劉貴民，朱 碩，閆 濤，杜林飛

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造工程系，北京 100072)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

電磁軌道炮膛內(nèi)熱效應(yīng)研究綜述

劉貴民，朱 碩，閆 濤，杜林飛

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造工程系，北京 100072)

在電磁軌道炮的發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，引起炮膛內(nèi)部溫度突變是導(dǎo)致導(dǎo)軌材料失效的重要原因，從軌道炮系統(tǒng)的溫升來(lái)源和熱的形式兩個(gè)方面介紹了電磁軌道炮膛內(nèi)熱效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)電接觸理論和軌樞界面焦耳熱、摩擦熱、電弧熱等不同機(jī)制產(chǎn)生的熱進(jìn)行了分析和歸納。

電磁軌道炮；溫升；熱效應(yīng)；耐高溫

電磁軌道炮是一種新概念武器，它由兩條平行的長(zhǎng)直導(dǎo)軌和導(dǎo)軌間放置的電樞彈丸(電樞)等部件組成。通電時(shí)，強(qiáng)大的電流從一條導(dǎo)軌流入，經(jīng)電樞從另一導(dǎo)軌流回，在兩條導(dǎo)軌平面之間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通電流的電樞在安培力的作用下，會(huì)以很大的速度射出，其原理示意圖如圖1所示。相對(duì)其他常規(guī)武器(如導(dǎo)彈、火炮、火箭等)，具有彈丸飛行速度快、目標(biāo)殺傷力強(qiáng)、火力投放量大、平臺(tái)貯彈量多、作戰(zhàn)使用靈活、戰(zhàn)場(chǎng)生存力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)受到了普遍重視[1]，美國(guó)海軍更是把大尺寸電磁軌道炮作為未來(lái)艦載長(zhǎng)程攻擊武器的主要發(fā)展方向[2]。盡管各國(guó)研究人員對(duì)軌道復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境有一定的研究[3-6]，但炮膛內(nèi)部高溫材料失效問(wèn)題依然未能得到有效解決。

我國(guó)也開展了一系列電磁軌道炮方面的研究，并取得了階段性的進(jìn)展，但是軌道材料技術(shù)卻始終沒(méi)能得到有效解決，一直是制約電磁軌道炮的瓶頸技術(shù)之一[7]。

1 軌道炮系統(tǒng)溫升來(lái)源

燒蝕問(wèn)題一直是困擾軌道炮系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化的瓶頸之一。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，科研人員對(duì)導(dǎo)軌和電樞的燒燭問(wèn)題提出了一系列解決措施，但距電磁軌道炮連續(xù)發(fā)射，仍有大量的工作有待進(jìn)一步研究。在實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)下，軌道炮身管的溫度控制尤為重要，要求建立一個(gè)綜合的散熱及冷卻系統(tǒng)。

圖1 電磁炮原理示意圖

軌道炮系統(tǒng)的熱量主要來(lái)自軌樞載流產(chǎn)生的焦耳熱、氣動(dòng)熱、高速電接觸摩擦熱、電弧熱等不同機(jī)制產(chǎn)生的熱，炮膛內(nèi)熱效應(yīng)對(duì)電樞發(fā)射產(chǎn)生的影響很大。2012年2月美海軍進(jìn)行電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)，其發(fā)射動(dòng)能達(dá)到32 MJ，其炮口噴出的劇烈火焰如圖2所示，在很大程度上是由燒蝕引起的。在一次脈沖電流放電發(fā)射的過(guò)程中，電流所產(chǎn)生的熱量所折合的能量約占系統(tǒng)能量的20%，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌熱量的60%～80%集中在電樞內(nèi)側(cè)30%表面上。系統(tǒng)中的摩擦熱不易測(cè)得，但可以借助一些公式計(jì)算，在低速段溫升主要是由電流值決定，而摩擦熱在高速段起主導(dǎo)作用[8]。

總體而言，軌道炮系統(tǒng)熱量主要產(chǎn)生于焦耳熱和摩擦熱兩方面。國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)軌道炮系統(tǒng)溫升的研究主要集中于電樞，這是由于在發(fā)射過(guò)程中，軌道是摩擦副中的基體，隨著電樞的滑動(dòng)，未與電樞接觸的軌道是沒(méi)有通過(guò)電流并且溫度較低的部分。因此，軌道具有一定的熱擴(kuò)散作用，而在發(fā)射過(guò)程中，電樞一直有大電流通過(guò)，并且始終與軌道存在摩擦，電樞幾乎不存在散熱功能[9]，因此，電樞的溫度值直接反映了軌道炮炮膛內(nèi)的溫度。

圖2 彈丸飛出炮口瞬間

在電樞與導(dǎo)軌高速滑動(dòng)接觸過(guò)程中，瞬時(shí)接觸斑點(diǎn)會(huì)發(fā)生脫離，如果電流和電壓超過(guò)一定范圍，則在電樞與導(dǎo)軌接觸表面間隙產(chǎn)生電弧[10]，若加載電流電壓更大，則會(huì)使間隙氣體電離，產(chǎn)生高溫高導(dǎo)弧，瞬間產(chǎn)生電弧熱，導(dǎo)致滑動(dòng)電接觸表面瞬態(tài)溫度增大，燒蝕材料，造成接觸不良。電弧的能量傳導(dǎo)至接觸表面，接觸表面在電弧作用下的熱過(guò)程遵守?zé)崃W(xué)基本定律，在電弧的加熱下，接觸表面的瞬態(tài)溫度持續(xù)上升[11]。靳智等[12]指出，接觸區(qū)域由于材料自身特性及加工的限制，接觸面并不是完全接觸，隨著接觸區(qū)域溫度的不斷增加，接觸點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，接觸不穩(wěn)定，引起拉弧[13]現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)發(fā)射產(chǎn)生不利的影響。Persad C[14]研究發(fā)現(xiàn)，電樞的加速過(guò)程使得軌樞界面具有很高的壓力和溫度，界面高溫使樞軌間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2 軌樞界面焦耳熱研究

電磁軌道炮采用MA安級(jí)的大電流型的脈沖電源，在發(fā)射過(guò)程中瞬態(tài)電流產(chǎn)生大量的熱量，在電樞的超高速滑動(dòng)中，這些熱量使得電樞與導(dǎo)軌接觸部位發(fā)生嚴(yán)重?zé)g甚至汽化[15]。軌道炮對(duì)電樞的加速在毫秒級(jí)內(nèi)完成，其熱生成速率遠(yuǎn)大于散熱速率，近似看作絕熱過(guò)程，可以忽略軌道炮系統(tǒng)與空氣的熱對(duì)流和對(duì)外界的熱輻射[16]。對(duì)于電流產(chǎn)生的焦耳熱，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，相應(yīng)的建立了許多仿真模型。

20世紀(jì)80年代中期，Kerrisk等[17]對(duì)電磁軌道炮系統(tǒng)熱分散問(wèn)題進(jìn)行研究。1989年，Nearing和Huerta[18]開始研究電流的“趨膚效應(yīng)”對(duì)熱效應(yīng)造成的影響，Johnson和Bauer[19]考慮了溫度對(duì)軌樞材料機(jī)械性能造成的影響。1994年Hsieh[20]研發(fā)了三維有限元軟件EMAP3D，該軟件可以耦合計(jì)算力場(chǎng)、熱場(chǎng)和電磁場(chǎng)的相互作用，為模擬更加復(fù)雜的軌樞工作環(huán)境提供了條件。Kim等[21]建立了有限元模型，采用EMAP3D對(duì)軌樞界面的焦耳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，軌樞接觸表面的溫度分布模擬結(jié)果與發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果相比具有良好的一致性。

相關(guān)學(xué)者對(duì)軌道炮系統(tǒng)焦耳熱進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。Lv等[22]研究發(fā)現(xiàn)，由于“趨膚效應(yīng)”的影響，導(dǎo)致歐姆熱局部密集而發(fā)生軌道燒蝕。鞏飛等[23]建立了電磁軌道炮復(fù)雜工況下的電接觸模型，對(duì)塊狀電樞及導(dǎo)軌的熱效應(yīng)進(jìn)行耦合計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：電樞高速滑動(dòng)時(shí)，隨著等效電阻層厚度的增加，接觸表面的溫度峰值增大。

陳立學(xué)等[24]采用ANSYS軟件，通過(guò)改變軌道電阻率和高度，對(duì)塊狀電樞電流密度的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，電樞尾翼邊沿電流密度集中。之后在方口徑軌道炮上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖3為實(shí)驗(yàn)后回收的電樞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)射起始階段，因電流分布不均也會(huì)造成電樞邊沿熔蝕。

李強(qiáng)等[25]在沒(méi)有考慮導(dǎo)軌和電樞之間的摩擦損耗、電樞加速過(guò)程中的大氣阻尼等不理想電接觸因素前提下研究了電流波形的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁合金電樞中的熱損耗是991 J，該熱量可使電樞表面溫升至270 ℃，結(jié)論是電磁軌道炮單次發(fā)射時(shí)所產(chǎn)生的焦耳熱不會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌和電樞熔化。

圖3 回收的電樞

李鶴等[26]在分析軌樞界面接觸電阻的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件對(duì)接觸界面焦耳熱進(jìn)行模擬。試驗(yàn)中軌道炮電樞采用U形鋁質(zhì)材料，軌道為黃銅，輸入電流等效為恒流350 kA，建立了3D模型探索焦耳熱的溫度場(chǎng)分布，圖4為焦耳熱引起的電樞前端邊沿溫度變化。結(jié)果顯示，不同時(shí)刻，電樞上溫度相差懸殊，而且焦耳熱在毫秒級(jí)內(nèi)使電樞達(dá)到高溫。

圖4 焦耳熱引起的電樞前端邊沿溫度變化

3 軌樞界面載流摩擦熱研究

軌道炮中的軌樞接觸屬于典型的載流摩擦磨損機(jī)制，高速滑動(dòng)過(guò)程中接觸界面瞬態(tài)高溫會(huì)改變接觸表面環(huán)境，燒蝕接觸表面，加劇摩擦磨損[10]。在滑動(dòng)電接觸過(guò)程中，接觸表面會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫升，特別是在大載流、超高速的情況下，滑動(dòng)電接觸表面溫度迅速升高，瞬態(tài)高溫不僅嚴(yán)重影響接觸元器件的導(dǎo)電性能，而且對(duì)金屬合金接觸表面產(chǎn)生磨損腐蝕，導(dǎo)致耐磨損性能下降[27-29]。

近年來(lái)，研究學(xué)者對(duì)高速載流摩擦做了大量研究工作。戴利民等[30]將有限元模擬和實(shí)測(cè)溫升相結(jié)合，系統(tǒng)研究了低電流下不同熱源對(duì)滑板接觸表面溫升與摩擦性能的影響；郭鳳儀等[31]對(duì)不同載流摩擦條件下的滑動(dòng)電接觸進(jìn)行了分析，對(duì)滑動(dòng)電接觸過(guò)程中的最小溫升進(jìn)行了計(jì)算研究[32]，并研究弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦副，建立了溫度場(chǎng)模型，進(jìn)行滑動(dòng)電接觸溫升模擬[33]；Dong等[34]建立了相應(yīng)的鋼鋁復(fù)合軌/受電靴的溫度場(chǎng)模型，對(duì)載流摩擦的電接觸耦合溫度進(jìn)行了研究；夏勝國(guó)等[35]對(duì)大載流超高速滑動(dòng)電接觸進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Senouci等[36]和Bryant等[37]對(duì)滑動(dòng)電接觸過(guò)程的熱量進(jìn)行研究；Plesca[38]，Argibay和Sawyer[39]對(duì)大電流密度條件下的摩擦性能及電接觸表面溫度進(jìn)行研究； Morita等[40]對(duì)不銹鋼與鋼環(huán)兩種不同材料電刷的滑動(dòng)接觸特征進(jìn)行了研究；Nituca[41]根據(jù)電動(dòng)汽車電源建立了熱模型，用來(lái)研究不同載流下電接觸熱行為；Rowe等[42]采用原位熱測(cè)量法對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中的接觸溫度進(jìn)行了測(cè)量，此方法適用于低速下滑動(dòng)電接觸。總結(jié)這些研究得出以下結(jié)論：載流摩擦磨損是一個(gè)電流與摩擦相互作用的復(fù)雜交互過(guò)程，其特性在很大程度上依賴于對(duì)磨件的材料成分、接觸幾何尺寸、接觸表面溫度、周圍的環(huán)境和機(jī)器的實(shí)際情況參數(shù)；隨著載流摩擦磨損機(jī)制的深入研究，研究人員考慮的影響因素也逐漸增多，例如:電流、載荷、速度、電弧、溫度、潤(rùn)滑、試驗(yàn)環(huán)境等。

李鶴等[26]建立了電樞側(cè)翼的等效2D模型，電樞的滑動(dòng)速度設(shè)為勻速1 000 m/s，選取摩擦因數(shù)分別為0.05和0.1做了模擬計(jì)算。圖5為摩擦熱引起的電樞尾部節(jié)點(diǎn)溫度變化示意圖，由其中可以看出，摩擦因數(shù)越大，溫度升高的速度越快，摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，溫度在0.22 ms時(shí)就達(dá)到了電樞熔點(diǎn)，而摩擦因數(shù)為0.05時(shí)，溫度在0.35 ms時(shí)才達(dá)到電樞熔點(diǎn)。

圖5 摩擦熱引起的電樞尾部節(jié)點(diǎn)溫度變化

靳智等[43]通過(guò)對(duì)U型電樞的仿真研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的摩擦熱可以借助一些公式計(jì)算，在低速段溫升主要是由于電流值決定，而摩擦熱在高速段起主導(dǎo)作用；并對(duì)刨削進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)將界面溫升考慮在內(nèi)的刨削情況要比常溫下嚴(yán)重，材料的屈服強(qiáng)度也因溫升的存在而降低且加劇了初始沖擊后的塑性流動(dòng)[44]。

雷彬等[45]建立了三維模型，選取摩擦因數(shù)分別為0.02和0.05做了仿真計(jì)算，隨后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，根據(jù)對(duì)界面溫度分布的模擬結(jié)果，對(duì)電樞磨損和接觸性能的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)論是摩擦和大電流所產(chǎn)生的熱量可使電樞表面膜熔化并使兩端的電樞邊緣損壞，圖6為發(fā)射后的電樞。摩擦熱增加了實(shí)際接觸面積，減少了接觸電阻，并對(duì)軌樞界面起到潤(rùn)滑作用，有利于高速電接觸滑動(dòng)。但摩擦后的摩擦蓄熱對(duì)電樞有害，因?yàn)槟p會(huì)導(dǎo)致侵蝕，降低發(fā)射效率。對(duì)于單次發(fā)射，熱對(duì)軌道影響不大，然而，循環(huán)熱應(yīng)力作用可降低軌道的疲勞壽命[41]。

圖6 發(fā)射后的電樞

4 結(jié)束語(yǔ)

電磁軌道炮工作時(shí)內(nèi)部的環(huán)境極其惡劣，材料的高溫失效是制約電磁炮技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，嚴(yán)重影響使用壽命。導(dǎo)軌和電樞接觸表面的熱主要由三部分構(gòu)成，接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱、高速滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的載流摩擦熱、接觸間斷時(shí)電流產(chǎn)生的電弧熱。研究其熱效應(yīng)可以為耐高溫耐磨材料的研究提供理論依據(jù)。

隨著電磁軌道炮的研究向工程化邁進(jìn)，導(dǎo)軌高溫失效帶來(lái)的壽命問(wèn)題將更加突出。作者的研究表明：高強(qiáng)度高導(dǎo)電率、耐磨損耐燒蝕及耐高溫的長(zhǎng)壽命軌樞材料和先進(jìn)涂層是解決電磁軌道炮導(dǎo)軌失效問(wèn)題的有效途徑。同時(shí)，依據(jù)電磁效應(yīng)對(duì)電流分布的影響，優(yōu)化導(dǎo)軌和電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是必不可少的手段。熱效應(yīng)的研究為導(dǎo)軌材料研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了必要的基礎(chǔ)，但總體上，由于電磁炮膛內(nèi)環(huán)境極其惡劣、復(fù)雜，無(wú)論是仿真模擬還是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬發(fā)射，都很難得到準(zhǔn)確、重復(fù)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)和結(jié)論。因此，關(guān)于導(dǎo)軌熱效應(yīng)持續(xù)、深入的研究仍有待進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Review of Research on Intrenal Thermal Effect
of Electromagnetism Rail Gun

LIU Guimin, ZHU Shuo, YAN Tao, DU Linfei

(Department of Equipment Remanufacturing Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In the electromagnetic rail gun firing process, it produces a lot of heat, and the heat caused to the sudden change in temperature is an important reason leading to the failure of rail materials. In this paper, the current research situation of the thermal effect in the orbital bore of the orbital gun is briefly introduced from the two aspects of the temperature rise source and the thermal form of the rail gun system. The thermal contact mechanism and the heat generated by Joule heat, frictional heat was analyzed and conclude.

electromagnetic railgun; temperature rise; thermal effect; high temperature resistance

10.11809/scbgxb2017.07.004

2017-03-14；

2017-04-10

劉貴民(1971—)，男，教授，主要從事失效分析及金屬基復(fù)合材料研究。

format:LIU Guimin, ZHU Shuo, YAN Tao, et al.Review of Research on Intrenal Thermal Effect of Electromagnetism Rail Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):15-19.

TJ012

A

2096-2304(2017)07-0015-05

本文引用格式：劉貴民，朱碩，閆濤，等.電磁軌道炮膛內(nèi)熱效應(yīng)研究綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):15-19.