装置中，所述等离子层的密度为以下之一：0.01kg/m³，0.05kg/m³，0.1kg/m³，0.5kg/m³，1kg/m³，10kg/m³，100kg/m³。在如上所述的装置中，所述等离子层的热传导系数为以下之一：0.01w/m·k，0.03w/m·k，0.05w/m·k，0.07w/m·k，0.09w/m·k，0.11w/m·k，0.13w/m·k，0.15w/m·k。在如上所述的装置中，所述等离子层的比热为以下之一：1J/kg·c，10J/kg·c，100J/kg·c，1000J/kg·c，10000J/kg·c。在如上所述的装置中，所述电源的通电时间为以下之一：1ms，2ms，5ms，10ms，50ms，100ms。

根据本发明的技术方案借助相关有限元软件建立电磁轨道炮的三维模型进行多物理场耦合分析，探究不同的等离子层参数如厚度、电导率、密度、比热、热传导系数等对电磁轨道炮系统温度场的影响规律，并寻求较为合理的参数赋值，使得导轨和电枢产热量显著降低，电磁轨道炮身管内壁烧蚀现象减弱。并且，对比有无等离子体的状态下电磁轨道炮系统的寿命问题。

电磁轨道炮在工作时产热量过大，内部环境极其恶劣，材料的高温失效是制约电磁炮技术发展的一个瓶颈，严重影响其使用寿命。在此背景下，本发明的技术方案的等离子层能够非常显著地降低电枢和导轨接触界面的热效应，从而大幅减少电磁轨道炮的发热量，提高系统的发射性能和使用寿命，这对电磁轨道炮这一新概念动能武器进入实用阶段具有重大的意义。

1磁流体层对电磁轨道炮内部温度场影响

规律研究

1.1不添加等离子层时温度场状况

室温下的空气电导率为0，在高电流的作用下，空气会发生电离从而具有一定的导电性，参考空气参数值赋予等离子层电磁参数和热参数如下：

厚度为0.1mm，相对磁导率为1，电导率为20000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.1w/m·k，比热为1030J/kg·c，通电时间为0.01s。在此等参数条件下枢轨接触界面最高温度极其巨大，下面将具体探讨各参数对温度的影响规律。

1.2等离子层厚度对温度场的影响

保持其余参数同3.1中一致，分别设置枢轨接触界面等离子层厚度为0.001mm，0.005mm，0.01mm，0.05mm，0.1mm，求得各厚度条件下温度场云图和温度场放大云图如图1至图10所示。

由图可知，不同等离子层厚度下温度场的变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。随着厚度的变化，系统最高温度也随之发生变化。

根据各云图中的最高温度，制得最高温度随厚度变化表和变化曲线如图11和图12所示。从云图、变化表、变化曲线可以看出：等离子层厚度较低时，系统最高温度并不高，0.001mm等离子层厚度下，最高温度只有125.88℃，但随着等离子层厚度的增加，最高温度急剧上升，尤其是厚度大于0.01mm后，温升特别明显，厚度为0.1mm时，最高温度可达1.1×105℃。本文认为出现这种现象的原因是:

1)与铜和铝相比，等离子层电导率较小，故在相同电流的作用下，等离子层产生更多的焦耳热，且等离子层厚度较导轨和电枢极小，故温升很高；而未通电处导轨没有焦耳热产生，通电处的焦耳热由于时间太短并没有传递过来，故未通电导轨处温度较低。

2)随着等离子层厚度的增加，会产生更多的焦耳热，但等离子层的热量并不是均匀分布在各层，最高温度发生在等离子层中间位置并向两侧递减。假设温度在单位长度上变化相同，在导轨和电枢与等离子层接触面的温度不变的情况下，等离子层中间部位的温度会随着厚度的增加近似成线性增加，这与仿真结果是相符的。

1.3等离子层电导率对温度场的影响

设置等离子层厚度为0.005mm，其余参数与1.2中相同，分别设置电导率为200s/m，2000s/m，20000s/m，200000s/m，2000000s/m，研究不同等离子层电导率参数对温度场的影响，求得各电导率条件下温度场云图如图13至图17所示。由图可知，不同等离子层电导率下温度场变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。随着电导率的变化，系统最高温度也随之变化。

根据各云图中的最高温度，制得最高温度随电导率变化表和变化曲线如图18和图19所示。从云图、变化表、变化曲线可以得出如下结论：

1)当电导率很小时，等离子层的温度峰值非常大，电导率为200s/m时最大温度可达32275℃。随着电导率的增加最高温度急剧下降，当电导率增大到104量级以后，温降逐渐变缓，电导率增加到足够大时，系统温升变得很小，只有几十摄氏度。

2)电导率越大，电阻率越小，相同电流作用下产生的焦耳热越少，故最高温度随电导率的增大而减小；电导率趋于0时，温度趋于无穷，具有一定电导率数值时温度便迅速下降，但随其值逐渐增大这种趋势将逐渐变缓，这与仿真结果是相符的。

1.4等离子层密度对温度场的影响

设置等离子层电导率为20000s/m，其余参数与3.3中相同，分别设置等离子层密度为0.01kg/m³，0.05kg/m³，0.1kg/m³，0.5kg/m³，1kg/m³，10kg/m³，100kg/m³，研究不同等离子层密度参数对温度场的影响。

不同等离子层密度下温度场变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。但随着等离子层密度值的变化，系统最高温度几乎没发生变化，其峰值一直维持在824℃左右。故等离子密度对温度场影响很小，选择等离子体时，密度不是关键的参数。

1.5等离子层比热对温度场的影响

设置等离子层密度为1.2kg/m³，其余参数与1.4中相同，分别设置等离子层比热为1J/kg·c，10J/kg·c，100J/kg·c，1000J/kg·c，10000J/kg·c，研究不同等离子层比热参数对温度场的影响。不同等离子层比热下温度场变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。但随着等离子层比热的变化，系统最高温度几乎没发生变化，其峰值一直维持在1503℃左右。故等离子比热对温度场影响很小，选择等离子体时，比热不是关键的参数。

1.6等离子层热传导系数对温度场的影响

设置等离子层比热为1030J/kg·c，其余参数与1.5中相同，分别设置等离子层热传导系数为0.01w/m·k，0.03w/m·k，0.05w/m·k，0.07w/m·k，0.09w/m·k，0.11w/m·k，0.13w/m·k，0.15w/m·k研究不同等离子层热传导系数对温度场的影响。

不同等离子层热传导系数下温度场变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。随着热传导系数的变化，系统最高温度也随之发生变化。

根据各云图中的最高温度，制得最高温度随热传导系数变化表和变化曲线如图20和图21所示。从云图、变化表、变化曲线可以得出如下结论：

1)当热传导系数较小时，等离子层的最高温度较大，当热传导系数为0.01w/m·k时，最高温度可达6938℃；随着热传导系数的逐渐增加最高温度逐渐下降，且下降趋势逐渐变缓至数百摄氏度。

2)热传导系数越大，产生的焦耳热便更容易向外扩散，故最高温度随热传导系数的增大而减小，这与仿真结果是相符的。

1.7电流通电时间对温度场的影响

设置等离子层热传导系数为0.05w/m·k，其余参数与1.6中相同，分别设置等离子层通电时间为1ms，2ms，5ms，10ms，50ms，100ms，研究不同通电时间对温度场的影响。

不同通电时间下温度场变化趋势是一致的：最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。随着通电时间的变化，系统最高温度也随之发生变化。

根据各云图中的最高温度，制得最高温度随通电时间变化表和变化曲线如图22和图23所示。从云图、变化表、变化曲线可以看出：随着通电时间的增加，最高温度也逐渐变大，至100ms时温度已达1912℃。这是由于通电时间越长，产生的焦耳热越多所致。但是因为一般电磁轨道炮发射时间都是几毫秒，时间很快，由通电时间所引起的焦耳热差距并不是那么的明显。

1.8小结

本章应用ANSYS软件，采用有限元仿真的方法，开展了不同等离子层参数对电磁轨道炮温度场的影响研究，所得结果如下：

系统最高温度发生在枢轨接触界面等离子层处，且该处具有较大的温度梯度，通电的两导轨段和电枢相比未通电的导轨具有较高的温度。枢轨接触界面等离子层的最高温度和其密度、比热等参数无关，而和其厚度、电导率、热传导系数、通电时间等参数相关，具体体现为：

1)最高温度随厚度的增加而增大，且厚度值大于0.01mm后温升特别明显。

2)最高温度随电导率的增大而减小，当电导率增大到104量级以后，温降速度逐渐变缓。

3)最高温度随热传导系数的增大而减小，当其值大于0.05w/m·k后，温降速度逐渐变缓。

4)最高温度随通电时间的增大而增大，但因发射时间很短，因通电时间引起的焦耳热差距并不大。影响系统温升的因素除了上述厚度、电导率、热传导系数、通电时间等，还与电流大小、电流波形、电枢形状等因素有关，本章重点讨论的是等离子层参数对温度的影响。另外值得提出的是，本章只考虑了电磁轨道炮的焦耳热部分，没有计算摩擦热、电弧热、气动热等，所得温度结果并不能完全反应电磁炮的温度特征，所设计的等离子层参数能否满足工程要求还需进行实验验证。

2.磁流体层对电磁轨道炮身管内壁烧蚀磨

损及疲劳寿命影响研究

2.1引言

与传统火炮相比，电磁轨道炮既有高炮反应快、拦截精度高的优点，又比高炮初速高、威力大、射程远、综合毁伤能力强，比导弹全寿命成本低，是一种极具潜力的新概念动能武器，已成为军事大国竞相研究的对象。

和传统火炮不同，电磁轨道炮由一对平行绝缘的金属轨道、一个位于轨道问且可沿轨道滑动并与轨道有滑动电接触的电枢、电枢推动的弹丸、以及高功率脉冲电源和开关等构成。其中，轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路。当开关闭合时，电源向回路供电，回路中通过轨道的电流产生磁场，电枢电流在上述磁场作用下形成电磁力。电磁力加速电枢和弹丸到超高速。虽然不像传统火炮一样，依靠火药燃烧推进，但是在电磁轨道炮发射过程中，仍然会产生大量的热，这种热主要来自放电烧蚀。注意到美国海军的电磁轨道炮试验中，射弹飞出轨道的瞬间都拖曳着火焰。上述尾焰很可能是由于电枢和轨道之间发生放电烧蚀引起的。

这种热效应同样会对电磁轨道炮的轨道产生烧蚀和热应力。电磁炮的发射过程伴随着这种烧蚀和热应力现象，必然会对电磁炮的精度以及可靠性产生极大的危害，甚至导致电磁轨道炮部件受损破坏，降低了电磁轨道炮的可靠性和安全性。武器寿命问题是武器研发、设计以及使用部门都相当重视的问题。在武器寿命的定义中，没有明确和公认的评估身管寿命的定量标准，每种武器的使用条件不同，因而导致同一种武器类型身管寿命发数相差甚大。大体来说，电磁轨道炮的寿命主要包括疲劳寿命和烧烛寿命。烧烛磨损使得射弹出口初速降低，射击精度下降，弹丸散布增加，最终报废。这在传统火炮中已经得到广泛的认可。对于电磁轨道炮，为了保持其轻量化、便于机动等要求，高强度和超高强度材料的广泛应用，电磁轨道炮材料的韧性降低、脆性断裂的倾向性增大，使电磁轨道炮即使在应力低于材料屈服强度的情况下就产生脆性破坏。在经过几百次炮弹发射，甚至几十发炮弹发射后电磁轨道炮的轨道就会产生一些微裂纹，这些初始裂纹大大降低了身管的承载能力，严重威胁火炮的安全使用，因此无法单纯地用烧烛寿命来判断身管的使用寿命。所以疲劳寿命已开始成为身管的一个重要设计依据及制定寿命标准时应该考虑的重要问题。

2.2磁流体层对电磁轨道炮烧蚀磨损影响

身管内膛烧蚀磨损与寿命密切相关，现行的评定身管寿命的指标常用有以下四个:①炮口速度下降量；②射击精度下降量；③引信不能解脱保险；④弹带削光。一般来说，评定身管寿命标准中，只要有一项不合格就认为寿命终止了。然而四种判定标准中，目前为止还很难用预测的方法来研究究竟何时何种指标超出了范围。但是，由多年来的火炮试验所证明，不管是初速下降与密集度增大，还是弹带削光，都是由烧蚀磨损量决定的。烧蚀磨损量越大，初速下降量就越大，引信不能解除保险的概率就越大，同时弹丸在飞行过程中稳定性变差，从而使得射击精度下降。另外弹带与膛线接触的条件变差，也就容易造成弹带削光现象。所以目前较为常用确定火炮全寿命的方法是确定最大烧蚀磨损量与身管寿命的关系。

由于电磁炮和传统火炮不同，并不是以火药燃烧作为推进方式，本领域的技术人员已知，烧蚀量和最大温度相关，最大温度越高、则烧蚀量越大。所以，通过磁流体层对电磁轨道炮的最大温度的影响，可以获得对其烧蚀磨损的影响。而采用BP神经网络法，需要大量的实验数据支撑，不在考虑范围内。综上，采用磁流体层对电磁轨道炮的温度场的影响来定性确定磁流体层对电磁轨道炮烧蚀磨损影响。设定空气厚度为0.1mm，相对磁导率为1，电导率为20000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.1w/m·k，比热为1030J/kg·c，通电时间为0.01s。将此组结果作为未添加磁流体层的计算对照组。

未添加等离子体层时电磁轨道炮系统的最大温度最高温度高达1.147e5℃，位于空气区域中间层。此时，空气区域内的高温将传导至电枢和轨道，使其快速升温，电枢和轨道处的最大温度高达1390℃。

参照上述研究内容获得的规律，赋予等离子层一组理想化参数进行数值仿真：厚度为0.001mm，相对磁导率为1，电导率为2000000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.5w/m·k，比热为1030J/kg·c，通电时间为0.002s。在此理想化参数下的系统温度、导轨温度、电枢温度、等离子层温度仿真结果分别如图24-27所示。系统最高温升仅有10℃左右，最高温度30.207℃位于电枢电流输入端与导轨连接拐角处附近；导轨最高温度24.1590C℃在与等离子层接触表面，通电段导轨相比未通电段温度较高；等离子层处与导轨和电枢相比温度梯度较大，从通电段导轨向未通电段方向逐渐降低。

从上面两组计算结果对照来看，未添加等离子体层时电磁轨道炮系统的最大温度最高温度高达1.147e5℃，电枢和轨道处的最大温度高达1390℃。这个温度已经远超过铜和铝的温度。而理想磁流体参数下，最高温度30.3℃位于电枢电流输入端与导轨连接拐角处附近；导轨最高温度24.12℃在与等离子层接触表面。根据给出的参照公式，可以推断得出，磁流体对电磁轨道的轨道和电枢有极强的保护作用，将会极大的降低电磁炮发射时的烧蚀磨损情况。

2.3磁流体层对电磁轨道炮疲劳寿命影响分析

疲劳破坏是机械零部件强度失效的一种主要形式，结构的疲劳强度和疲劳寿命是进行结构抗疲劳设计、强度校核的重要内容。随着计算机技术和有限元技术的发展，结构疲劳分析方法在各个行业得到了广泛的应用，出现了多种疲劳分析软件，如：DesignLife、MSC-Fatigue、FE-safe和WinLIFE软件。疲劳分析软件一般作为有限元软件的后处理来进行结构的疲劳分析，需要把有限元的结果文件导入进行分析，和目前广泛使用的用限元软件的良好匹配是很重要的；另外，疲劳分析软件是否能获得合格的求解结果也非常的重要。本文采用Workbench内置的FatigueTool疲劳计算工具。

2.3.1电磁轨道炮热应力场分析电磁轨道炮的热应力场分析，需要耦合磁场、温度场以及应力场。将电磁/温度场的耦合的几何模型及材料参数以及计算结果作为热应力分析的输入边界条件，进行求解。

由于应力场计算时是以温度场作为一种热输入的边界条件进行计算，所以计算时保持求解参数的时间可控制选项和温度场计算保持一致。

需要注意的是，由于应力场计算需要，需要在材料模型中，定义相关的参数，包括弹性模量、泊松比等。

所有设定完成，即可进行计算。本次计算包含两组参数，一组为对照组，作为不含磁流体系统。设定空气厚度为0.1mm，相对磁导率为1，电导率为20000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.1w/m·k，比热为1030J/kg·c，通电时间为0.01s。

当电磁轨道炮不包含磁流体层时，系统的最大应力高达1847.3Mpa，最大应变为0.026。其中，电枢和轨道的最大应力分别为1847.3MPa和1709.8Mpa，这已经超过铜和铝的屈服强度。

参照上述研究内容获得的规律，赋予等离子层一组理想化参数进行数值仿真：厚度为0.001mm，相对磁导率为1，电导率为2000000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.5w/m·k，比热为1030J/kg·c，通电时间为0.002s。

理想磁流体参数下电磁轨道炮系统的最大应力仅为10.583Mpa，最大应变约为0.00015。最大应力和应变出现在电枢和轨道的拐角处。电枢和轨道的最大应力分别为10.583MPa和4.5599Mpa。同未添加等离子体层的计算结果相比较，最大应力分别降低了99.427％，99.73％。

2.3.1电磁轨道炮疲劳寿命分析

在获得电磁轨道炮系统的应力场后，即可进行疲劳寿命分析，本次分析假设炮弹为单次发射，每次发射后恢复至静态进行下一次发射。首先在偶合场的模型树的瞬态结构求解模块的solution分支下添加fatiguetool模块。

2.4小结

本章通过workbench多物理场的耦合分析，进行了磁流体层对电磁轨道炮烧蚀磨损和疲劳损伤的有限元建模和分析。通过理论分析得知，烧蚀量和最大温度相关，最大温度越高、则烧蚀量越大。所以，通过磁流体层对电磁轨道炮的最大温度的影响，可以获得对其烧蚀磨损的影响。然后，在温度场与应力场进行耦合分析的基础上，对电磁轨道炮的疲劳寿命进行了计算。结果发现：

1)未添加等离子体层时电磁轨道炮系统的最大温度最高温度高达1.147e5℃，位于空气区域中间层。此时，空气区域内的高温将传导至电枢和轨道，使其快速升温，电枢和轨道处的最大温度高达1390℃。已经超过铝和铜的熔点，将会发生严重的烧蚀行为。

2)理想磁流体参数下，最高温度30.3℃位于电枢电流输入端与导轨连接拐角处附近；导轨最高温度24.12℃在与等离子层接触表面。所以，磁流体对电磁轨道的轨道和电枢有极强的保护作用，将会极大的降低电磁炮发射时的烧蚀磨损情况。

3)当电磁轨道炮不包含磁流体层时，系统的最大应力高达1847.3Mpa，最大应变为0.026。其中，电枢和轨道的最大应力分别为1847.3MPa和1709.8Mpa，这已经超过铜和铝的屈服强度。

4)理想磁流体参数下电磁轨道炮系统的最大应力仅为10.583Mpa，最大应变约为0.00015。最大应力和应变出现在电枢和轨道的拐角处。电枢和轨道的最大应力分别为10.583MPa和4.5599Mpa。同未添加等离子体层的计算结果相比较，最大应力分别降低了99.427％，99.73％。

5)不含磁流体时，在电枢的两端以及导轨与电枢的结合位置处，寿命为0，这表明结构会直接破坏。这和前面计算的温度场中，温度超过熔点，以及应力场中应力超过屈服强度保持一致。理想磁流体参数下，电枢与导轨的疲劳寿命寿命都超过了108。这表明，在此种参数下，寿命无限大，可以不考虑疲劳破坏的情况。由于采用数值计算时的参数取值过于理想，具体磁流体的参数能达到何种标准和水平，将决定着电磁轨道炮的实际应用中的烧蚀磨损情况和疲劳寿命。

如上所述，已经给出了本发明的优选实施例的详细描述，以使本领域技术人员能够实施和实践本发明。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求书中描述的本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和改变。因此，本发明不应限于在此描述的特定实施例，而应被赋予与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种电磁推力发射装置，其特征在于，所述装置包括：

第一轨道；

第二轨道，所述第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘，并且由金属制成；

电枢，所述电枢位于所述第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道和第二轨道滑动电接触；

弹丸，所述弹丸由所述电枢推动；

高功率脉冲电源；以及

开关；

其中，所述第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路，当所述开关闭合时，所述电源向回路供电，在所述回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场，流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力，该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速，所述装置还包括等离子体发生器，其位于所述装置上，产生等离子体，所述等离子体在所述第一轨道与电枢之间以及在所述第二轨道与电枢之间形成等离子层。

2.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的厚度为0.001mm，相对磁导率为1，电导率为2000000s/m，密度为1.2kg/m³，热传导系数为0.5w/m·k，比热为1030J/kg·c，所述电源的通电时间为0.002s。

3.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的厚度为以下之一：0.001mm，0.005mm，0.01mm，0.05mm，0.1mm。

4.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的电导率为以下之一：200s/m，2000s/m，20000s/m，200000s/m，2000000s/m。

5.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的密度为以下之一：0.01kg/m³，0.05kg/m³，0.1kg/m³，0.5kg/m³，1kg/m³，10kg/m³，100kg/m³。

6.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的热传导系数为以下之一：0.01w/m·k，0.03w/m·k，0.05w/m·k，0.07w/m·k，0.09w/m·k，0.11w/m·k，0.13w/m·k，0.15w/m·k。

7.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述等离子层的比热为以下之一：1J/kg·c，10J/kg·c，100J/kg·c，1000J/kg·c，10000J/kg·c。

8.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述电源的通电时间为以下之一：1ms，2ms，5ms，10ms，50ms，100ms。

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