优化电磁轨道炮电流分布的新举措！华中科技大学的科研人员发布研究成果

电磁轨道炮电流分布特性与其发射性能密切相关，局部区域电流密度过大会导致电枢和轨道熔蚀磨损、界面熔化沉积、转捩电弧等现象，严重影响电枢和弹丸的发射稳定性，造成轨道和内膛绝缘的损伤。

脉冲功率技术教育部重点实验室（华中科技大学）、强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）的研究人员阮景煇、陈立学、夏胜国、王增基、李立东，在2020年第21期《电工技术学报》上撰文，总结了国内外针对电磁轨道炮电流分布特性的相关研究和优化电流分布的若干措施，可为电磁轨道发射的工程应用提供技术支撑。

（图片来自网络）

电磁轨道发射是一种采用电磁力将物体加速至超高速的新型发射技术。与传统电接触不同，电磁轨道发射工作处于一种极限滑动电接触的状态，具有工作时间短、电流幅值高、电流密度大、接触压强高、相对滑动速度快等特点。在这种极限工作条件下，电枢和轨道具有独特的电流分布特性。

据了解，电磁轨道炮电流分布特性与其发射性能密切相关，电流在局部区域的集中可能导致电枢和轨道的熔蚀损伤，造成界面熔化沉积。同时，局部温度过高导致电枢和轨道机械强度的下降，造成电枢和轨道失接触，引发电枢振动、转捩电弧等现象，严重影响电枢和弹丸的发射稳定性，造成轨道和内膛绝缘的损伤。电枢电磁力的纵向分量加速弹丸，其垂直分量提供电枢和轨道间接触压力，电流分布特性也决定了弹丸推力和枢轨接触压力的动态变化。

因此，电流分布特性关系着电枢和弹丸的发射稳定性、发射器内膛寿命等，优化电流分布特性对提升电磁发射的性能具有重要意义，而揭示电磁轨道发射中电流分布特性是开展电磁发射技术研究中非常重要的一环。

华中科技大学的研究人员分析了枢轨界面状态、枢轨材料、枢轨结构、驱动电流对电流分布特性的影响规律，提出了马鞍C形电枢在改善电流分布上的优势，阐述了影响电流分布的三种物理效应——趋肤效应、临近效应和速度趋肤效应，总结出了优化电流分布的若干措施，为电磁轨道发射的工程应用提供技术支撑。

研究人员认为，目前对于采用固体电枢的电磁轨道炮来说，优化电枢和轨道的结构设计是改善电流分布最有效的途径。电枢喉部采取马鞍设计能够有效减小电枢中的电流密度峰值，提高电流分布的均匀性。但马鞍电枢喉部的曲率半径较小，喉部顶点的电流密度大，磁矩效应仍可能出现。

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针对这一问题，他们在马鞍C形弧面电枢的基础上提出进一步的结构优化：增大马鞍电枢喉部曲率半径能够有效缓解电枢喉部的电流集中现象。相比于马鞍电枢，优化后得到的马鞍圆弧电枢能够为枢轨接触面提供更好的初始接触压力和电接触性能。

在固体电枢电磁轨道炮系统中，保持电枢轨道界面良好的电接触至关重要。在电流位于上升沿的发射起始阶段，往往可以发现电枢材料熔化沉积集中在轨道的外侧，这表明该阶段电流在电枢边沿集中的特性。

研究表明，提高轨道电阻率或降低轨道高度能够减小电枢尾翼边沿的电流密度。为了提高轨道电阻率，可以采用内外分层的轨道结构；为了减小炮尾部分的轨道高度，可以考虑将轨道设计成锯齿状。

结合国内外对电流分布特性的研究现状，目前电流分布的改善措施主要集中在枢轨结构设计和枢轨材料技术两方面。其中，优化枢轨结构设计是最有效且广泛使用的手段，枢轨材料技术目前尚不成熟，所开展的研究主要集中在电枢和轨道表面涂层的研制领域。

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由于电磁场所输出的电流和磁场分布是其他物理场的输入和基础，且各物理场之间高度耦合，那么在通过各种措施改善电流分布时应注意所带来的不利附加效应，例如：

1）提高轨道电阻率在减小电枢尾翼边沿电流密度的同时也增大了轨道上的电流损耗，焦耳热的积累会导致轨道严重发热甚至烧蚀。针对这一问题，应将轨道电阻率调整于合理范围内，并采用耐烧蚀的轨道材料。

2）增强型轨道炮为弹丸所提供的更快出膛速度需要更长的轨道与之匹配，炮身的加长不利于电磁轨道炮的整体设计。同时，炮身内的强磁场可能干扰弹丸的制导装置等器件的正常工作，对电子器件的可靠性提出更严苛要求。

3）延缓驱动电流的上升沿在提高枢轨电流分布均匀性的同时，将导致电枢启动较慢并且在低速阶段发生严重的电流熔蚀。

该研究团队指出，在电磁发射的工程应用中，应综合考虑系统可靠性、安全性、经济性等因素。在满足发射性能指标的条件下，应根据实际情况对枢轨结构、枢轨材料及其他发射参数进行调整，合理选择电流分布的优化方案。

以上研究成果发布于2020年第21期《电工技术学报》，论文题目为“电磁轨道炮电流分布特性研究综述”，作者为阮景辉、陈立学、夏胜国等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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