电磁轨道炮枢轨结构动力学与超高速刨削研究

发布时间：2020-07-15 15:48

【摘要】：电磁轨道炮通过高幅值脉冲电流产生的巨大电磁推力将弹丸加速到超高速,与传统的化学发射技术相比有着明显的优越性,因而在军事上有着广泛的应用前景。轨道炮中固体电枢与导轨之间的大电流高速滑动电接触伴随着摩擦磨损、烧蚀、振动等复杂物理过程,超高速下导轨的刨削现象更是严重缩短了发射器的正常使用寿命,制约了电磁炮的工程化应用。本论文围绕电磁轨道炮中的枢轨结构动力学与超高速刨削损伤这一科学问题,从实验、理论、数值模拟等方面开展了研究工作。主要内容如下:(1)建立了可拆卸式中口径电磁轨道发射实验装置,进行了炮口初速2.0km/s以上的发射实验。基于发射过程中的电、热、力多场效应,考虑接触界面烧蚀磨损、非线性电接触以及气动阻力等因素,对电枢的动态烧蚀磨损与内弹道过程进行了仿真计算,结合发射后导轨表面的残留沉积铝进行了比较分析。对实验后导轨表面的刨削现象与特征进行了分析总结。另外,从理论上对矩形口径发射器电枢馈电位置的优化问题进行了通用化的推导和分析。(2)将分布式运动电磁载荷作用下的导轨简化为悬臂支撑的Bernoulli-Euler梁模型,采用分离变量法求解振动控制方程,通过模态叠加得到了时变电流驱动下无阻尼和有阻尼时导轨的振动解析解。分别计算分析了电枢匀速运动、典型电流驱动下电枢变加速运动以及考虑阻尼作用时的枢轨动力学响应规律,阐明了动力学响应的临界速度效应。通过三维动力学有限元模拟,进一步分析了一体化弹枢结构在发射过程中的横向过载和动态响应特征,初步探讨了非均刚度支撑结构改善导轨动力学响应的可行性。(3)基于电磁轨道炮结构特点和冲击动力学理论,通过显式动力学有限元法和物质点法计算程序分别建立了轨道炮的刨削计算模型。对枢轨刨削的形成过程进行了热力耦合三维数值模拟,分析和描述了刨削形成的演化过程与物理机制。将轨道炮刨削的形成机制归结为两种:一种是由于导轨振动以及电枢运动过程中的横向摆动导致电枢与导轨表面的小角度斜冲击;另一种是由于导轨表面的不平整诱发的电枢与导轨之间的平行冲击。(4)基于压缩冲击波理论与材料Hugoniot方程,并结合大量材料的刨削实验数据,通过将碰撞压力与材料的平均硬度建立起统计量化关系,得到了预测刨削阈值速度的计算公式,可用于指导抗刨削的选材设计。分析表明:电枢和导轨选用冲击阻抗小、表面硬度高的材料,可提高刨削发生的阈值速度。基于三维数值模拟,研究分析了速度、材料与结构等关键因素对刨削结果的影响。最后,实验研究了不同铜合金导轨覆层材料、不同的预紧状态对刨削结果的影响,对轨道炮刨削的抑制方法进行了初步验证。本论文通过对电磁轨道炮枢轨之间的电接触烧蚀摩擦磨损、一体化弹枢和导轨间的动力学响应以及超高速刨削现象的研究分析,得到了一些有理论和工程应用价值的结论,对于电磁轨道炮寿命增强和工程化应用具有一定的实际意义。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ866
【图文】：

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图１．１电磁轨道炮示意图逡逑目前在军事应用方面，电磁轨道炮是研究较多的一种电磁发射技术，其实现原理与逡逑结构方式较为简单。图１．１是电磁轨道炮的一种实施例，其原理为：电枢置于导轨之间，逡逑并与导轨保持良好的电接触，脉冲功率电源放电产生高幅值的脉冲电流，经导轨－电枢－逡逑导轨形成闭合回路。载流电枢在高幅值脉冲电流产生的强磁场下受到巨大安培力，推动逡逑发射载荷沿导轨方向向前运动。逡逑电磁轨道炮的电枢形式有多种，分为固体电枢、等离子体电枢、混合电枢等。等离逡逑１逡逑

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美国在德克萨斯大学成立了高技术研究所，以协调全美４０多家单位的电逡逑磁炮研究工作。２０００年之后，美国海军开始着手研究用舰载电磁轨道炮执行对岸和对海逡逑火力支援，目标是研制出一种射程高达４００ｋｍ的武器，随后美国海军一直紧锣密鼓地部逡逑署电磁轨道炮的上舰测试工作。２００２年，美国海军海上系统司令部成立电磁武器办公室，逡逑协调水面舰艇用电磁炮武器的技术研究。逡逑２００８年，美国海军使用英国ＢＡＥ系统公司研制的３２ＭＪ电磁炮进行了发射试验１｜７１，逡逑该工程样炮采用Ｄ型导轨，纤维缠绕身管，发射了邋３．３５ｋｇ的弹丸，炮口速度２．５ｋｍ／ｓ，逡逑弹丸炮口动能１０Ｍ．Ｉ。２０１０年，美国海军使用英国ＢＡＥ公司研制的９０ｍｍ电磁轨道炮逡逑样机进行了发射试验，弹丸质量１０．４ｋｇ，炮口速度２．５ｋｍ／ｓ，弹丸炮口动能３３ＭＪ。逡逑２０１５年１２月，美国海军最新型驱逐舰“朱姆沃尔特”级（ＤＤＧ１０００）开始海试，逡逑该型隐形战舰设计可提供７８ＭＷ的综合电力系统，具有给推进系统、传感器和武器系统逡逑供电的能力，被视为电磁炮、激光武器等新型高能武器的理想平台。美国海军计划在２０１８逡逑年开始在ＤＤＸ驱逐舰上装备电磁炮，技术指标为：电源能量２００ＭＬ炮管长度１２ｍ，逡逑射速６？１２发／ｍｉｍ以２．５ｋｍ／ｓ发射２０ｋｇ弹丸，飞行质量１５ｋｇ，最大射程３６０ｋｍ，采用逡逑末端制导，命中精度小于３ｍ。弹丸炮口动能６３ＭＪ，命中目标时的动能为１７ＭＪ。逡逑

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博士论文逡逑了自动连发装填，集装箱式电源系统非常紧凑，发射过程中炮口焰、烟很小。这门炮在逡逑完成地面连发测试后，预计将装备到联合高速舰（ＪＨＳＶ）上进行海上测试。图１．２是美逡逑国海军的电磁轨道炮工程样机及研制的超高速弹丸。逡逑美通用原子公司电磁系统分部（ＧＡ－ＥＭＳ）研发了“闪电’’电磁轨道炮系统及超高速逡逑射弹，旨在发展一款多用途武器作战系统。“闪电”电磁轨道炮于２０１０年９月成功试逡逑射了空气动力学弹丸，炮口速度达到５马赫。２０１５年６月，ＧＡ－ＥＭＳ完成了“闪电”电逡逑磁轨道炮的第１００次成功发射。２０１７年５月，ＧＡ－ＥＭＳ在美国陆军杜格威试验场以３ＭＪ逡逑“闪电”电磁轨道炮为发射平台，成功对加装有增强型制导组件（ＧＥＵ）的超高速射弹逡逑进行了测试，试验证明了该炮弹能够在３００００ｇ的高过载和强电磁环境条件下正常发射，逡逑验证了弹载双向数据链的能力，同时测试了炮弹的新型轻质弹托。ＧＡ－ＥＭＳ计划于２０１８逡逑年在１０ＭＪ邋“闪电”电磁轨道炮上进行测试。逡逑法－德圣路易斯研究所（ＩＳＬ）对电磁轨道发射技术开展了多年研究Ｉ％２＇成为电磁逡逑发射领域的重要研究力量。ＩＳＬ建设了邋１０ＭＪ电源系统，其４０ｍｍ邋口径发射器可将ｌｋｇ逡逑弹丸加速到２ｋｍ／ｓ以上速度

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