0 引言
电磁发射技术是一种利用电流与磁场间相互作用的电磁能,将物体加速至超高速的新型发射技术[1-2],具有推力可控,响应速度快,发射性能稳定等优势[3-4]。在电磁轨道发射技术应用过程中,存在不少原理与技术上的难点问题,比如轨道的发射寿命问题,在发射过程中处于大电流、强磁场、高温度的严苛环境下,容易出现刨削、转捩、烧蚀以及磨损等影响使用发射安全的热损伤,严重制约使用寿命[5]。
电枢在电磁力作用下不断加速运动时,会与轨道发生相对高速滑动,由于枢轨接触面的不光滑,在电枢的运动过程中,枢轨接触面上会产生摩擦热[6]。焦耳热和摩擦热,是电磁轨道发射器热特性研究的两大组成部分,也是影响电磁轨道发射器寿命的重要因素[7],而焦耳热在电枢起动阶段占据了热量的绝大部分。Kerrisk[8]是最早研究电磁轨道发射器温升问题的学者之一,他采用有限差分的方法对二维电磁轨道发射器模型的温度分布进行了研究;Smith[9]通过建立发射器的热管理模型,获得轨道瞬态温度分布且实施有效的热管理措施,Harold Vanicek[10]模拟了轨道温度分布,Smith[11]建立了发射器的热管理模型,Watt等[12]对副导轨层叠式的增强型发射器进行了实验研究,对炮口电压、速度和导轨表面状态进行了分析;Coffo等[13]利用PSpice模型对增强型电磁轨道发射器的电流回路进行了优化设计。海军工程大学的谭赛等[14]建立了考虑摩擦热的电磁轨道发射器数值模型,分析了不同电枢运动状态下枢轨接触面的温度分布特性,研究结果表明枢轨接触面的温升随电枢速度增大而增大,李松乘等[15]提出一种改进型灰色模型对电磁轨道发射器的导轨温度进行研究,并对温升贡献度进行了研究分析。南京理工大学的林庆华和栗保明建立了电磁轨道发射器的三维瞬态电磁场与温度场的数值耦合计算模型,研究结果表明炮尾轨道是电磁轨道发射器热管理的关键部位[16-17],但研究多是基于二轨的模型,对于发射性能更加优异的四轨电磁发射器研究较少。
四轨电磁炮在工作过程中的热量累积是造成热损伤的根本因素,在电枢运动初始阶段,大电流产生的焦耳热是热量的主要来源,之后,电枢与轨道之间产生的摩擦热比重逐渐上升[18-19],因此焦耳热是影响热损伤的重要因素。同时,考虑到材料的温度特性,对四轨电磁发射器电枢与轨道的焦耳热特性进行了较为全面的研究,建立了四轨电磁发射器的有限元模型与电磁场模型,研究了3种不同构型四轨电磁发射器电枢与轨道的焦耳热特性,对四轨电磁发射器的焦耳热特性进行了全面地分析。
根据焦耳热特性分析的结果,提出了一种基于电枢涂层的四轨电磁发射器热抑制措施,分析对比不同涂层材料的焦耳热特性并与普通电枢进行比较,考虑涂层对电枢所受电磁推力的影响,从涂层厚度对热抑制效果的影响进行了研究。
1 四轨电磁发射器模型及物理参数
四轨电磁发射装置通常由发射器主体(铝制电枢与4根铜制轨道)、绝缘体、封装板和预紧螺栓等组成,四轨电磁发射装置身管截面如图1所示。
图1 四轨电磁发射装置身管界面示意图
Fig.1 Four-rail electromagnetic launcher tube interface diagram
四轨电磁发射器有限元模型如图2所示,电枢与轨道材料属性如表1所示,在枢轨接触面上,电枢为凹面设计,轨道为凸面设计,4根轨道以电枢为中心呈现圆周阵列分布,电流从相对的2根轨道流入,流经电枢后再从另外2根轨道流出,4根轨道通入的大电流在电枢位置处产生强磁场,与电枢中的电流相互作用产生电磁推力推动电枢向前加速运动。
表1 电枢与轨道材料属性
Table 1 Armature and track material properties
材料密度/(kg·m-3)电导率/(S·m-1)相对磁导率比热容/(J·(kg·℃)-1)轨道铜8.66×1035.80×1070.999991385电枢铝2.70×1033.76×1071.000021951
图2 四轨电磁发射模型示意图
Fig.2 Schematic diagram of four-rail electromagnetic launch model
四轨电磁发射器的电磁场特性可以用麦克斯韦方程组进行描述:
(1)
电流连续性定理:
(2)
其中:
(3)
(4)
仿真过程中电流通入方式如图2所示,电流激励如图3所示,电流上升沿时间为1 ms,电流幅值为600 kA,电流持续时间为5 ms,利用ANSYS软件对四轨电磁发射器模型的电磁特性与热特性进行分析。
图3 电流激励示意图
Fig.3 Schematic diagram of current excitation
2 四轨电磁发射器模型及物理参数
2.1 不同枢轨结构模型
为研究四轨电磁发射器枢轨热损伤与枢轨结构的关系,在平面型轨道电磁发射器的基础上设计了凸型轨道(凹型电枢)和凹型轨道(凸型电枢)2种不同枢轨结构,共计3种不同构型的电磁发射器。3种枢轨构型的四轨电磁发射器模型如图4所示。
图4 不同构型的轨道-电枢模型
Fig.4 Electromagnetic launcher material parameters
其中,电磁发射器材料参数表2所示。
表2 电磁发射器材料参数
Table 2 Electromagnetic launcher material parameters
几何参数值/mm几何参数值/mma26m14.00b8.6h40.00c8.8R4.00d1.83r3.00e11.52
2.2 不同构型电枢焦耳热分析
利用ANSYS与Maxwell软件进行电磁-温度耦合分析,将Maxwell中的电磁场计算结果导入ANSYS的transient thermal 组件中,得到不同枢轨构型条件下焦耳热引起的电磁发射器温度分布,其中,设置双向耦合迭代仿真次数为3,环境温度设置为22 ℃,设置对流换热系数为2 W/(m2·℃)。电枢在轨道中所处位置如图2所示,同时,为了保证电磁发射器电枢初始状态的稳定性,以及电枢与轨道间良好的初始电接触(即减小电枢与轨道间的接触电阻),通常需要对电枢进行过盈设计,图5为电枢与轨道过盈示意图。
图5 电枢与轨道过盈示意图
Fig.5 Armature and track interference
设计不同过盈量的电枢,分析过盈量不同所导致的枢轨接触面不同接触压力分布,借助ANSYS结构场得到不同过盈量下的电枢接触压力,如表3所示。
表3 四轨电磁发射器涂层材料设置
Table 3 Four-rail electromagnetic launcher coating material set
材料密度/(kg·m-3)电导率/(S·m-1)相对磁导率比热容/(J·(kg·℃)-1)银1.05×1046.30×1070.99998235石墨烯2.20×10-31.00×1081.0000211400
表3 不同过盈量下的接触力
Table 2 Contact force under different interference amounts
过盈量/mm接触力/kN0.155.360.206.290.257.320.308.30
在过盈量为0.15 mm时,电枢与轨道间的接触力为5.36 kN,已经满足Marshall的“1 g/A”法则所需的3 kN,能够确保初始状态下良好的电接触,因此本文选取过盈量为 0.15 mm的电枢进行研究分析。由于受到摩擦效应(预载荷和磁载荷)、磨损效应、热膨胀效应、焊接效应、材料状态、结构限制等因素影响,计算方程中的接触压力通常是相当复杂的,本文为简化计算过程,只考虑过盈带来的预载荷以及发射过程中电磁力所带来的影响。Kim[20]提出了一种接触电阻计算方法,为便于实现有限元分析,在实际接触界面的模型中引入了表面热流源的概念,表面热流源是平行于接触面的二维热源(即厚度为零),正如前文所说,接触的几何形状非常复杂,而在接触界面上产生的热量是在界面上形成的,这使得它可以很容易地实现有限元,表面热流源的表示如下:
(5)
在本文的计算中,接触面厚度lcon取0.5 mm,铜轨道与铝电枢的电阻率分别为1.724×10-8、2.632×10-8Ω·m,接触经验常数C取9.45×10-4,m取0.63,Hsoft为较软接触体的硬度,P根据电枢与轨道的实际接触情况求得。图6为3种结构四轨电磁发射器焦耳热引起的最高温度变化示意图。
图6 不同结构电枢最高温度变化示意图
Fig.6 Schematic diagram of maximum temperature change of armature with different structure
设电磁发射器的平均温升速率为
(6)
式中,Tmax表示电磁发射器工作过程中上升的最高温度,Tmin表示电磁发射器开始工作时的初始温度,t表示工作时间。计算3种构型的平均温升速率:平面轨-平面电枢结构电磁发射器的平均温升速率为54.47 ℃/ms,凹轨-凸电枢结构电磁发射器的平均温升速率为49.40 ℃/ms,凸轨-凹电枢结构电磁发射器的平均温升速率为49.38 ℃/ms。凸轨-凹电枢结构电磁发射器的平均温升速率最低,较平面轨-平面电枢结构平均温升速率下降了25.87 %,较凹轨-凸电枢结构平均温升速率下降了18.26 %。因此,选取凸轨道-凹电枢结构更有利于缓解电磁发射器的温升问题,从而延长电磁发射器的寿命。
图7为3种构型四轨电磁发射器电枢部位焦耳热引起的温度分布示意图,(a)、(b)、(c) 分别为凸电枢、平面电枢和凹电枢的温度分布示意图。其中,凹轨-凸电枢结构电磁发射器工作过程中电枢部位的温度峰值为269.03 ℃,平面轨-平面电枢结构的温度峰值为284.36 ℃,凸轨-凹电枢结构的温度峰值为223.88 ℃。凸轨-凹电枢结构电磁发射器工作过程中的峰值温度最小,比平面轨-平面电枢结构的小60.48 ℃,比凹轨-凸电枢结构电磁发射器的小45.15 ℃。与其他2种结构的电磁发射器相比,凸轨-凹电枢结构电磁发射器在缓解电枢部位焦耳热温升问题方面有更大优势。
图7 不同构型电枢温度分布示意图
Fig.7 Schematic diagram of temperature distribution of armature with different configuration
因为在电流上升沿阶段,变化的电流产生变化的磁场,从而产生感应电流。由于四轨电磁发射器结构的对称性,而在电枢喉部中部位置处,感应电流最大,阻碍驱动电流的流通,因此在电流上升沿阶段,电流主要集中于电枢喉部下侧区域。3种构型的电磁发射器均出现了焦耳热集中的现象,现象最明显的位置均位于喉部导流弧区域。凹轨-凸电枢结构与平面轨-平面电枢结构的电枢臂末段存在更加明显的焦耳热集中问题,而凸轨-凹电枢结构的枢轨接触面上的温度分布则较为均匀。选取焦耳热集中问题明显的电枢喉部位置作为研究对象,分析焦耳热引起的温度在喉部位置处的分布。
如图8所示,3种结构的电磁发射器电枢喉部位置的温度分布都呈现轴对称形态,且峰值温度均出现在电枢喉部中心位置处,温度从电枢中心位置处向电枢尾端递减。温度下降最快的位置位于电枢喉部与电枢臂交界处,这同样也说明了电枢部位的焦耳热集中于电枢的喉部位置处。同时,从图8中还可以看出,在选取的喉部路径上,凸轨-凹电枢结构的电磁发射器的温度在任一点处都小于其他2种结构的电磁发射器。
图8 不同构型电枢喉部
Fig.8 Armature throat of different configuration
2.3 不同构型轨道焦耳热分析
在电磁发射器工作过程中,电枢一般是一次性使用,而轨道则是需要长期使用,因此,有必要对3种构型四轨电磁发射器轨道的焦耳热进行分析。根据仿真结果得知,3种构型的轨道在工作过程中的温度峰值分别为107.34、89.42、84.86 ℃。为更好的观察轨道上的温度分布,分别取轨道尾部和枢轨接触面为研究对象,对焦耳热进行分析研究。图9为3种结构四轨电磁发射器轨道尾部焦耳热引起的温度分布截面图,(a)、(b)、(c)分别为凹轨道、平面轨道和凸轨道尾部温度分布示意图。从图中可以得知,3种构型电磁发射器的轨道尾部的最高温度分别为61.52、59.79、52.11 ℃。其上的焦耳热主要集中于轨道边缘处,这是电流的趋肤效应和邻近效应引起的。凹型轨道和平面型轨道在枢轨接触面上的焦耳热更多地集中于两侧部位,而凸型轨道则更多地集中于枢轨接触面中心位置处。
图9 不同构型轨道尾部温度分布截面
Fig.9 Cross section of temperature distribution at the tail of different configurations
在焦耳热集中问题较明显的轨道与电枢臂末段接触部位取横向路径如图10所示,路径上温度分布如图11所示。
图10 不同构型轨道枢轨接触面路径示意图
Fig.10 Schematic diagram of the track pivot contact surface with different configurations
图11 不同构型轨道枢轨接触面温度分布示意图
Fig.11 Schematic diagram of temperature distribution on the contact surface of pivot rail with different configurations
3种结构的电磁发射器在该路径上的温度分布均呈现轴对称形态。和轨道尾部类似,3种构型的轨道在轨道边缘位置处均出现不同程度的温度集中,这是电流邻近效应和趋肤效应的结果。凹型轨道的峰值温度出现在轨道与电枢开始接触的位置A点附近,最低温度出现在枢轨接触面上的E点位置处,是因为凹型轨道在A点处的凸起结构更容易导致电流集中,从而使得枢轨接触面上的电流更多地从A点附近流入电枢。平面型轨道的峰值温度出现在AB段,而在枢轨接触面的中间部位BB1段则温度较低。凸型轨道的峰值温度出现在枢轨接触面的中间部位CC1段,温度从枢轨接触部位中心点向轨道边缘处逐渐降低,直到电流趋肤效应和邻近效应影响位置D点处,温度又有所升高。在3种构型的轨道中,凸型轨道的峰值温度最低,且轨道边缘处的温度也较其他2种结构的温度有所下降,说明凸轨-凹电枢构型改善了电流邻近效应和趋肤效应带来的电流集中问题,这也与文献[21]得出的结论一致[22],因此从温度场角度来说,凸轨-凹电枢结构更具有优势。
3 四轨电磁发射器热接触研究
四轨电磁发射器常用的的热抑制方案有轨道热管理技术以及电枢涂层技术,轨道热管理技术通常是在轨道背面或是内部铺设冷却通道并通入冷却液,以加快轨道散热,缓解发射过程中热量累积造成的热损伤,但这种方法需要充分考虑到轨道的力学性能,否则会影响发射时的安全性;而电枢涂层技术则是在电枢的枢轨接触面上添加涂层材料,目的是提高电枢与轨道的滑动电接触性能,抑制枢轨接触面上的温升,从而缓解轨道受到的热损伤。
3.1 物理模型仿真与设置
为有效抑制四轨电磁发射器工作过程中的热损伤,在已建立的四轨电磁发射器模型基础上,在电枢与轨道之间添加涂层设计,涂层电枢结构如图12所示。
图12 涂层电枢示意图
Fig.12 Schematic diagram of coated armature
涂层材料选取银与石墨烯,银是导电性能最优的金属,涂层材料选取银可以有效降低电枢与轨道间的接触电阻,而石墨烯是一种新型材料,具有良好的导电性能、力学特性以及导热性能,杜传通等人在普通U型电枢表面制备了石墨烯涂层进行了实验[23-24]验证了石墨烯涂层具有降低枢轨接触界面的滑动摩擦系数的效果,同时石墨烯涂层会增大5%～10%的静态接触电阻,但并不会严重影响枢轨间良好的电传导。本文仿真所设置的电枢涂层材料属性如表3所示,涂层厚度分别设置为50、75、100 μm,四轨电磁发射器电枢与轨道部位材料如前文表1所示。
仿真使用图3中的脉冲梯形电流,上升沿为0～1 ms,恒流阶段为1～5 ms,电流幅值为600 kA。
3.2 涂层电枢对焦耳热特性影响
利用ANSYS软件对不同材料涂层的四轨电磁发射器进行瞬态焦耳热分析,并与普通结构四轨电磁发射器进行比较。涂层厚度设置为50 um,对涂层的网格进行精细化处理,具体精细化步骤如下:选取涂层的长宽高三条边,分别定义三条边上的网格数量。仿真设置初始环境温度为22 ℃,设置对流换热系数为1 W/(m2·℃)。
在电流激励的情况下,普通电枢与2种涂层电枢以及相应轨道的温度上升曲线如图13和图14所示。从图中可以看出,无论是否添加涂层,3种电枢的温度上升趋势是一致的。普通电枢的最高温度为529.29 ℃,银涂层电枢的最高温度为489.19 ℃,石墨烯涂层电枢的温度为463.16 ℃,且最高温度均出现在喉部位置处,并未达到铝制电枢的熔化温度;普通电枢对应轨道的最高温度为143.78 ℃,银涂层电枢对应的轨道最高温度为129.98 ℃,石墨烯涂层电枢对应的轨道最高温度为128.77 ℃,最高温度出现在轨道与电枢喉部平齐位置处,且并未达到铜制轨道的熔化温度。无论是电枢还是轨道,添加涂层后,温度均低于普通四轨电磁发射器,石墨烯涂层对电枢的温升抑制效果更好,对于轨道而言,银涂层和石墨烯涂层的抑制温升效果相差不大。与普通电枢相比较,采用银涂层的电枢最高温度下降了7.58%,相对应的轨道最高温度下降了9.60%;采用石墨烯涂层的电枢最高温度下降了12.49%,相对应的轨道最高温度下降了10.44%。
图13 不同材料涂层电枢温度变化示意图
Fig.13 Schematic diagram of armature temperature change with different coating materials
图14 不同材料涂层轨道温度变化示意图
Fig.14 Schematic diagram of temperature change of track coated with different materials
3.3 涂层电枢对枢轨接触面温度的影响
涂层电枢改变了轨道与电枢的接触特性,普通电枢为简单的铜制轨道与铝制电枢的接触,而涂层电枢则是铜制轨道与涂层材料的接触。因此需要对枢轨接触面进行详细的分析。图15为不同时刻不同涂层下的枢轨接触面温度分布示意图。
图15 不同涂层枢轨接触面温度分布
Fig.15 Temperature distribution on the contact surface of pivot rails with different coatings
如图15所示,电流上升沿结束时刻(t=1 ms),3种结构下的的枢轨接触面上各个时刻的温度分布趋势基本是一致的,并且3个枢轨接触面上的温度相差不大,原因是电流上升沿阶段电流还较小且趋肤效应严重,因此枢轨接触面上的焦耳热生成相差不大。在t=5 ms时刻,涂层电枢枢轨接触面上的温度更低,普通电枢枢轨接触面上最高温度为147.42 ℃,银涂层的最高温度为129.79 ℃,石墨烯涂层的最高温度为112.62 ℃,三者的温度集中区域均位于电枢喉部两侧与枢轨接触面下端,且无涂层电枢的枢轨接触面在喉部位置两侧的温度集中现象更明显。
3.4 涂层电枢对温度特性影响
不同的涂层材料对于四轨电磁发射器温升抑制效果不同,同时仍需考虑涂层的厚度对温升抑制效果的影响。图为不同厚度条件下,银涂层和石墨烯涂层电枢与轨道的温度上升曲线。
如图16和图17所示无论是银涂层还是石墨烯涂层,当涂层厚度增加时,电枢与轨道的最高温度均有所下降,且电枢的温度下降幅度明显大于轨道的温度下降幅度,轨道的温度在涂层厚度增加时仅仅略微下降,说明增大涂层厚度并不能较好地抑制轨道温升问题,不过对于电枢而言,涂层厚度增加,可以有效降低电枢的温度,当使用电枢搭载弹丸尤其是智能化弹丸时,能够更好地保护弹丸内的电子元器件。此外,当涂层厚度从50 mm增加至75 mm时,银涂层电枢最高温度下降了25.34 ℃,轨道下降了0.19 ℃,石墨烯涂层电枢最高温度下降了19.01 ℃,轨道下降了0.32 ℃;涂层厚度从75 mm增加至100 mm时,银涂层电枢最高温度下降了6.29 ℃,轨道下降了1.33 ℃,石墨烯涂层电枢最高温度下降了13.85 ℃,轨道下降了1.66 ℃。这表明涂层抑制温升的效果与涂层厚度的增加并非呈简单的线性正相关。观察图16和图17中银涂层与石墨烯涂层轨道温度的变化可知,虽然最终的温度随着涂层厚度的增加而有所下降,但是3种厚度涂层的轨道温度上升曲线是反复交叉地,在一段时间内,涂层较薄的电枢所对应的轨道温度反而比涂层厚的温度高,这是由于电流的涡流效应导致的。
图16 不同厚度银涂层电枢与轨道温度变化示意图
Fig.16 Schematic diagram of temperature change of armature and track with different thickness of silver coating
图17 不同厚度石墨烯涂层电枢与轨道温度变化示意图
Fig.17 Schematic diagram of temperature changes of graphene-coated armature and track with different thickness
4 结论
本文在构建四轨电磁发射器模型的基础上,仿真分析了不同枢轨构型对焦耳热的影响,基于电枢涂层的材料与厚度进行了热抑制研究,得到以下结论:
1) 凸轨-凹电枢结构电磁发射器在缓解电枢部位焦耳热温升问题方面有更大优势。
2) 对四轨电磁发射器的枢轨焦耳热特性进行了研究从电枢和轨道2个角度分析了电枢与轨道构型对焦耳热的影响,仿真结果表明凸轨-凹电枢的结构引起的温升较小。
3) 探究了四轨电磁发射器的热抑制措施。提出了电枢涂层的热抑制方案,分析了不同材料涂层对四轨电磁发射器焦耳热特性以及涂层电枢对枢轨接触面的温度影响,最后分析了涂层厚度对抑制温升效果的影响。研究结果表明,电枢上的涂层能够有效抑制四轨电磁发射器工作过程中焦耳热引起的温升。
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