电磁轨道炮的试验研究

　第一章 绪论

　　1.1课题的背景及意义

电磁发射在二十世纪中断被学者提出，并进行了等离子电枢的轨道发射试验。和其他常规武器相比，他利用电磁力驱动有效载荷，将电磁能转化为机械动能，使武器装备的性能大幅度提高，在发射导弹、飞机、鱼类以及航天等军事领域得以广泛运用[1]。

电磁轨道发射技术现状已经成为各国军事研究的重点之一，但是在达到电磁发射器发射频率的要求时，轨道上的热量会明显的影响发射的安全和高效性。由轨枢载流产生的焦耳热、摩擦热等不同机制产生的热对整个电枢发射产生的影响很大。另外，轨道并没有良好的散热措施，积累热量导致温度升高，会产生电枢和金属轨道的烧蚀[2]和融化现象，烧蚀极大的影响了发射的性能。因此对于电磁热的研究是十分必要的。

常规发射技术主要通过燃料、火药作为动力，如常见的火炮、火箭等，此类发射技术成本较高，同时火药燃气会造成一定程度的声速阻碍，甚至对发射距离和速度造成影响。与之相比，电磁发射技术主要通过电磁力产生作用，其可以在瞬间转化电能，从而为发射提供充足的动能，发射速度高达数千米每秒，此类发射技术在近些年得到广泛应用，尤其在军事领域受到高度关注。由于结构之间存在差异，电磁发射设备通常可分为重接型、轨道型、线圈型三种，结构最简单的当属轨道型发射设备，其通过脉冲电源、电磁轨道、电枢、弹丸等元件构成。在此种类型的轨道发射过程中，往往会产生兆安级的脉冲电流，并沿着轨道、电枢构建强有力的磁场空间，同时对电枢产生洛伦兹力的效果，通过该作用力能够推动轨道以极快的速度滑动，最终通过推动弹丸实现发射任务。和一般的常规发射技术不同的是，电磁轨道炮在如今军事领域受到广泛关注，这种新型武器的优势主要体现在以下几个方面：

（1）响应快，威力大：电磁轨道的传播速度可达到光速级别，并产生电流和电磁场，两者相互产生电磁力，是弹丸和电枢产生运动的主要动能，一般每次发射时间不到几十毫秒，弹丸的初速度往往能够实现数千米每秒的要求，此外，此类新型武器的炮口动能达到数十兆焦，远远超过传统火炮的发射速度，且具备优越的发射性能。

（2）控制精准度高。普通的火炮往往需要对填弹的数量进行射程控制，在此过程中，由于受到化学因素的不确定性导致存在部分风险隐患，与之相比，电能发射能够实现精准控制，电池轨道炮能够利用控制电流的方式，实现精准且灵活的发射任务，其中的关键在于对弹丸初速度和射程的控制，确保打击目标的精准度，同时在实际作战过程中稳定性更高。

（3）抗电阻干扰。电磁轨道炮是一种利用高速脉冲完成发射任务的新型武器，但其本身受到强电磁的干扰，但值得注意的是，强电磁在使用过程中并不会对弹丸的发射距离和飞行轨迹造成影响。

（4理想的隐蔽性。电磁轨道炮和其他传统火炮相比，其主要通过电能操作，因此不会出现操作不当而自行摧毁的现象。同时在发射过程中炮口产生的烟雾和后坐力几乎可以忽略不计，在实际作战中具备较理想的隐蔽性。

（5）成本低。和其他传统火炮相比，电磁轨道炮通过电能发射，除了系统正常运行之外，其在运行过程中动力的成本远远低于传统发射设备的火药成本。针对发射能量分析，传统火炮发射过程中，每焦能量的成本大概在10美元，与之相比，电磁轨道炮的发射成本仅0.1美元，由此反映其成本下降幅度较大。

　1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

从上世纪八十年代开始，我国开展了大量的电磁轨道炮的试验研究，1986 年，我国首台用于实验的电磁轨道发射设备由此诞生，这套发射设备能够将不足0.5g的弹丸通过1.68km/s 的动力加速度发射出去。1988年才用了电磁箍缩炮（前级）和电磁轨道炮（主炮）相串级的全电磁轨道炮方案，成功将30.2g的弹丸以3km/s的速度射出，技术指标已经达到了美、俄等国的同期水平。国内一部分大些对电磁轨道炮的研究也取得了相应的进展。

从上世纪90年代初期开始，南京理工大学国防科技重点实验班开始围绕电磁超高速发射技术展开多维度、深层次的分析和探索，并在该领域取得一定研究成效，主要反映在电磁开关、电源等方面的探索。此外，该实验室还针对多轨电磁轨道炮进行深入研究，并以此为基础构建圆膛四轨电磁研究模型，利用该模型仿真模拟关于四轨电磁发射装置。

燕山大学从不同维度加强对电磁轨道炮的研究，利用仿真模型针对其系统展开深入分析和研究，同时围绕核心结构进行持续优化和改善；为了有效加强该设备的使用寿命，燕山大学对此专门研制开发复合材料的轨道，并引入多项数据模型对该设备的电磁场、温度场、应力场展开研究和探索。

哈尔滨理工大学的研究重心集中在多级控制的电磁发射装置上，并根据自身掌握的数据和资料，构建多级电磁发射的仿真模型，从中对相关仿真数据进行优化和调整，并在实验中取得了理想的一致性。

二十一世纪初，我国已经初步实现大口径（90mm）电磁炮样炮的研究。经过30余年的积累，我国已经实现大质量弹丸的发射，并且在磁通压缩发生器、高储能密度电容器和超导发电机等各项与电磁轨道炮相关领域实现重大突破。但是仍然面临轨道炮系统集成度不高、发射系统体积大、精度和射程不高、热烧蚀严重等问题。2018年，我国首款电磁轨道炮上舰测试成功，标志着我国电磁轨道炮装备应用研究取得突破。

我国在电磁轨道发射技术起步较晚，核心技术人才和研发资金投入欠缺，但是随着我国的新材料和电源储能技术等领域的深入发展和应用，我国的海基舰载和陆基地面战车平台轨道炮取得了关键的进展。

1.2.2国外研究现状

从通电导体在磁场中受力的现象被人类发现以来，大量学者和研究人员开始将其作为发射设备的最佳选择设想。在19世纪40年代中期，Colonel Dixon在《Newly Invented Electric Gun》中第一次提到电磁炮的概念。不过这一概念的提出并非短时间内获得研究成效，历经数十年时间，到了20世纪初，全球首台电磁炮才正式问世，该发射装置能够将重达500g的弹丸的速度推动至50米每秒，这也是当时关于电磁炮的重大研究突破成果。在此之后，不少发达国家开始从不同维度对电磁炮展开研究，不过大部分研究依然停留在初级阶段。上世纪70年代末，轨道电磁炮的成功问世并在实验中成功发射，预示着电磁发射技术开始步入新的篇章，电磁发射技术开始在加速质量较大的物体中发挥作用和价值。关于电磁炮的研究开始呈现高速发展。电磁炮由澳大利亚国立大学的Marshall 教授等人建成，该设备拥有550焦的发射能量，可在长达5米的轨道上将重量仅有3g的弹丸通过5.9km/s的速度发射出去。在此之后，不少发达国家开始加强对电磁炮技术的研究和探索。X作为其中的佼佼者，无论在研究投入还是研究成效上领跑全球。上世纪90年代初，X当地的一家实验室突破了电磁炮的极限，将重量为2.4kg以2.6km/s的速度发射出去。随后X推出全球首台完整的9 MJ 靶场导轨炮，该设备在X陆军尤马训练场试验成功，该设备能够不间断发射9发弹丸，这也成为电磁炮从实验室走向实际应用的关键一步。2008年，X海军在水面上展开多项关于32MJ的发射试验，通过实验结果表明，该设备能够发射3.35~3.36 kg的铝弹，同时该发射设备的出口动能高达10.6MJ，这项试验的成功成为X研究和应用电磁轨道炮的进程更进一步。

作为困扰电磁轨道发射技术稳步发展的关键难题，当处于高温高压的等离子状态下，势必会对炮弹壁产生一定损伤，主要以变形和烧蚀两种情况为主，无形中直接影响发射精确度，甚至对轨道发射装置的使用寿命造成不同程度的影响，对电磁轨道发射技术的发展产生阻碍作用。在前人关于电磁发射的研究方面，X研究侧重点集中在如何缓解炮弹壁被烧蚀的程度。从相关统计报告显示，该研究取得一定成效，能够提升轨道使用寿命。2009年1月，Xtechnobahn网站报道称，目前已经完成了“布利策TM”防空系统样机的试射。

1.3本文主要研究内容

作为近些年发展起来的新型发射技术，电磁发射技术由于融合了热能、电能等多重作用力耦合的作用，因此在设计电磁轨道装置时需要面临多门学科的理论和实践知识。

本次研究从研究背景出发，对计算机以及有限元计算的方法理论展开研究和分析，并以此为基础探索电磁轨道炮发射过程中的电流密度、温度分布等数据参数，并对轨道、电枢、输入电流等发射材料受到温度影响展开多维度、深层次的分析和探索，本次研究框架大致为以下内容：

对电磁轨道炮的发展历程进行梳理和总结，并通过构建仿真模型的方式对电磁轨道温度效应的实际情况展开系统全面的分析和探讨。 理论分析电磁发射的基本原理以及发射时轨道的热量来源，并建立电磁轨道炮的电磁场和温度场数学模型，为仿真计算提供理论基础。 在研究中引入有限元仿真软件构建电磁轨道炮的研究模型，明确其中各项参数指标，并以此为基础对温度场、电磁场进行分析和计算。

　第二章 电磁轨道发射系统的计算基础和数学模型

　　2.1电磁轨道发射系统电磁场数学模型

受到轨道电阻和轨枢接触电阻的影响，该设备的轨道上的电流与分布对轨道的焦耳特性产生直接影响，此外，通过研究发现电磁场和温度场存在紧密关联性。电磁轨道炮的电磁场特征通常可通过麦克斯韦方程表示，该方程组涵盖多项定律，诸如高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律等。

（1）法拉第电磁感应定律

法拉第电磁感应定律主要用以描述电磁强度根据不同的闭合路径分布，也可以理解为该路径的电磁通过量的具体变化负值。

（2）安培环路定律

安排环路定律主要用于描述磁场强度根据不同闭合路径线积分分布，可以理解为电荷流动产生的 电流和由该闭合路径围成的位移电流的代数和。

　　（3）高斯定律

高斯定律通常涵盖磁场和电场两方面的高斯定律，其主要涉及电场和磁场在闭合状态下的具体面积。

电磁高斯定律主要描述不管电磁场中的电通密度矢量和电解质分布情况如何，从一个闭合曲面输 出的位移通量等于该曲面围成的体积内包含的电荷量。

磁场高斯定律表示无论磁介质与磁通密度矢量如何分布，从一个闭合曲面输 出的磁通量等于零。

电磁轨道炮尺寸通常比电磁场波长小，可将其视为稳定存在的电磁场，通常情况下，无须计算电位移矢量和电场变化，因此可用麦克斯韦方程组表示：

在本次研究中，设定发射装置的各类组成元件和材料均具备非铁磁性，并且设定材料相对磁导率均为1，因此可简化以下公式：

直接通过公式求的解难度较大，且求解流程较为复杂，所以需要在计算中加入标量电位和矢量磁位，通常他们和磁感应强度与电磁强度的关系可通过以下公式表示

综上，即可求得电磁轨道炮系统的电磁场特性。

2.2 电磁轨道炮热源分析

2.2.1轨道电阻焦耳热

理论上，可用以下公式表示金属轨道体电阻：

通常情况下，口径相对较小的电磁轨道炮的轨道电阻也小，在试验或运用阶段可将其产生的焦耳理解为平均分布在轨道中，从而导致轨道温度上升。

所以发射阶段，轨道电阻产生的焦耳热度和轨道平均温度可用以下公式表示：

2.2.1 轨枢间滑动摩擦热

一般情况下，轨道和电枢产生接触的区域存在一定摩擦力，所以两者接触时，必定存在不同程度的摩擦力，通常此类摩擦力往往通过热量的形式抵消。其中轨枢间滑动产生的摩擦力和常规摩擦力的差异在于存在一定程度的大脉冲电流，而磨损量与电流成正比关系，电流产生磁场的同时也会对温度场造成不同程度的影响，电流产生的磁场很多时候会受到不同摩擦状态产生的影响有所差异，和传统摩擦相比，其复杂程度更高。电枢运动在最初阶段的速度相对较低，此阶段的摩擦热量相对较小，随着运动量加剧，摩擦热量随之上升。

轨道和电枢接触界面的滑动摩擦热量通常采用热流密度表示：

当滑动摩擦速度过快时，摩擦因数往往受到滑动速度、接触材料、载荷重量等方面的影响，存在不同程度的变化。和传统摩擦不同的是，大电流输入的时候，摩擦因数开始下降，假设其他条件保持不变的状态下，提速势必降低摩擦因数。摩擦因数通常根据克拉盖尔斯等研究试验指数来计算：

2.3电磁轨道发射的温度场数学模型

从上述研究中分析电磁轨道热源得知，轨道电阻产生热量外，还会出现滑动摩擦热和焦耳热，在研究中可将其视为形成移动热源，持续为轨道传导热能。热量变化速度极快，从而使得轨道温度场呈现动态化效应，所以在电磁轨道炮发射中产生的热效应研究归根结底属于非稳定状态下的热传导研究。可用热传导方程表示：

热源焦耳的分布情况和大小往往和电流存在紧密关联性，电磁轨道温度场数学模型是基于电磁场模型的前提下展开的，结合热传导方程可得出电磁轨道的温度场特点。

第三章电磁轨道发射系统温度的仿真研究

3.1 基本假设

受到实际使用的多种复杂条件影响，对电磁发射进行仿真模拟之前必须设定假设条件，本次研究的仿真模型设定的假设条件如下：

轨道和电枢构成的电量相对较小，且几乎不对电磁场产生影响，因此在分析时可对此环节忽略不计。无须考虑轨道和电枢接触过程中的不均匀因素，设定两者接触始终处于均匀状态。通常电磁轨道炮的发射属于超速发射过程，发射时间以毫秒计算，假设发射阶段轨道和电枢的摩擦因素始终处于恒定状态。为了有效简化本次计算，设定本次研究涉及的电导、比热容、导热系数等阐述恒定不变。电磁轨道发射时间极短，在仿真模拟过程中应当设定为绝热状态，无须考虑轨道和电枢之间产生的热辐射和热对流。

　3.2 有限元分析软件简介

如果求解公式和过程复杂程度较高，可通过有限元数值计算方法合理简化计算条件，并对其进行仿真模拟。该方法诞生于上世纪40年代初，由柯郎在研究中首次提出，该计算方法主要通过偏微分方程将多个函数细化为近似函数，并以此形成相应的方程组，便于后期计算求解，进而获得和原始函数近似的解。该计算方法早期主要应用于数学领域的计算，计算流程较多，无法推广和普及到工程领域。到了上世纪60年代，计算机计算高速发展，也催生了有限元理论的持续完善和成熟，其优势不断显现。基于有限元法为基础开发出大量得以应用和普及的软件，由于该软件计算效率和准确率较高，逐渐发展成为工程领域用于解决复杂程度较高的关键措施。目前知名度较高的有限元软件大致有Comsol、Adina、Fluent、Abaqus等，本次研究主要选取Comsol软件进行仿真模拟试验。该软件诞生于瑞典的Comsol公司，是全球首款致力于解决多物理任务的分析软件。该软件如今在结构力学、工程学、模拟学科等领域得到广泛应用，其能够有效解决复杂多变的传热学、光学、电磁学等问题，该软件的特征主要体现在以下几个方面：

针对多物理耦合问题是具有较强的功能性。该软件可根据不同情况的提供预设定的物理模式，使用者可针对不同物理场选择多种组合设定，构建符合研究目标的物理场耦合问题。（2）该软件拥有成熟理论基础，用户能根据研究需求设定各类参数，并通过多种操作提升性能，当软件中没有相应的参数，用户同样可通过自行设定偏微分方程的关系，明确其与各类方程间的关系。

（3）提拥有海量绘图工具。使用者可在软件中凭借多种绘图工具，根据试验需求构建各维度的几何模型，并根据实际使用需求导入Mesh、Cad等工具。

（4）软件本身存有大量优秀案例，使用者可通过案例分析为仿真模型的构建提供思路，也可根据相关案例学习和借鉴建模方法和逻辑。

使用Comsol软件进行仿真的基本流程如下：

明确问题的类型和定义，根据研究需求选择物理借口和求解方式。 根据研究需求选择二维或三维模型。对模型中的不同求解材料属性进行定义。 载荷和边界条件设定。 网格划分。 求解和后处理。模型优化和参数分析。

　　3.3 有限元模型的建立

电磁轨道炮在运行过程的轨道和电枢都必须保证耐磨性和导电性，本次研究过程中模拟轨道材料为铜，所有电磁材料均由铝制作而成，轨道材料见表3-1.该设备整体构造并不复杂，便于操作。

表3-1 电枢轨道材料特性

综合考虑电磁场和温度场之间的关联性，本次研究构建电磁轨道炮三维瞬态磁热耦合效应的模型逻辑为：构建电磁轨道炮的磁场和电场模型，并运用麦克斯韦方程求得其中的电流密度和磁场强度；以此为基础计算电流密度产生的焦耳热；并利用焦耳热作为温度场瞬态热主要的分析来源，还原温度场中产生的耦合作用，进而计算轨道温度的分布情况和大小。本次研究构建的模型属于静态模型，无须考虑电磁运行状态。

该模型构建的具体步骤如下：

首先需要通过建模软件中设定建模的空间维度，此处需要考虑物理接口和求解方式，为了确保求解的精确度，本次研究选取三维建模方式。建模需要涉及电流接口和物理接口、固体传热接口等。在此过程中，运用欧姆定律确定电流接口，便于后续对电磁轨道分布情况的计算；磁场接口需要用到麦克斯韦方程组，主要对磁场分布情况进行计算；并使用傅立叶定律计算固体传热接口。通常情况下，电磁发射往往呈现瞬态效果，电流会根据不同阶段出现变化，在此过程中温度场和电磁场同样发生不同程度的变化，正因如此，将这一阶段称为瞬态研究。

定义问题类型后，通过软件绘制几何模型，成型的三维模型如下图3-6所示。本次研究设定x轴为电枢运动的方向。同时在模型中必须确保电枢结构、轨道尺寸等物理参数的一致性，通常横截面以10cm×10cm即可，长度的达到80厘米，并设定电枢横截面长度为10厘米。此外，需要构架长方体空气域，其作用在于对磁场进行计算。

图3-1 电磁轨道发射系统基本模型

当几何模型绘制完毕后，开始设定各类求解区域的材料。本次研究设定轨道材料是铜、电枢材料是铝。上述两种材料的密度和导热系参数可在下表3-1得出。

表3-2

以上求解域材料属性设置完成之后需进一步进行载荷和边界条件的设定。 首先在软件全局定义中给定该模拟电磁轨道炮输入电压输入电流压波形呈梯形，如图3-2所示。电流先在0.1ms内升高至峰值，保持恒定0.25ms时间后开始下降，0.35ms时电流为零。整个过程0.35ms，其中运行了只计算了前0.3ms的模型，电流上升阶段持续时间0.1ms，下降阶段持续时间1 ms。

图3-2

在电流接口处可对脉冲电流做出定义，并将其作用于左侧位置的电磁轨道横截面。将右边区域的电磁轨道横截面设定为接地设计，当电流经过电枢时，可从右侧区域流出，从而构建完整度而定闭环回路状态。此外，两条轨道和电枢产生接触的界面地可定义为电接触。磁场和电场相互产生影响，并存在紧密关联性。因此需要增设外电流密度，在此基础上计算电流分布和大小.

本次仿真模拟将的接触压力设定为为1MPa，能确保初始阶段的轨道和电枢之间的接触效果符合预期。

定义初始条件，设置轨道和电枢初始温度为20℃（293.15K），初始磁感强度为0，初始磁矢量磁位为0。

定义边界条件，通常情况下，磁绝缘边界条件与电磁轨道和空气域边界的横截面要求相符，电绝缘边界条件更符合其他类型的边界条件，绝热边界条件通常与各类电枢表面、空气域、轨道兼容。设定载荷和边界条件后，开始划分模型的具体网格。该软件能够依据不同的物理场自动生成网络，也可根据使用需求手动设置，手动设置网络的优势在于使用者能够根据自身需求，确保网络设置的精确性，进而符合仿真模拟试验的预期目标。划分网格过程中，需要主要求解结果和时间对其产生较大影响，为了有效减小求解耗时长度，提升计算精确度，一般需要针对求解精度采用机密化处理，针对不做精度要求的区域可相对稀疏。本次研究建模的侧重点在于分析电磁轨道和电枢接触过程中场的分布情况，因此必须保证电枢的精确度。但受到设备运行时间过长的影响，本次研究中设定常规选项网络，最大限度保证模型的稳定运行，划分网格的具体结果如下图3-3所示。

图3-3

最后，设置求解器的相关物理参数和求解。求解器承担有限元分析中的重要作用，其作为有限元的核心部分，能够直接对瞬态求解时长产生影响。为了有效减小求解时间，在选择时间步长时通常设置为0.01 ms。当参数设置完毕后，开始进行计算，该软件能支持复杂且高效的计算需求，能够通过强大的后台处理能力快速计算结果。

3.4 有限元计算结果及分析

电流作为对焦耳热产生影响的关键因素，电流密度分布对焦耳热分布产生重要的影响，在研究和讨论轨道温度前，需要确定电磁场的计算结果。根据图3-4所示，设定恒定电流为0.18ms，并准确把控轨道和电枢接触过程中电流密度的分布。图中左边界对应电枢的尾 部方向，右边界对应电枢的头部方向，即三维模型中的x轴方向。

图3-4 轨道与电枢接触区域电流密度分布

从图中不难发现，电磁轨道炮的模型主要呈现上下对称结构，由此决定了轨道和电枢产生接触的电流同样处于均匀分布状态，而瞬态磁场会导致两者接触界面的电流开始聚集，并开始呈现四周扩散下降的趋势发展。受到计算电流深度有限的影响，与其他区域的棱边相比，电枢区域的电流通常集中在电枢尾部。本次研究建模时设定电枢处于静止状态，模拟结果显示电流通常聚焦在电枢与轨道接触的尾部区域，同时将电枢运行过程中的趋肤效应考虑其中，两者在接触过程中的电磁场往往没有足够时间扩散，就被电枢直接传导至尾部，因此该区域的电流聚集不断增加。

在电磁场的计算基础上得到了温度场的计算结果，图3-5为0.18ms时刻轨 道与电枢接触区域的温度分布图。

图3-5 轨道与电枢接触区域焦耳热引起的温度分布

根据图3-5，0.18ms时刻轨道的最高温度出现在与电枢接触区域的左上角位 置，为363 K，最低温度位于接触区域内部，为277 K，温度均没有达到轨道材料的熔点，不会对轨道表面造成烧蚀。

3.4.1 轨道横截面温度分布特性

图3-6表示电流处于恒定状态下的轨道横截面电流密度分布情况，通常情况下，左边界通常对应在轨道外侧区域，右边界通常对应在轨道内侧。

图3-6 轨道体电流密度分布

从计算结果来看，当速度达到1.5 ms时，其电流密度最大值将达到8.19×1010A/m2，其和轨道与电枢接触界面保持一致，电流同样以均匀对称分布，同时电流扩散区域主要集中在轨道内侧区域，并不断从内部向外部扩散，在此过程中电流不断减小。导致这种现象的主要原因在临近效应和趋肤效应的作用，后者指的是当设备运行状态下，轨道受到脉冲电流的影响，截面区域存在不均匀的电流分布，而电流往往聚焦在轨道表面的薄层区域，所谓邻近效应可以理解为当电流接触不同导体时，开始出现一定程度的反向流动，此阶段的电流主要集中在导体的邻近区域。本次研究构建的模型主要设定电枢为静止状态，因此无须考虑趋肤效应。电流分布模拟的实际结果和趋肤的深度2.58毫米区域相同。综合考虑轨道运行过程中电枢产生的趋肤效应，笔者认为当轨道和电枢产生接触时的趋肤深度通常保持在0.5-1.5毫米的区间。下图3-15显示了但速度达到0.18ms时，分布与轨道上的温度情况。此时横截面中的温度最高区域应当适当轨道与电枢接触的区域，其温度达到1.19×103K，而在所有区域中，温度最低的区域集中在轨道外侧，仅为232K。通过轨道横截面电流和温度不难发现，轨道与电枢接触时的电流密度分布和温度分布存在一致性，且始终保持上下对称的状态。存在差异的是，在相同时间范围内，温度扩散深度往往小于密度扩散，通常只聚集在轨道内侧区域，其扩散的不同反映了轨道温度与电流扩散存在紧密关联性，相对而言，温度扩散会存在一定程度的滞后。

图3-7 轨道体温度分布

3.4.2 轨道体温度分布特性

图3-8和3-9分别描述了0.03ms，0.08ms，0.12ms，0.18ms若干个时刻中轨道和电枢产生接触的温度分布情况。从中发现，当时间长度拉长，y轴区域的轨道温度不断均匀分布，其主要原因的在于电流扩散造成电流密度的持续分布，进而对焦耳热分布造成不同程度的影响。不过在x轴方向上，电枢胃部以及轨枢接触区域的温度依然很高，与轨道外侧的温度差距不断拉大。对比不同时刻的轨道温度，当时间刻度在0.2 ms到1.8 ms过程中，轨道温度会随着电流分布不断上升。

图3-8 不同时刻轨道与电枢接触区域温度分布

图3-9不同时刻轨道体温度分布

在轨道与电枢接触区域内选取了5个代表性的点研究轨道温度的时间变化 特性，但由于篇幅原因仅展示两幅点研究轨道温度的时间变化图。如图3-10所示。图中选取的两个点分别为点a，b，c，d，e。但是距离电枢尾部的距离不同，分别距离电枢尾部5mm，10mm，15mm，20mm，25mm。

图3-10 轨道温度随时间的变化

从图中发现，分布在轨道上不同区域的温度发生变化的时间保持一致，其整体呈现直线升高的趋势。当时间在0.15ms时，电流相对较小，此阶段的电枢运动处于初始速度，温度升高相对较慢。当时间达到0.15 ms后，电流上升达到最大值，且温度上升速度加快，呈现直线上升趋势。和焦耳热温度变化趋势保持一致。综合对比上述五个时间点的温度变化发现，处于电枢尾部区域的温度最高，其上升速度也远远快与其他区域，其他区域的温度差别较小，通常情况下，月靠近尾部区域的温度越高。

图3-11反映了轨道温度根据时间的推移发生变化的情况，在此过程中，发射共耗时1.8ms，此阶段的轨道温度直线上升，当时间达到1.7 ms，其温度开始呈现逐渐下滑趋势。主要原因在于电磁发射中由于轨道、电枢等设备的状态处于恒定状态，电阻值不发生任何变化，轨道区域的焦耳热通常和电流成正比关系。本次设计中并没有将摩擦热和趋肤效应纳入考量范围，因此在发射阶段的温度往往高于仿真模拟状态的温度。

　第四章结论和展望

4.1 结论

本次研究围绕电磁轨道炮发射阶段的运动特点展开的深入研究和分析，并明确发射阶段轨道温度上升受到三种热量的影响，在此基础上构建电磁发射温度场和电磁场变化的模型。并引入Comsol软件对相关数据参数进行分析和建模，综合有限元方法获求得电流密度和温度的分布情况，通常以轨道和电枢产生接触区域以及轨道横截面两个维度出发，综合分析轨道温度分布情况和时边特点；在此基础上对脉冲电流的具体变化展开多维度、深层次的分析和讨论。本次研究的主要成果如下：

应用解析方法对电枢运动过程中的特点和三种热量进行就上，并还原三种热量来源不同时变特征。研究侧重点集中在电流趋肤效应产生的影响。当电枢运动不断加强，轨道温度开始呈现非线性趋势变化，并在后期保持稳定状态。构建电磁轨道炮三维瞬态磁热耦合模型，由此总结轨道温度的分布情况和分布特性，通过模型研究发现，电流密度和温度分布大体保持一致，不过温度扩散存在一定滞后的现象。轨道横截面温度变化通常聚集在1~1.5 mm深度的区域。这项模拟可为后期关于轨道热度分布特征和大小的管理提供有价值的参考依据。获得轨道温度根据不同时刻变化的趋势；轨道温度往往随着电流扩散逐渐均匀。不同区域的温度呈现直线升高趋势，上升速度最快的区域是电枢尾部方向。此外，轨道温度最大值也呈现直线上升分布，并达到特定节点后快速下降，在此过程中，并不考虑摩擦热和趋肤效应造成的影响。从本次研究构建的模型来看，根据研究需求设计若干组电流大小、轨道材料、电枢材料、电流密度等材料受到不同时变的影响而出现温度的变化。

4.2 展望

（1）电磁发射过程复杂程度较高，在构建模型时，往往存在诸多干扰因素，极易造成仿真模拟效果存在误差。此外，受到多种条件因素的影响，没有综合对比优化和调整之后的发射状态，在后续的研究中需要从以下几个方面改进：

（2）由于本次研究处于起步阶段，受到诸多客观因素影响，本次构建仿真模型的结果仅对计算机计算和相关研究文献得出结论，缺乏真实客观的数据参考。后续的研究中应当加强数据获取的深度。

（3）本次研究针对电磁轨道炮热量来源的研究和分析，并在此基础上对轨道温度、温度分布区域分布情况的研究往往以单枢发射的情况出发。后续需要加对连续发射模式中得到温度变化和热量分布情况展开研究和分析。

（4）关于国内外电磁轨道热管理的研究凤毛麟角，多数研究依然停留在理论研究解毒丹，后续需要根据实际情况增加性价比、安全性、冷却情况等因素的，设计科学合理的轨道冷却系统对轨道进行热量分布管理。

参考文献

[1]李军,严萍,袁伟群. 电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J]. 高电压技术,2014,40(4):1052-1064. DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2014.04.014.

[2] 刘贵民,朱硕,闫涛,等. 电磁轨道炮膛内热效应研究综述[J]. 兵器装备工程学报,2017,38(7):15-19. DOI:10.11809/scbgxb2017.07.004.

[3]潘垣，刘宝华，黄河，等 . 串级补偿脉冲发电机：CN1063384 [P]. 1992-08-05

[4]马晓平,廖欣,陈兵. 电磁发射超高速制导炮弹国内外研究现状综述[J]. 空天防御,2023,4(2):87-92. DOI:10.3969/j.issn.2096-4641.2023.02.014

电磁轨道炮的试验研究

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月22日

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