电磁轨道炮膛内热效应研究综述

刘贵民，朱 硕，闫 涛，杜林飞

(装甲兵工程学院 装备再制造工程系，北京 100072)



【装备理论与装备技术】

电磁轨道炮膛内热效应研究综述

刘贵民，朱 硕，闫 涛，杜林飞

(装甲兵工程学院 装备再制造工程系，北京 100072)

在电磁轨道炮的发射过程中产生大量热量，引起炮膛内部温度突变是导致导轨材料失效的重要原因，从轨道炮系统的温升来源和热的形式两个方面介绍了电磁轨道炮膛内热效应的研究现状，对电接触理论和轨枢界面焦耳热、摩擦热、电弧热等不同机制产生的热进行了分析和归纳。

电磁轨道炮；温升；热效应；耐高温

电磁轨道炮是一种新概念武器，它由两条平行的长直导轨和导轨间放置的电枢弹丸(电枢)等部件组成。通电时，强大的电流从一条导轨流入，经电枢从另一导轨流回，在两条导轨平面之间产生强磁场，通电流的电枢在安培力的作用下，会以很大的速度射出，其原理示意图如图1所示。相对其他常规武器(如导弹、火炮、火箭等)，具有弹丸飞行速度快、目标杀伤力强、火力投放量大、平台贮弹量多、作战使用灵活、战场生存力强等一系列优点，在各国受到了普遍重视[1]，美国海军更是把大尺寸电磁轨道炮作为未来舰载长程攻击武器的主要发展方向[2]。尽管各国研究人员对轨道复杂恶劣的工作环境有一定的研究[3-6]，但炮膛内部高温材料失效问题依然未能得到有效解决。

我国也开展了一系列电磁轨道炮方面的研究，并取得了阶段性的进展，但是轨道材料技术却始终没能得到有效解决，一直是制约电磁轨道炮的瓶颈技术之一[7]。

1 轨道炮系统温升来源

烧蚀问题一直是困扰轨道炮系统实战化的瓶颈之一。随着材料科学的进步，科研人员对导轨和电枢的烧烛问题提出了一系列解决措施，但距电磁轨道炮连续发射，仍有大量的工作有待进一步研究。在实战状态下，轨道炮身管的温度控制尤为重要，要求建立一个综合的散热及冷却系统。

图1 电磁炮原理示意图

轨道炮系统的热量主要来自轨枢载流产生的焦耳热、气动热、高速电接触摩擦热、电弧热等不同机制产生的热，炮膛内热效应对电枢发射产生的影响很大。2012年2月美海军进行电磁轨道炮发射试验，其发射动能达到32 MJ，其炮口喷出的剧烈火焰如图2所示，在很大程度上是由烧蚀引起的。在一次脉冲电流放电发射的过程中，电流所产生的热量所折合的能量约占系统能量的20%，同时研究还发现导轨热量的60%～80%集中在电枢内侧30%表面上。系统中的摩擦热不易测得，但可以借助一些公式计算，在低速段温升主要是由电流值决定，而摩擦热在高速段起主导作用[8]。

总体而言，轨道炮系统热量主要产生于焦耳热和摩擦热两方面。国内外科研工作者对轨道炮系统温升的研究主要集中于电枢，这是由于在发射过程中，轨道是摩擦副中的基体，随着电枢的滑动，未与电枢接触的轨道是没有通过电流并且温度较低的部分。因此，轨道具有一定的热扩散作用，而在发射过程中，电枢一直有大电流通过，并且始终与轨道存在摩擦，电枢几乎不存在散热功能[9]，因此，电枢的温度值直接反映了轨道炮炮膛内的温度。

图2 弹丸飞出炮口瞬间

在电枢与导轨高速滑动接触过程中，瞬时接触斑点会发生脱离，如果电流和电压超过一定范围，则在电枢与导轨接触表面间隙产生电弧[10]，若加载电流电压更大，则会使间隙气体电离，产生高温高导弧，瞬间产生电弧热，导致滑动电接触表面瞬态温度增大，烧蚀材料，造成接触不良。电弧的能量传导至接触表面，接触表面在电弧作用下的热过程遵守热力学基本定律，在电弧的加热下，接触表面的瞬态温度持续上升[11]。靳智等[12]指出，接触区域由于材料自身特性及加工的限制，接触面并不是完全接触，随着接触区域温度的不断增加，接触点出现转移，接触不稳定，引起拉弧[13]现象，进而对发射产生不利的影响。Persad C[14]研究发现，电枢的加速过程使得轨枢界面具有很高的压力和温度，界面高温使枢轨间发生化学反应。

2 轨枢界面焦耳热研究

电磁轨道炮采用MA安级的大电流型的脉冲电源，在发射过程中瞬态电流产生大量的热量，在电枢的超高速滑动中，这些热量使得电枢与导轨接触部位发生严重烧蚀甚至汽化[15]。轨道炮对电枢的加速在毫秒级内完成，其热生成速率远大于散热速率，近似看作绝热过程，可以忽略轨道炮系统与空气的热对流和对外界的热辐射[16]。对于电流产生的焦耳热，国内外学者开展了大量的研究，相应的建立了许多仿真模型。

20世纪80年代中期，Kerrisk等[17]对电磁轨道炮系统热分散问题进行研究。1989年，Nearing和Huerta[18]开始研究电流的“趋肤效应”对热效应造成的影响，Johnson和Bauer[19]考虑了温度对轨枢材料机械性能造成的影响。1994年Hsieh[20]研发了三维有限元软件EMAP3D，该软件可以耦合计算力场、热场和电磁场的相互作用，为模拟更加复杂的轨枢工作环境提供了条件。Kim等[21]建立了有限元模型，采用EMAP3D对轨枢界面的焦耳热进行了数值模拟，轨枢接触表面的温度分布模拟结果与发射试验结果相比具有良好的一致性。

相关学者对轨道炮系统焦耳热进行了仿真及实验研究。Lv等[22]研究发现，由于“趋肤效应”的影响，导致欧姆热局部密集而发生轨道烧蚀。巩飞等[23]建立了电磁轨道炮复杂工况下的电接触模型，对块状电枢及导轨的热效应进行耦合计算。计算结果表明：电枢高速滑动时，随着等效电阻层厚度的增加，接触表面的温度峰值增大。

陈立学等[24]采用ANSYS软件，通过改变轨道电阻率和高度，对块状电枢电流密度的分布进行了数值模拟，结果表明，电枢尾翼边沿电流密度集中。之后在方口径轨道炮上进行实验，图3为实验后回收的电枢。结果发现在发射起始阶段，因电流分布不均也会造成电枢边沿熔蚀。

李强等[25]在没有考虑导轨和电枢之间的摩擦损耗、电枢加速过程中的大气阻尼等不理想电接触因素前提下研究了电流波形的影响，结果发现铝合金电枢中的热损耗是991 J，该热量可使电枢表面温升至270 ℃，结论是电磁轨道炮单次发射时所产生的焦耳热不会导致导轨和电枢熔化。

图3 回收的电枢

李鹤等[26]在分析轨枢界面接触电阻的基础上，利用有限元软件对接触界面焦耳热进行模拟。试验中轨道炮电枢采用U形铝质材料，轨道为黄铜，输入电流等效为恒流350 kA，建立了3D模型探索焦耳热的温度场分布，图4为焦耳热引起的电枢前端边沿温度变化。结果显示，不同时刻，电枢上温度相差悬殊，而且焦耳热在毫秒级内使电枢达到高温。

图4 焦耳热引起的电枢前端边沿温度变化

3 轨枢界面载流摩擦热研究

轨道炮中的轨枢接触属于典型的载流摩擦磨损机制，高速滑动过程中接触界面瞬态高温会改变接触表面环境，烧蚀接触表面，加剧摩擦磨损[10]。在滑动电接触过程中，接触表面会产生不同程度的温升，特别是在大载流、超高速的情况下，滑动电接触表面温度迅速升高，瞬态高温不仅严重影响接触元器件的导电性能，而且对金属合金接触表面产生磨损腐蚀，导致耐磨损性能下降[27-29]。

近年来，研究学者对高速载流摩擦做了大量研究工作。戴利民等[30]将有限元模拟和实测温升相结合，系统研究了低电流下不同热源对滑板接触表面温升与摩擦性能的影响；郭凤仪等[31]对不同载流摩擦条件下的滑动电接触进行了分析，对滑动电接触过程中的最小温升进行了计算研究[32]，并研究弓网系统摩擦副，建立了温度场模型，进行滑动电接触温升模拟[33]；Dong等[34]建立了相应的钢铝复合轨/受电靴的温度场模型，对载流摩擦的电接触耦合温度进行了研究；夏胜国等[35]对大载流超高速滑动电接触进行了试验研究；Senouci等[36]和Bryant等[37]对滑动电接触过程的热量进行研究；Plesca[38]，Argibay和Sawyer[39]对大电流密度条件下的摩擦性能及电接触表面温度进行研究； Morita等[40]对不锈钢与钢环两种不同材料电刷的滑动接触特征进行了研究；Nituca[41]根据电动汽车电源建立了热模型，用来研究不同载流下电接触热行为；Rowe等[42]采用原位热测量法对滑动过程中的接触温度进行了测量，此方法适用于低速下滑动电接触。总结这些研究得出以下结论：载流摩擦磨损是一个电流与摩擦相互作用的复杂交互过程，其特性在很大程度上依赖于对磨件的材料成分、接触几何尺寸、接触表面温度、周围的环境和机器的实际情况参数；随着载流摩擦磨损机制的深入研究，研究人员考虑的影响因素也逐渐增多，例如:电流、载荷、速度、电弧、温度、润滑、试验环境等。

李鹤等[26]建立了电枢侧翼的等效2D模型，电枢的滑动速度设为匀速1 000 m/s，选取摩擦因数分别为0.05和0.1做了模拟计算。图5为摩擦热引起的电枢尾部节点温度变化示意图，由其中可以看出，摩擦因数越大，温度升高的速度越快，摩擦因数为0.1时，温度在0.22 ms时就达到了电枢熔点，而摩擦因数为0.05时，温度在0.35 ms时才达到电枢熔点。

图5 摩擦热引起的电枢尾部节点温度变化

靳智等[43]通过对U型电枢的仿真研究，发现系统中的摩擦热可以借助一些公式计算，在低速段温升主要是由于电流值决定，而摩擦热在高速段起主导作用；并对刨削进行仿真，发现将界面温升考虑在内的刨削情况要比常温下严重，材料的屈服强度也因温升的存在而降低且加剧了初始冲击后的塑性流动[44]。

雷彬等[45]建立了三维模型，选取摩擦因数分别为0.02和0.05做了仿真计算，随后进行了实验模拟，根据对界面温度分布的模拟结果，对电枢磨损和接触性能的热效应进行分析。结论是摩擦和大电流所产生的热量可使电枢表面膜熔化并使两端的电枢边缘损坏，图6为发射后的电枢。摩擦热增加了实际接触面积，减少了接触电阻，并对轨枢界面起到润滑作用，有利于高速电接触滑动。但摩擦后的摩擦蓄热对电枢有害，因为磨损会导致侵蚀，降低发射效率。对于单次发射，热对轨道影响不大，然而，循环热应力作用可降低轨道的疲劳寿命[41]。

图6 发射后的电枢

4 结束语

电磁轨道炮工作时内部的环境极其恶劣，材料的高温失效是制约电磁炮技术发展的一个瓶颈，严重影响使用寿命。导轨和电枢接触表面的热主要由三部分构成，接触电阻产生的焦耳热、高速滑动时产生的载流摩擦热、接触间断时电流产生的电弧热。研究其热效应可以为耐高温耐磨材料的研究提供理论依据。

随着电磁轨道炮的研究向工程化迈进，导轨高温失效带来的寿命问题将更加突出。作者的研究表明：高强度高导电率、耐磨损耐烧蚀及耐高温的长寿命轨枢材料和先进涂层是解决电磁轨道炮导轨失效问题的有效途径。同时，依据电磁效应对电流分布的影响，优化导轨和电枢结构设计也是必不可少的手段。热效应的研究为导轨材料研究和结构设计提供了必要的基础，但总体上，由于电磁炮膛内环境极其恶劣、复杂，无论是仿真模拟还是实验室内模拟发射，都很难得到准确、重复性强的数据和结论。因此，关于导轨热效应持续、深入的研究仍有待进行。

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(责任编辑 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

刘贵民(1971—)，男，教授，主要从事失效分析及金属基复合材料研究。

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：刘贵民，朱硕，闫涛，等.电磁轨道炮膛内热效应研究综述[J].兵器装备工程学报，2017(7):15-19.