- 頭條優化電磁軌道炮電流分布的新方法，提升彈丸發射性能2021-04-18 作者：阮景煇 陳立學 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電磁軌道炮電流分布特性與其發射性能密切相關，局部區域電流密度過大會導致電樞和軌道熔蝕磨損、界面熔化沉積、轉捩電弧等現象，嚴重影響電樞和彈丸的發射穩定性，造成軌道和內膛絕緣的損傷。脈沖功率技術教育部重點實驗室（華中科技大學）、強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）的研究人員阮景煇、陳立學、夏勝國、王增基、李立東，在2020年第21期《電工技術學報》上撰文，總結了國內外針對電磁軌道炮電流分布特性的相關研究和優化電流分布的若干措施，可為電磁軌道發射的工程應用提供技術支撐。
電磁軌道發射是一種采用電磁力將物體加速至超高速的新型發射技術。與傳統電接觸不同，電磁軌道發射工作處于一種極限滑動電接觸的狀態，具有工作時間短、電流幅值高、電流密度大、接觸壓強高、相對滑動速度快等特點。在這種極限工作條件下，電樞和軌道具有獨特的電流分布特性。
據了解，電磁軌道炮電流分布特性與其發射性能密切相關，電流在局部區域的集中可能導致電樞和軌道的熔蝕損傷，造成界面熔化沉積。同時，局部溫度過高導致電樞和軌道機械強度的下降，造成電樞和軌道失接觸，引發電樞振動、轉捩電弧等現象，嚴重影響電樞和彈丸的發射穩定性，造成軌道和內膛絕緣的損傷。電樞電磁力的縱向分量加速彈丸，其垂直分量提供電樞和軌道間接觸壓力，電流分布特性也決定了彈丸推力和樞軌接觸壓力的動態變化。
因此，電流分布特性關系著電樞和彈丸的發射穩定性、發射器內膛壽命等，優化電流分布特性對提升電磁發射的性能具有重要意義，而揭示電磁軌道發射中電流分布特性是開展電磁發射技術研究中非常重要的一環。
華中科技大學的研究人員分析了樞軌界面狀態、樞軌材料、樞軌結構、驅動電流對電流分布特性的影響規律，提出了馬鞍C形電樞在改善電流分布上的優勢，闡述了影響電流分布的三種物理效應——趨膚效應、臨近效應和速度趨膚效應，總結出了優化電流分布的若干措施，為電磁軌道發射的工程應用提供技術支撐。
研究人員認為，目前對于采用固體電樞的電磁軌道炮來說，優化電樞和軌道的結構設計是改善電流分布最有效的途徑。電樞喉部采取馬鞍設計能夠有效減小電樞中的電流密度峰值，提高電流分布的均勻性。但馬鞍電樞喉部的曲率半徑較小，喉部頂點的電流密度大，磁矩效應仍可能出現。
針對這一問題，他們在馬鞍C形弧面電樞的基礎上提出進一步的結構優化：增大馬鞍電樞喉部曲率半徑能夠有效緩解電樞喉部的電流集中現象。相比于馬鞍電樞，優化后得到的馬鞍圓弧電樞能夠為樞軌接觸面提供更好的初始接觸壓力和電接觸性能。
在固體電樞電磁軌道炮系統中，保持電樞軌道界面良好的電接觸至關重要。在電流位于上升沿的發射起始階段，往往可以發現電樞材料熔化沉積集中在軌道的外側，這表明該階段電流在電樞邊沿集中的特性。
研究表明，提高軌道電阻率或降低軌道高度能夠減小電樞尾翼邊沿的電流密度。為了提高軌道電阻率，可以采用內外分層的軌道結構；為了減小炮尾部分的軌道高度，可以考慮將軌道設計成鋸齒狀。
結合國內外對電流分布特性的研究現狀，目前電流分布的改善措施主要集中在樞軌結構設計和樞軌材料技術兩方面。其中，優化樞軌結構設計是最有效且廣泛使用的手段，樞軌材料技術目前尚不成熟，所開展的研究主要集中在電樞和軌道表面涂層的研制領域。
由于電磁場所輸出的電流和磁場分布是其他物理場的輸入和基礎，且各物理場之間高度耦合，那么在通過各種措施改善電流分布時應注意所帶來的不利附加效應，例如：
1）提高軌道電阻率在減小電樞尾翼邊沿電流密度的同時也增大了軌道上的電流損耗，焦耳熱的積累會導致軌道嚴重發熱甚至燒蝕。針對這一問題，應將軌道電阻率調整于合理范圍內，并采用耐燒蝕的軌道材料。
2）增強型軌道炮為彈丸所提供的更快出膛速度需要更長的軌道與之匹配，炮身的加長不利于電磁軌道炮的整體設計。同時，炮身內的強磁場可能干擾彈丸的制導裝置等器件的正常工作，對電子器件的可靠性提出更嚴苛要求。
3）延緩驅動電流的上升沿在提高樞軌電流分布均勻性的同時，將導致電樞啟動較慢并且在低速階段發生嚴重的電流熔蝕。
該研究團隊指出，在電磁發射的工程應用中，應綜合考慮系統可靠性、安全性、經濟性等因素。在滿足發射性能指標的條件下，應根據實際情況對樞軌結構、樞軌材料及其他發射參數進行調整，合理選擇電流分布的優化方案。
以上研究成果發布于2020年第21期《電工技術學報》，論文題目為“電磁軌道炮電流分布特性研究綜述”，作者為阮景輝、陳立學、夏勝國等。
