电磁轨道发射装置绝缘问题的研究进展

赵伟康， 徐 蓉， 袁伟群， 严 萍

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190)



电磁轨道发射装置绝缘问题的研究进展

赵伟康1,2,3， 徐 蓉1,3， 袁伟群1,3， 严 萍1,3

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190)

电磁轨道发射装置中，绝缘部件承担着电气绝缘和支撑固定的作用，在重复发射实验中绝缘部件的破坏现象频发。在高重复频率连续发射时，绝缘性能的变化将直接影响发射系统的效率和寿命，是亟待解决的关键问题之一。本文通过回顾电磁轨道发射装置中绝缘问题的研究历程，介绍了绝缘研究现状和存在的问题，讨论了电磁发射中绝缘破坏的主要因素和影响，对其产生规律和失效机制进行了分析，并介绍了相关问题的改善方法。最后，归纳得到绝缘材料的评价标准，并展望了电磁轨道发射装置中绝缘问题的研究趋势。

电磁发射； 绝缘支撑结构； 金属沉积； 烧蚀； 失效机制

1 引言

电磁轨道发射装置是一种能将电磁能转化为机械能，并将物体加速至超高速度的新型发射装置，在国防领域和高速碰撞力学研究领域有着广阔的应用前景[1,2]。轨道两侧和上部的绝缘部件是电磁轨道发射装置中的重要组成部分，如图1所示，它起着电气绝缘和支撑固定的作用。但是重复发射过程中绝缘部件会受到严重损伤，需要频繁更换，成为限制重复发射安全性和装置寿命的关键因素。由于电磁发射过程中膛内情况非常复杂，影响绝缘部件性能的因素较多，虽然各国科研人员从材料和失效机制两方面都做了一定工作[3,4]，但是对其失效规律和机理了解得不够深入，这使得电磁轨道发射装置中的绝缘问题一直未能得到有效解决，制约了电磁发射技术的进一步发展和应用。本文介绍了电磁轨道发射装置中绝缘部件出现的主要问题以及相关研究进展，总结了绝缘材料的评价标准，并展望了电磁轨道发射装置中绝缘失效研究的趋势。

图1 典型轨道发射装置结构Fig.1 Typical structure of railgun launcher

2 绝缘问题的研究历史和现状

早期电磁轨道发射研究多为小能量单发试验，轨道之间绝缘部件受到的损伤较轻，这一阶段有关绝缘方面的研究较少。但是随着试验能量的增加以及重复发射试验的开展，暴露出的绝缘问题也越来越多，严重影响了发射装置的稳定性和安全性。从20世纪80年代起，国外有关电磁发射绝缘问题的研究工作开始增多。

20世纪80年代和90年代初期，在电磁发射装置研究中主要使用等离子体电枢和混合电枢，绝缘材料所面临的最大问题是电弧烧蚀，所以这一时期的研究重点以寻找和发展耐高温材料为主[3,4]。

1984年，G. A. Clark和A. G. Bedford使用玻璃纤维增强树脂作为绝缘材料，在多次发射试验后发现绝缘部件表面存在大量裂纹[5]。1986年，美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的R. B. Olsen等人设计了绝缘材料试验用等离子体电枢轨道发射平台，在相同试验条件下测试了环氧树脂G10、聚硅氧烷树脂G7、聚醚酰亚胺树脂、聚碳酸酯和三聚氰胺树脂G9/G5六种材料，发现两种三聚氰胺树脂的耐烧蚀性能明显优于其他材料[6]。

S. N. Rosenwasser和R. D. Stevenson通过小口径等离子体电枢轨道发射装置对有机高分子聚合物、纤维增强聚合物、无机玻璃复合物、工艺陶瓷、先进陶瓷等15种材料的消融、熔化、侵蚀、热冲击破裂性和电特性进行了测试，试验结果排除了未增韧有机聚合物、无机玻璃复合物和工艺陶瓷三类材料用作电磁发射绝缘材料的可能性[7]。

J. V. Parker指出对于等离子体电枢轨道发射装置，在绝缘材料的选择上不能过于追求材料的耐高温性能，一些像Lexan的低分子质量、低蒸发热的绝缘材料在实际发射装置中表现更好[8]。1991年，S. N. Rosenwasser在对先进陶瓷材料进一步研究后发现，复相和晶须增韧Al2O3和Si3N4基体陶瓷在试验中表现优异，是发射装置较为理想的绝缘材料[9]。1993年，Y. C. Thio等人在试验中发现，在发射过程中，电枢和绝缘部件交界处的空气不仅会对绝缘部件施加轴向压力，还会使其径向向内收缩，从而会在其内部形成剪切力[10]。1995年，美国空军实验室在可控试验条件下利用等离子体电枢轨道发射装置测试了四种不同绝缘材料的寿命，并用发射装置径向形变和质量损失作为衡量绝缘材料寿命的标准，发现绝缘材料最薄弱的地方为轨道和绝缘部件的接触位置[11]。

在对等离子体电枢轨道发射装置进行大量试验探索后，研究人员得出纯等离子体电枢应用前景有限的结论，J. V. Parker等人阐述了等离子体电枢的失效机制，研究重点开始转向固体电枢发射装置[8]。

1991年，R. J. Hayes等人在实验中发现一旦层压树脂材料各层之间结合得不够紧密，最外层(靠近膛内)材料就会受到冲击力和剪切力而剥落，剥落处又会成为绝缘部件表面的“弱点”，在随后的发射过程中不断扩大[12]。1997年，S. C. Kerwien在对AD-96陶瓷绝缘材料的试验研究中通过观察陶瓷断裂处形态并结合发射装置身管设计，推测绝缘部件和轨道相接触的地方是发射过程中的断裂源，并在材料表面的裂纹内部发现了熔融铝的存在，这表明裂纹是在发射过程中产生的[13]。G. A. Shvetsov等人利用有限元软件计算了发射装置中绝缘部件的力学性能，发现结构的固有频率会对发射过程中绝缘部件的力学性能产生很大影响[14]。

A. Zielinski等人通过试验发现电枢和轨道接触位置发生的熔融铝喷射是内膛绝缘材料受到金属污染和基体损伤的主要形式之一，并且通过在电枢尾翼侧面制作不同形状的凹槽改变了熔融喷射的初始位置，最后结合试验和仿真结果得出熔融喷射和电枢前端峰值电流密度相关的结论[15]。P. Lehmann等人在分析发射装置身管材料时指出陶瓷表面金属易沉积有两个原因：陶瓷导热性能好和表面比较粗糙[16]。2011年，K. M. Chakravarthy等人用透明聚碳酸酯材料对一个电磁发射装置进行改造，利用高速摄像机拍摄了整个发射过程，发现从电枢起始位置开始便有金属蒸汽和液滴产生，当发生微转捩和转捩时产生量会急剧增加，并伴有等离子体电弧产生的亮光，如图2所示[17]。

图2 发射过程膛内状况Fig.2 Images of bore condition

在国内，中国科学院电工研究所也开展了固体电枢电磁发射装置绝缘失效机理的相关研究工作。李丹等人通过仿真分析了轨道焦耳热及电磁力对绝缘部件的影响，发现轨道所产生的热效应和冲击力对绝缘支撑结构的影响较小[18]。在重复发射实验中，通过SEM与EDS比对绝缘部件不同位置处金属沉积的微观形貌和能谱，发现沿身管方向不同区域的金属沉积物晶粒尺寸各不相同，推测与膛内各区域的温度差异相关。宏观上绝缘部件表面的金属污染和烧蚀损伤分布具有一定规律，身管尾部(电枢起始位置)烧蚀损伤比较严重，金属沉积量最少；身管中部烧蚀损伤最轻，金属沉积量最多；膛口区域烧蚀损伤最严重，金属沉积量较少[19]。这种规律性的损伤分布可以为绝缘支撑部件的选择和设计提供一定依据。

虽然固体电枢的使用在很大程度上减轻了等离子体电枢所带来的电弧烧蚀和热冲击损伤，但并未从根本上消除这些问题，而且还带来了金属污染这一新的绝缘问题。膛内绝缘部件表面会在发射过程中粘附大量金属液滴和蒸汽(如图3所示)，造成绝缘性能严重下降，进而影响系统的发射效率和安全性。金属污染也成为固体电枢轨道发射装置绝缘设计中亟需解决的关键问题。

图3 G-10绝缘部件表面金属沉积形貌Fig.3 Metal deposition morphology of G-10 surface

3 主要绝缘问题及其相关机制

目前电磁轨道发射装置中的绝缘部件主要采用纤维增强热固性树脂和先进结构陶瓷材料，包括玻璃纤维增强环氧树脂G-10、玻璃纤维增强三聚氰胺树脂G-9、高纯度Al2O3陶瓷以及纤维增韧Si3N4陶瓷等。其中G-10因其价格便宜、容易加工的特点非常适合实验研究使用，尤其是小口径、低能量轨道发射装置中主要使用G-10作为绝缘材料。相较于树脂材料，陶瓷的耐高温性能比较优异，可以很大程度上减轻烧蚀损伤，但是由于陶瓷为脆性材料，抗断裂能力较差，使得其在发射过程中容易发生断裂，无法保证绝缘部件的完整性。经过大量的试验研究和数据积累发现，可以将绝缘部件面临的主要问题归纳为三个方面：烧蚀损伤、金属污染以及裂纹、断裂和剥落损伤。

3.1 烧蚀损伤

烧蚀损伤主要是指绝缘部件表面发生碳化和消融破坏，造成介电性能下降并破坏绝缘部件表面平整性。

对于等离子体电枢轨道发射装置，高温导致的树脂基体烧蚀是聚合物绝缘材料破坏的主要原因，即使耐高温性能非常好的陶瓷材料也无法避免烧蚀损伤。并且经过大量试验研究，发现电枢起始位置处的绝缘部件表面受到的烧蚀损伤最严重，多次发射后便需要更换新的绝缘部件，极大地缩短了发射系统的整体寿命。

1986年，R. F. Askew等人首次提出使用绝缘材料质量损失来描述烧蚀损伤状况，并且通过试验测得Lexan的值为16.25g/MJ[20]。S. N. Rosenwasserh和J. V. Parker等人通过多次试验计算出多种材料的烧蚀阈值(如表1所示)，可以作为选择材料的一定依据[7,8]。K. B. Nornoo等人在进行绝缘部件烧蚀测量时发现可以通过自由电弧速度的变化来确定绝缘材料的烧蚀阈值和烧蚀速率。在进一步的试验中，研究人员发现一些耐高温性能差的材料在发射过程中受到的烧蚀损伤反而较轻[21]。Dennis Keefer等人在辐射传输模型上利用光谱分析法对这一现象进行了一定分析研究，指出等离子体电枢对侧壁绝缘材料烧蚀产生的脱离产物会在绝缘部件表面形成一个低温层，这个低温层可以减少绝缘部件表面所受到的热辐射，从而减轻绝缘部件表面的烧蚀损伤[22]。在此之后有部分研究人员尝试使用分子质量小、蒸发热低的材料作为绝缘部件，并取得了比较好的效果[23]。

对于固体电枢轨道发射装置，虽然膛内温度(<1000K)远小于等离子体电枢轨道发射装置，但仍高于常用聚合物材料的短时耐受温度，并且发射过程中电枢发生转捩时会产生高温等离子体，这都会对绝缘材料表面造成烧蚀损伤。通过比对多次发射试验后绝缘部件表面损伤状态，发现树脂基体表面的消融破坏是逐层分步进行的[24]，也即在上一层树脂(靠近发射装置内膛)完全破坏之前，下一层树脂不会破坏，这也和树脂的自身结构(多层叠压)相关。一些研究人员利用此规律通过在树脂表面(靠近内膛侧)喷涂耐高温性能好的陶瓷粉末减轻树脂材料所受到的烧蚀损伤，在发射实验中取得了比较好的效果[25]。

表1 常用材料烧蚀阈值Tab.1 Ablation thresholds of common materials

由于发射过程中膛内温度分布不均匀，使得烧蚀损伤沿发射装置身管分布具有一定差异性，电枢起始位置绝缘材料表面受到的损伤最严重。图4为同一轨道发射装置30次发射试验后绝缘部件(G-10)不同位置表面烧蚀损伤状况[19]，从上到下依次为电枢起始位置、身管中部和电枢出膛位置绝缘材料烧蚀损伤状况。可以看出，电枢出膛位置绝缘材料表面的损伤程度远远高于身管中部和电枢起始位置，并且电枢出膛位置绝缘部件表面还存在树脂基体消融现象，从试验过程在电枢出膛位置所观察到的亮光推测可能是电枢出膛时其尾部产生的高温等离子体电弧造成的。

图4 绝缘部件不同位置烧蚀损伤状况Fig.4 Ablation damage of different locations on insulations

3.2 金属污染

金属污染是指发射过程中电枢在轨道上高速滑动产生的摩擦热和脉冲电流产生的焦耳热使部分电枢熔融或汽化产生金属液滴和蒸汽粘附在绝缘材料表面的现象，这会严重降低材料表面的绝缘性能。

对于等离子体电枢轨道发射装置，并没有明显的金属污染现象，只在部分文献中提及通过显微镜观察到绝缘部件表面有少许铜沉积，这是由轨道在高温电弧经过时熔融或汽化产生铜液滴和蒸汽沉积在绝缘材料表面形成的。

对于固体电枢轨道发射装置，由于铝在载流能力和加工设计方面的优势使得其成为固体电枢的主要材质。但是铝的熔点和沸点较低，在电枢热量集中部位会发生熔融和汽化，产生的部分铝液滴和铝蒸汽会附着在绝缘部件表面。通过观察电枢表面融化状况和绝缘部件表面金属的分布状况，推测金属液滴和蒸汽主要产生于电枢和轨道的接触位置。并且当接触位置的熔融铝在发射过程中受到巨大的挤压力时，还会发生喷射现象[26]。这一现象也可通过观察轨道表面铝沉积形貌得以证实，如图5所示，轨道表面沉积铝有明显喷射痕迹。高速(>300m/s)喷射的熔融铝会对绝缘部件表面造成严重的冲刷损伤，侵蚀材料基体，降低绝缘部件的机械性能。当绝缘部件表面金属沉积到一定量时就可能成为导体，使两侧轨道短路，失去绝缘功能。

图5 轨道表面铝沉积形貌Fig.5 Aluminum deposition morphology on rails

R. A. Marshall等人在进行准流体电枢(固体电枢的一种)试验时观察到有熔融铝从轨道发射装置顶部观察窗的孔中喷出[1]。2011年，D. A. Wetz等人使用同一方法，利用高速摄像机成功观测到熔融铝喷射的过程，如图6所示。并计算出喷射速度，经过分析得到影响熔融铝喷射的三个主要因素：电枢与轨道接触面的挤压力、磁动力以及流体的不稳定性。根据IAT(Institute for Advanced Technology)的相关研究，只在矩形孔径轨道发射装置中发现了熔融铝喷射现象，还未在圆形孔径轨道发射装置中发现此现象[26]。由于电枢的运动速度远超声速，且整个发射装置处于强磁场中，金属蒸汽和液滴的运动过程比较复杂，相关仿真工作也难以进行，直到目前还未有合适的理论可以解释这种差异形成的原因。

图6 熔融铝喷射过程Fig.6 Injection process of molten aluminum

3.3 裂纹、断裂和剥落损伤

电磁发射过程中电枢相对轨道的运动速度非常快，可以达到几千米每秒，这个过程会产生巨大的机械冲击力，绝缘部件和轨道以及身管之间会相互挤压、碰撞，这会在绝缘部件上产生一个轴向的弯曲应力，当局部应力超过材料的强度时，就会产生裂纹或断裂。除此之外，发射前后膛内极大的温差也会对绝缘材料造成强烈的热冲击，使材料内部出现温度梯度和热应力，当热应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂纹，严重时会发生基体剥落[27]。而在重复发射试验中，在热冲击的循环作用下，陶瓷等脆性和低延性材料可能发生断裂[28]。即使是增韧高分子聚合物材料，表面所产生的微裂纹在重复发射试验中也会不断扩展直至绝缘失效。

裂纹、断裂和剥落损伤都会削弱绝缘部件的介电性能和机械性能。除了材料自身性能影响裂纹、剥落和断裂的产生以外，还有一些因素同样会造成裂纹和断裂损伤。M. J. John和P. B. David通过有限元分析证实了绝缘部件需要在安装过程中施加足够的预紧力，以防止在重复发射试验中受到破坏[29]。P. Lehmann等人在研究不同发射装置身管结构时发现对于玻璃纤维缠绕身管，由于身管无法在发射过程承载电枢运动产生的巨大排斥力，产生了明显的径向扩张，使得膛内树脂绝缘材料产生了大范围的开裂损伤，如图7所示[16]。D. A. Wetz等人在进行发射试验时，一侧的氧化铝陶瓷材料由于在轨道发射装置安装过程中所加预紧力不足在发射过程中直接碎裂，如图8所示[30]。

图7 G-10表面产生的裂缝Fig.7 Cracks on G-10 surface

图8 碎裂的Al2O3陶瓷绝缘部件Fig.8 Broken Al2O3 ceramic part

绝缘部件并不是一个单独的个体，在选取和安装绝缘部件时要充分考虑发射装置的整体性能。并且材料的加工制造工艺很多，在实验研究中采用不同加工制造工艺的相同材料所表现的力学性能相差很大[7,31]，所以不仅要选取合适的材料，还要选择合适的加工制造工艺。

4 绝缘问题改善方法的研究

虽然目前还未能从根本上解决绝缘部件所面临的问题，但是经过大量试验研究，针对每种绝缘问题都有相关改善方法。

4.1 烧蚀损伤改善方法

对于等离子体电枢轨道发射装置，由于电枢起始位置烧蚀损伤最严重，研究人员采用等离子体预注入方式减轻电枢起始位置的损伤状况，并且采用陶瓷材料提高绝缘部件自身的抗烧蚀能力[32]，或者利用蒸汽保护层机制选取一些低分子质量和低蒸发热的增韧高分子材料作为绝缘部件。J. G. Gilligan等人在研究蒸汽保护层机制时，发现膛内温度越高，蒸汽保护层的保护效果越好，并尝试利用外加磁场控制通过蒸汽保护层的热通量，取得了不错的效果，但是由于外加磁场会对产生电枢推动力的主磁场造成影响，所以这种方法无法应用于实际工程中[33]；F. Stefani等人在HART增强型轨道发射装置上使用Al2O3陶瓷作为绝缘材料进行实验，实现了在电枢速度达到4km/s时不发生烧蚀损伤，证明了增强轨道可以在一定程度上减少等离子体电枢的功率，也即可以减轻其对绝缘部件的烧蚀损伤[34]。

对于固体电枢轨道发射装置，由于膛内绝缘材料剥落量远小于等离子体电枢轨道发射装置，使得在固体电枢发射装置的绝缘部件表面无法形成蒸汽保护层，所以一般选择陶瓷等耐高温材料来减轻烧蚀损伤，但是针对发射装置膛口处的严重烧蚀目前还未有较好的解决方法。

4.2 金属污染改善方法

由于膛内情况非常复杂，针对金属污染作用机制的研究较少，目前主要采用的方法为定期清理绝缘材料表面[16]。在不拆解轨道发射装置时一般采用金属研磨棒研磨内膛表面，但是这种方法容易在绝缘部件表面造成凹槽；另一种方法是将绝缘部件从发射装置身管结构中拆解下来用化学试剂对其表面清洗，但是清洗剂一般都具有腐蚀性，可能会对基体材料造成一定损伤。如果发射装置身管为一体式结构，无法进行拆解安装时，只能采用研磨棒伸入发射装置膛内清洁。

除了发射间隙清理绝缘材料表面以外，另一种思路就是通过提高材料的抗金属污染能力从根本上减轻污染损伤，刘存兄等人使用串列加速器在聚酯膜上产生核孔，提高了材料的抗金属污染性能[35]，但是这种方法目前只能用于处理小面积、超薄材料，无法应用于实际轨道发射装置的绝缘材料。目前关于绝缘材料表面抗金属污染的研究较少，还未有符合实际工程应用的方法。

4.3 裂纹、断裂和剥落损伤改善方法

裂纹、断裂和剥落损伤产生的原因很多，除了和材料自身性质有关以外，还会受到其他因素影响，目前主要有以下三种改善方法：

(1)采用合适的增韧措施提高材料的抗断裂能力。陶瓷材料增韧措施主要有纤维增韧、晶须增韧、相变增韧等[36]；树脂高分子材料的增韧措施有纤维增韧和层间增韧[37]。对于G-10等树脂材料，玻璃纤维增韧是目前应用最广、技术最成熟的方法。国内外对于先进结构陶瓷及其复合材料的研究很多，发展了许多高性能陶瓷材料[9]。

(2)采用合适的加工工艺。试验研究表明，不同加工工艺对材料的机械性能影响较大，例如相同发射试验中热压成型的Si3N4陶瓷表面的裂纹数量和深度明显小于烧结成型的Si3N4陶瓷[7]。

(3)安装过程中施加足够的预紧力。只有施加足够的预紧力才可以减小发射过程中绝缘材料和轨道以及发射装置身管之间的挤压程度，从而减少断裂和裂纹产生的可能性，一些研究机构采用多层结构配合以保证可以获得足够的预紧力[16，32]，在一定程度上改善了损伤状况。

5 绝缘材料的评价标准

通过总结目前轨道发射装置绝缘材料的相关研究工作，针对发射过程中出现的主要绝缘问题，并结合当前已公开的文献资料，可以将绝缘材料的评价标准归纳为四个方面：抗烧蚀能力、抗断裂能力、抗热冲击能力和绝缘性能。前三种评价标准分别对应绝缘部件所受到的烧蚀损伤以及裂纹和断裂损伤，由于目前绝缘材料并没有抗金属污染能力这一项指标，而且金属污染造成的最大危害就是影响材料的电气特性，所以可以用绝缘性能表示。

(1) 抗烧蚀能力

绝缘部件受到烧蚀损伤后会发生碳化或者消融，这都会引起质量损失，所以在等离子体电枢轨道发射装置研究阶段常用每兆焦输入能量损失的质量(g/MJ)衡量材料的抗烧蚀能力，表2为常用材料的数据[3]。相较于烧蚀阈值，绝缘材料的质量损失是通过大量实际发射试验数据统计得到的，更符合实际工况使用。

表2 常用材料耐电弧烧蚀数据Tab.2 Arc ablation resistance ability of common materials

对于固体电枢轨道发射装置，由于膛内温度远低于等离子体电枢轨道发射装置，所以陶瓷材料一般不会受到烧蚀损伤，环氧树脂等高聚物会在高温下发生降解和交联两种化学反应，并不会发生明显质量损失。而且由于绝缘材料表面存在金属沉积现象，所以无法靠称量发射前后绝缘部件的质量差来衡量材料的抗烧蚀能力，一般可以借鉴等离子体电枢轨道发射装置时期的研究数据或者用材料自身的短时耐受温度衡量。

(2) 抗断裂能力

材料的断裂是由于内部应力分布不均衡，在一些键上形成应力集中，这些集中了应力的键在外力的影响下发生断裂，最终引起固体材料的断裂[38]。由于发射过程中膛内环境非常复杂，造成断裂的因素较多，从材料自身性能来衡量抗断裂能力比较合理。

树脂材料的抗断裂能力一般用抗弯强度来衡量，抗弯强度越高，抗断裂能力越强；虽然陶瓷材料也有抗弯强度这一力学性能，但是相较于金属、高分子聚合物材料，制造工艺对陶瓷性能的影响较大，使得陶瓷材料的强度比较分散，所以一般用断裂韧性KIC来衡量抗断裂能力[9]，断裂韧性越高，抗断裂能力越强。表3为常用材料的相关数据[7,9]。

表3 常用材料抗断裂能力Tab.3 Fracture resistance of common materials

从表3可以看出，对于同一种陶瓷基体材料，采用不同制造方式抗弯强度的差异不大，但是断裂韧性却可能相差数倍，因此在选择陶瓷材料时应以断裂韧性参数为准。R. D. Stevenson等人经过对几种方形轨道发射装置和圆形轨道发射装置的试验分析后得到发射过程中绝缘部件所受到的弯曲载荷始终低于345MPa，常用玻璃纤维增强树脂材料都可达到此要求，当陶瓷材料的断裂韧性达到8MPa·m0.5以上就可以承受400MPa的弯曲载荷，也可以满足常规轨道发射装置的应用要求[9]。

(3) 抗热冲击能力

抗热冲击能力是指材料承受温度急剧变化产生的热应力而不致破坏的能力，分为抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性两个方面[39]。电磁发射装置的重复发射稳定性很大程度取决于绝缘部件的抗热冲击能力，抗热冲击能力越强，重复发射稳定性越好。对于陶瓷等脆性材料，一般用破坏前能抵抗的最大温差ΔTmax来表示抗热冲击能力，数值越大材料能承受的温度变化越大，抗热冲击能力也就越强[40]。ΔTmax的表达式为：

(1)

式中，E为弹性模量；μ为泊松比；α为热膨胀系数。S.N.Rosenwasser等人从热应力入手，推导出了适用于电磁发射绝缘材料的抗热冲击系数TSR(Thermal Shock Resistance)：

(2)

式中，σ为抗张强度；C为比热容；K为热导率；ρ为材料密度。从式(2)可以看出，当材料的抗拉强度越高，热膨胀系数越小，弹性模量越低，热稳定性就越好。由于电磁发射过程的瞬态性(ms级)，绝缘材料的表面温度会远远高于内部温度，材料的比热容越大，温升就会越小，热导率K越大，热量分布就会越均匀，材料温升抗热冲击能力也越强。表4为轨道发射装置中常用绝缘材料的相关参数[7]。

表4 常用材料抗热冲击能力相关参数Tab.4 Thermal shock resistance parameters of common materials

(4) 绝缘性能

用来表征物体绝缘性能的参数有很多，由于电磁发射过程中金属污染只发生在绝缘部件表面，因此可以用沿面闪络电压来表示其绝缘性能。沿面放电是发生在固体电介质表面的一种气体放电现象，沿面闪络电压比固体或气体单独存在时的击穿电压都低，所以用沿面闪络电压作为绝缘部件表面介电性能的评价标准比较合适。

在目前的电磁发射试验中，当轨道之间绝缘部件表面沿面闪络电压低于1kV/cm时即认为绝缘失效，无法保证发射系统的安全性。由于发射过程中影响沿面闪络电压的因素较多，具体数据还需在实际发射试验后测量。也有部分研究人员用表面电阻率代替沿面闪络电压，但是由于发射试验后绝缘材料表面可能存在裂纹和凹槽，会给绝缘电阻测量的精确性带来很大的困难，而沿面闪络电压更容易准确测量。

以上四种评价标准只考虑了绝缘材料的自身性能，在实际工程应用和量产化时，绝缘材料的密度和价格也需要纳入考虑范围。

6 结论

经过多年的研究工作，电磁轨道发射装置中绝缘问题的研究已经取得了一定进展，试验和改进了许多性能优异的材料，但有关失效机制的研究较少，缺乏相关理论成果。现有的大部分研究工作都是针对等离子体电枢发射装置，有关固体电枢发射装置的研究较少，尤其缺少金属污染这一关键问题上的相关研究；对于膛内金属液滴和蒸汽的运动过程还未有足够的认识，也没有合适的改善方法。

绝缘部件性能变化的规律将直接影响重复发射轨道装置的效率和寿命，所以在未来的工作中应将重点放在绝缘部件失效规律的研究上。现有的研究主要针对单发或者低频重复发射，虽然已经取得了一些成果，但是从单发和低频重复发射中得到的相关成果能否直接推广到高频重复发射，还需要通过相关试验和数据分析后再下结论。本文虽然提到了一些导致绝缘失效的影响因素，但是针对每种因素的破坏作用需要有一个权重来衡量，这样可为绝缘部件的选材和设计提供参考标准。

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Research progress on insulation problems in electromagnetic rail launcher

ZHAO Wei-kang1,2,3, XU Rong1,3, YUAN Wei-qun1,3, YAN Ping1,3

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Power Electronics and Power Drives, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The insulator undertakes the function of the electrical insulation and works as the support fixed in the electromagnetic rail launcher. But it frequently failed in repeat launch experiments. At high repetition rate, the degradation of insulation performance will directly affect the efficiency and lifetime of the system, and it is one of the key problems to be solved. Firstly, this paper introduces the current situation and existing problems of insulation research by reviewing the research history of the insulation problem in the electromagnetic rail launcher. Then, the paper lists the main factors and effects of insulation failures, analyzes the regular pattern and failure mechanisms, and introduces the improvement methods of the related problems. Finally, the evaluation criteria of insulation materials are summarized, and the research trend of insulation is also discussed.

electromagnetic launch; insulation bracing structure; metal deposition; ablation; failure mechanism

2016-12-07

国家自然科学基金项目(51237007; 51207035)

赵伟康(1993-)， 男， 山东籍， 硕士研究生， 研究方向为高电压与绝缘技术； 徐 蓉(1981-)， 女， 甘肃籍， 副研究员， 博士， 研究方向为脉冲功率技术。

10.12067/ATEEE1612095

1003-3076(2017)07-0063-10

TM89；TM21