發(fā)布時(shí)間：2020-07-15 15:48

【摘要】：電磁軌道炮通過(guò)高幅值脈沖電流產(chǎn)生的巨大電磁推力將彈丸加速到超高速,與傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)射技術(shù)相比有著明顯的優(yōu)越性,因而在軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景。軌道炮中固體電樞與導(dǎo)軌之間的大電流高速滑動(dòng)電接觸伴隨著摩擦磨損、燒蝕、振動(dòng)等復(fù)雜物理過(guò)程,超高速下導(dǎo)軌的刨削現(xiàn)象更是嚴(yán)重縮短了發(fā)射器的正常使用壽命,制約了電磁炮的工程化應(yīng)用。本論文圍繞電磁軌道炮中的樞軌結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與超高速刨削損傷這一科學(xué)問(wèn)題,從實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值模擬等方面開(kāi)展了研究工作。主要內(nèi)容如下:(1)建立了可拆卸式中口徑電磁軌道發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行了炮口初速2.0km/s以上的發(fā)射實(shí)驗(yàn)�；诎l(fā)射過(guò)程中的電、熱、力多場(chǎng)效應(yīng),考慮接觸界面燒蝕磨損、非線(xiàn)性電接觸以及氣動(dòng)阻力等因素,對(duì)電樞的動(dòng)態(tài)燒蝕磨損與內(nèi)彈道過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算,結(jié)合發(fā)射后導(dǎo)軌表面的殘留沉積鋁進(jìn)行了比較分析。對(duì)實(shí)驗(yàn)后導(dǎo)軌表面的刨削現(xiàn)象與特征進(jìn)行了分析總結(jié)。另外,從理論上對(duì)矩形口徑發(fā)射器電樞饋電位置的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了通用化的推導(dǎo)和分析。(2)將分布式運(yùn)動(dòng)電磁載荷作用下的導(dǎo)軌簡(jiǎn)化為懸臂支撐的Bernoulli-Euler梁模型,采用分離變量法求解振動(dòng)控制方程,通過(guò)模態(tài)疊加得到了時(shí)變電流驅(qū)動(dòng)下無(wú)阻尼和有阻尼時(shí)導(dǎo)軌的振動(dòng)解析解。分別計(jì)算分析了電樞勻速運(yùn)動(dòng)、典型電流驅(qū)動(dòng)下電樞變加速運(yùn)動(dòng)以及考慮阻尼作用時(shí)的樞軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,闡明了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的臨界速度效應(yīng)。通過(guò)三維動(dòng)力學(xué)有限元模擬,進(jìn)一步分析了一體化彈樞結(jié)構(gòu)在發(fā)射過(guò)程中的橫向過(guò)載和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征,初步探討了非均剛度支撐結(jié)構(gòu)改善導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的可行性。(3)基于電磁軌道炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和沖擊動(dòng)力學(xué)理論,通過(guò)顯式動(dòng)力學(xué)有限元法和物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算程序分別建立了軌道炮的刨削計(jì)算模型。對(duì)樞軌刨削的形成過(guò)程進(jìn)行了熱力耦合三維數(shù)值模擬,分析和描述了刨削形成的演化過(guò)程與物理機(jī)制。將軌道炮刨削的形成機(jī)制歸結(jié)為兩種:一種是由于導(dǎo)軌振動(dòng)以及電樞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的橫向擺動(dòng)導(dǎo)致電樞與導(dǎo)軌表面的小角度斜沖擊;另一種是由于導(dǎo)軌表面的不平整誘發(fā)的電樞與導(dǎo)軌之間的平行沖擊。(4)基于壓縮沖擊波理論與材料Hugoniot方程,并結(jié)合大量材料的刨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)將碰撞壓力與材料的平均硬度建立起統(tǒng)計(jì)量化關(guān)系,得到了預(yù)測(cè)刨削閾值速度的計(jì)算公式,可用于指導(dǎo)抗刨削的選材設(shè)計(jì)。分析表明:電樞和導(dǎo)軌選用沖擊阻抗小、表面硬度高的材料,可提高刨削發(fā)生的閾值速度�；谌S數(shù)值模擬,研究分析了速度、材料與結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素對(duì)刨削結(jié)果的影響。最后,實(shí)驗(yàn)研究了不同銅合金導(dǎo)軌覆層材料、不同的預(yù)緊狀態(tài)對(duì)刨削結(jié)果的影響,對(duì)軌道炮刨削的抑制方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證。本論文通過(guò)對(duì)電磁軌道炮樞軌之間的電接觸燒蝕摩擦磨損、一體化彈樞和導(dǎo)軌間的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及超高速刨削現(xiàn)象的研究分析,得到了一些有理論和工程應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論,對(duì)于電磁軌道炮壽命增強(qiáng)和工程化應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TJ866
【圖文】：

圖１．１電磁軌道炮示意圖逡逑目前在軍事應(yīng)用方面，電磁軌道炮是研究較多的一種電磁發(fā)射技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)原理與逡逑結(jié)構(gòu)方式較為簡(jiǎn)單。圖１．１是電磁軌道炮的一種實(shí)施例，其原理為：電樞置于導(dǎo)軌之間，逡逑并與導(dǎo)軌保持良好的電接觸，脈沖功率電源放電產(chǎn)生高幅值的脈沖電流，經(jīng)導(dǎo)軌－電樞－逡逑導(dǎo)軌形成閉合回路。載流電樞在高幅值脈沖電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)下受到巨大安培力，推動(dòng)逡逑發(fā)射載荷沿導(dǎo)軌方向向前運(yùn)動(dòng)。逡逑電磁軌道炮的電樞形式有多種，分為固體電樞、等離子體電樞、混合電樞等。等離逡逑１逡逑

美國(guó)在德克薩斯大學(xué)成立了高技術(shù)研究所，以協(xié)調(diào)全美４０多家單位的電逡逑磁炮研究工作。２０００年之后，美國(guó)海軍開(kāi)始著手研究用艦載電磁軌道炮執(zhí)行對(duì)岸和對(duì)海逡逑火力支援，目標(biāo)是研制出一種射程高達(dá)４００ｋｍ的武器，隨后美國(guó)海軍一直緊鑼密鼓地部逡逑署電磁軌道炮的上艦測(cè)試工作。２００２年，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部成立電磁武器辦公室，逡逑協(xié)調(diào)水面艦艇用電磁炮武器的技術(shù)研究。逡逑２００８年，美國(guó)海軍使用英國(guó)ＢＡＥ系統(tǒng)公司研制的３２ＭＪ電磁炮進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)１｜７１，逡逑該工程樣炮采用Ｄ型導(dǎo)軌，纖維纏繞身管，發(fā)射了邋３．３５ｋｇ的彈丸，炮口速度２．５ｋｍ／ｓ，逡逑彈丸炮口動(dòng)能１０Ｍ．Ｉ。２０１０年，美國(guó)海軍使用英國(guó)ＢＡＥ公司研制的９０ｍｍ電磁軌道炮逡逑樣機(jī)進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，彈丸質(zhì)量１０．４ｋｇ，炮口速度２．５ｋｍ／ｓ，彈丸炮口動(dòng)能３３ＭＪ。逡逑２０１５年１２月，美國(guó)海軍最新型驅(qū)逐艦“朱姆沃爾特”級(jí)（ＤＤＧ１０００）開(kāi)始海試，逡逑該型隱形戰(zhàn)艦設(shè)計(jì)可提供７８ＭＷ的綜合電力系統(tǒng)，具有給推進(jìn)系統(tǒng)、傳感器和武器系統(tǒng)逡逑供電的能力，被視為電磁炮、激光武器等新型高能武器的理想平臺(tái)。美國(guó)海軍計(jì)劃在２０１８逡逑年開(kāi)始在ＤＤＸ驅(qū)逐艦上裝備電磁炮，技術(shù)指標(biāo)為：電源能量２００ＭＬ炮管長(zhǎng)度１２ｍ，逡逑射速６？１２發(fā)／ｍｉｍ以２．５ｋｍ／ｓ發(fā)射２０ｋｇ彈丸，飛行質(zhì)量１５ｋｇ，最大射程３６０ｋｍ，采用逡逑末端制導(dǎo)，命中精度小于３ｍ。彈丸炮口動(dòng)能６３ＭＪ，命中目標(biāo)時(shí)的動(dòng)能為１７ＭＪ。逡逑

博士論文逡逑了自動(dòng)連發(fā)裝填，集裝箱式電源系統(tǒng)非常緊湊，發(fā)射過(guò)程中炮口焰、煙很小。這門(mén)炮在逡逑完成地面連發(fā)測(cè)試后，預(yù)計(jì)將裝備到聯(lián)合高速艦（ＪＨＳＶ）上進(jìn)行海上測(cè)試。圖１．２是美逡逑國(guó)海軍的電磁軌道炮工程樣機(jī)及研制的超高速?gòu)椡琛ｅ义厦劳ㄓ迷庸倦姶畔到y(tǒng)分部（ＧＡ－ＥＭＳ）研發(fā)了“閃電’’電磁軌道炮系統(tǒng)及超高速逡逑射彈，旨在發(fā)展一款多用途武器作戰(zhàn)系統(tǒng)�！伴W電”電磁軌道炮于２０１０年９月成功試逡逑射了空氣動(dòng)力學(xué)彈丸，炮口速度達(dá)到５馬赫。２０１５年６月，ＧＡ－ＥＭＳ完成了“閃電”電逡逑磁軌道炮的第１００次成功發(fā)射。２０１７年５月，ＧＡ－ＥＭＳ在美國(guó)陸軍杜格威試驗(yàn)場(chǎng)以３ＭＪ逡逑“閃電”電磁軌道炮為發(fā)射平臺(tái)，成功對(duì)加裝有增強(qiáng)型制導(dǎo)組件（ＧＥＵ）的超高速射彈逡逑進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)證明了該炮彈能夠在３００００ｇ的高過(guò)載和強(qiáng)電磁環(huán)境條件下正常發(fā)射，逡逑驗(yàn)證了彈載雙向數(shù)據(jù)鏈的能力，同時(shí)測(cè)試了炮彈的新型輕質(zhì)彈托。ＧＡ－ＥＭＳ計(jì)劃于２０１８逡逑年在１０ＭＪ邋“閃電”電磁軌道炮上進(jìn)行測(cè)試。逡逑法－德圣路易斯研究所（ＩＳＬ）對(duì)電磁軌道發(fā)射技術(shù)開(kāi)展了多年研究Ｉ％２＇成為電磁逡逑發(fā)射領(lǐng)域的重要研究力量。ＩＳＬ建設(shè)了邋１０ＭＪ電源系統(tǒng)，其４０ｍｍ邋口徑發(fā)射器可將ｌｋｇ逡逑彈丸加速到２ｋｍ／ｓ以上速度

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周偉;董揚(yáng)帆;閔冬冬;;美國(guó)電磁軌道炮技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)[J];現(xiàn)代軍事;2016年11期

2 杜傳通;雷彬;金龍文;向紅軍;孟學(xué)平;;電磁軌道炮電樞技術(shù)研究進(jìn)展[J];火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào);2017年02期

3 汪文俊;;兩大問(wèn)題阻礙電磁軌道炮的進(jìn)一步發(fā)展[J];防務(wù)視點(diǎn);2016年11期

4 侯亞銘;;電磁軌道炮 改寫(xiě)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的利器[J];艦載武器;2011年02期

5 王德;蘇鑫鑫;;電磁軌道炮及其關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J];飛航導(dǎo)彈;2010年07期

6 謝楊柳;馬萍;楊明;;電磁軌道炮外彈道建模與仿真研究[J];計(jì)算機(jī)仿真;2009年02期

7 曹延杰;吳戰(zhàn)勝;鄒本貴;;美軍電磁軌道炮的新進(jìn)展[J];現(xiàn)代軍事;2007年01期

8 周之奎,陳秋華;電磁軌道炮性能的數(shù)值模擬[J];高壓物理學(xué)報(bào);1989年04期

9 伍尚慧;;國(guó)外電磁軌道炮的發(fā)展現(xiàn)狀與作戰(zhàn)效能分析[J];軍事文摘;2018年21期

10 何勇;謝龍;宋盛義;王剛?cè)A;張毫;;電磁軌道炮的三維電熱力耦合數(shù)值模擬[J];海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào);2016年S1期

相關(guān)會(huì)議論文 前2條

1 賈強(qiáng);高躍飛;;電磁軌道炮后坐力計(jì)算[A];2011中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

2 朱嫣霞;王志軍;范君健;;電磁軌道炮膛內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境的數(shù)值仿真分析[A];OSEC首屆兵器工程大會(huì)論文集[C];2017年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 本報(bào)特約記者 章節(jié) 本報(bào)記者 劉揚(yáng);中國(guó)電磁軌道炮開(kāi)始量產(chǎn)？[N];環(huán)球時(shí)報(bào);2018年

2 魏云峰;美情報(bào)機(jī)構(gòu)緊盯中國(guó)電磁軌道炮[N];環(huán)球時(shí)報(bào);2019年

3 ;美計(jì)劃用電磁軌道炮在月球“開(kāi)礦”[N];環(huán)球時(shí)報(bào);2019年

4 海軍裝備研究院 劉奎 楊文韜;電磁軌道炮將對(duì)未來(lái)海戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響[N];中國(guó)青年報(bào);2015年

5 馬建光 張乃千;電磁軌道炮“秒殺新時(shí)代”開(kāi)創(chuàng)者[N];科技日?qǐng)?bào);2017年

6 朱梁文軒;電磁軌道炮：顛覆未來(lái)海戰(zhàn)模式？[N];中國(guó)海洋報(bào);2017年

7 趙戈;美海軍力推電磁軌道炮[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2014年

8 華凌;美海軍將測(cè)試電磁軌道炮原型發(fā)射器[N];科技日?qǐng)?bào);2012年

9 ;電磁軌道炮，改寫(xiě)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的利器[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2012年

10 本報(bào)特約撰稿 李杰;電磁軌道炮:離實(shí)戰(zhàn)還有多遠(yuǎn)?[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 張亞舟;脈沖功率開(kāi)關(guān)在電磁軌道炮電容儲(chǔ)能電源中的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究[D];南京理工大學(xué);2018年

2 吳金國(guó);電磁軌道炮樞軌結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與超高速刨削研究[D];南京理工大學(xué);2018年

3 樓宇濤;電磁軌道炮管身渦流的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];南京理工大學(xué);2017年

4 趙建波;非軸對(duì)稱(chēng)載荷下電磁軌道炮炮管的力學(xué)分析[D];燕山大學(xué);2012年

5 胡玉偉;電磁軌道炮仿真及性能優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 黃毓森;膛內(nèi)革命[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 王鵬飛;電磁軌道炮模擬負(fù)載設(shè)計(jì)[D];華中科技大學(xué);2016年

3 陳曉陽(yáng);增強(qiáng)型電磁軌道炮性能仿真與優(yōu)化研究[D];燕山大學(xué);2017年

4 謝楊柳;電磁軌道炮外彈道建模與仿真研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

5 齊東興;電磁軌道炮外彈道試驗(yàn)設(shè)計(jì)與靈敏度分析方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

6 吳鵬;增強(qiáng)型電磁軌道炮主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析[D];燕山大學(xué);2014年

7 賈強(qiáng);電磁軌道炮技術(shù)及應(yīng)用研究[D];中北大學(xué);2012年

8 任波濤;四軌電磁軌道炮概要設(shè)計(jì)與有限元分析[D];南京理工大學(xué);2011年

9 程誠(chéng);串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮內(nèi)彈道速度測(cè)量研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2012年

10 王巧琴;基于Bragg光柵電磁軌道炮應(yīng)變測(cè)試技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2756696