小口徑軌道炮一體化C型電樞的結構設計

王歡 馬靜 陳沖

摘 ?要：通過對小口徑軌道炮電磁發射用電樞進行合理設計，設計了兩款一體化C型電樞。對兩款電樞分別進行了建模仿真，得到了初始裝配階段的接觸壓力分布云圖，通過對仿真結果的理論分析得出凹弧型電樞更加適合小口徑軌道炮的發射要求。

關鍵詞：電磁發射;C型電樞;過盈裝配;接觸壓力

中圖分類號：TJ866 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0035-03

Abstract： Through the reasonable design of the armature for electromagnetic launch of small caliber rail gun， two types of integrated C-type armature are designed. The two types of armature are modeled and simulated respectively， and the contact pressure distribution cloud diagram of the initial assembly stage is obtained. Through the theoretical analysis of the simulation results， it is concluded that the concave arc armature is more suitable for the launch requirements of small caliber rail gun.

Keywords： electromagnetic emission; C armature; interference assembly; contact pressure

引言

電磁發射技術作為一項可行性較強的未來武器技術引起了世界上許多軍事強國的關注。電樞是電磁軌道發射裝置的關鍵部件，它是將電源電能轉化為負載動能的直接作用裝置。樞軌電接觸轉捩和射向精度控制是小口徑電磁軌道炮的關鍵技術難點。發射試驗表明，小口徑電磁軌道炮在啟動階段以及高速階段都存在樞軌電接觸轉捩問題。轉捩電弧損傷軌道和內膛絕緣，降低發射效率。小口徑電磁軌道炮的電樞結構設計目標是通過電樞結構優化和材料優選消除樞軌電接觸轉捩、防止內膛絕緣失效。

1 一體化C型電樞基本結構設計

根據小口徑電磁軌道炮電樞的電磁特性、熱特性和力學特性設計目標，進行電樞基礎結構參數設計。

首先確定的C形電樞結構參數有：電樞口徑、轉角厚度、尾翼長度、尾翼端部厚度等，如圖1所示。然后進行接觸面結構、內側面結構和喉部結構參數設計。

電樞結構設計完成之后，對電樞的電磁、力學和熱學性能進行計算和評估，重復上述設計流程直到達到設計目標。

1.1 尾翼機械過盈設計

在確定C形電樞的基本結構參數的基礎上，開展尾翼接觸過盈結構的優化設計。通過計算不同過盈結構及其過盈量情形下接觸壓力分布、接觸面積、接觸位置的變化規律，分析電樞啟動階段電流分布特性，以及尾翼電磁接觸壓力分布特性，考察啟動階段轉捩發生的可能性，分析電樞接觸面電流熔蝕發生的位置及其熔蝕質量，綜合評估電樞接觸過盈結構性能。重復上述設計流程直到達到設計目標。

1.2 喉部結構設計

電樞喉部電流集中處容易產生熔化，在兩側尾翼向外張開時形成裂縫，在磁鋸效應作用下，裂縫急劇發展甚至造成電樞在橫檔處整體斷裂，如圖2所示。通常采用鞍形喉部結構改善喉部電流分布。鞍形結構一方面減小喉部曲率，同時還能減小喉部邊緣電流密度。利用電流作用積分計算可判斷喉部結構設計效果。

1.3 尾翼內側表面結構設計

尾翼的柔順性主要受材料的力學性能、橫截面形狀和截面積影響。尾翼接觸表面形狀和尺寸在軌道形狀確定以后就不能改變，因此只能通過優化尾翼內側面形狀的改變來調整尾翼的柔順性。尾翼內側面設計時需要同時兼顧尾翼的抗拉強度和柔順性。

2 小口徑電樞設計圖

電樞設計結構的三維圖如圖3、圖4所示。電樞材料為鋁合金。其中圖3是凹弧形接觸面電樞，內膛采用D形軌道;圖4是凸弧形接觸面電樞，適用于圓形內膛。

3 仿真計算

3.1 仿真模型

計算電樞裝配過程中接觸界面接觸壓力分布所采用的物理模型如圖5所示。計算中采用的軟件為ANSYS。

3.2 仿真結果

（1）凹弧電樞軌道過盈裝配壓力分布（如圖6）

從壓力分布云圖可以得到（如圖7），裝配單邊過盈量為1mm時，最大接觸壓力為7.87×107N/m2。接觸面中心接觸壓力最大，接近電樞尾翼邊沿時，接觸壓力逐漸變小。總接觸壓力為3397.4N，滿足1g/A定律要求。

（2）凸弧電樞軌道過盈裝配壓力分布（如圖8）

從壓力分布云圖可以得到（如圖9），裝配單邊過盈量為1mm時，最大接觸壓力為2.48×108N/m2。接觸壓力最大區域集中在電樞尾翼邊沿位置且靠近尾翼端部，總接觸壓力為4147.3N，滿足1g/A定律要求。

比較起來，凹弧形電樞在裝配后接觸界面接觸壓力分布較凸弧電樞更優。主要表現為兩個方面：一是接觸壓力分布均勻;二是接觸壓力主要分布在接觸面中心區域。前者可避免應力集中，應力集中有可能導致塑性變形主導的干摩擦機制發生，一方面損傷接觸材料，同時導致摩擦力增大，阻礙電樞的啟動;后者表明樞軌實際接觸區域在接觸面中央位置，有利于將電樞電流熔蝕產生的液化鋁控制在接觸面內，有利于潤滑和增大接觸面面積，同時防止了凸弧電樞情形下的液化鋁向內膛絕緣的噴射損傷。

在施加電流后，電樞尾翼上產生電磁接觸壓力，凹弧電樞與軌道之間的實際接觸面積會因之增大，有利于對接觸界面的磁擴散過程的控制，通過改變電流進入電樞的路徑來優化接觸面電流分布，減少電樞表面材料的電流熔蝕。

4 結論

（1）設計了兩款一體化C型電樞，適合口徑20mm以內的小口徑電磁軌道炮。

（2）兩種電樞尾翼的接觸過盈提供接觸壓力均大于

3kN，能有效消除啟動階段轉捩。

（3）凹弧形電樞在裝配后接觸界面接觸壓力分布以及電樞啟動階段接觸面電流分布均較凸弧電樞更優。有利于電流熔蝕現象的控制以及液化鋁橫向噴射的控制，起到保護絕緣以及提高絕緣壽命的作用。

參考文獻：

[1]王瑩，馬富學.新概念武器原理[M].北京：兵器工業出版社，1997：119-120.

[2]陳鐵寧，白春艷，張益男，等.電樞運動引起電磁發射軌道的動態響應[J].動力學與控制學報，2010，8（4）：360-364.

[3]肖錚，陳立學，夏勝國，等.電磁發射用一體化C形電樞的結構設計[J].高電壓技術，2010，36（7）：1809-1814.

[4]靳智，沈培輝，劉凱.電磁軌道炮固體電樞的運動特性分析[J].彈箭與制導學報，2014，34（1）：115-117.

[5]楊琳，聶建新，任明，等.移動電磁載荷作用下曲面軌道/電樞動力特性[J].高電壓技術，2014，40（4）：1091-1096.