李 鶴，雷 彬，李治源，呂慶敖，張 倩

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

1 工作原理

電磁軌道炮是由一對(duì)平行金屬軌道、一個(gè)電樞、彈丸(或射彈)、高功率脈沖電源以及開(kāi)關(guān)和控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。軌道炮利用載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的原理，可以輕易地突破傳統(tǒng)火炮的發(fā)射速度極限，實(shí)現(xiàn)彈丸的超高發(fā)射速度(大于1.5 km/s)。軌道炮的基本特征是超高速和快速響應(yīng)，還具有超遠(yuǎn)程、大威力、低成本、高安全性、高效率和低發(fā)射特征等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于防空、反導(dǎo)、反艦和遠(yuǎn)程火力壓制等，對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展和武器革新等具有重大軍事意義。近年來(lái)，隨著高能密度材料和新型電力技術(shù)等的迅速發(fā)展，軌道炮的研究和發(fā)展日益受到重視。

軌道炮發(fā)射射彈的過(guò)程中，電樞緊貼軌道滑動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為超高速滑動(dòng)電接觸過(guò)程，而在微觀上則表現(xiàn)為瞬態(tài)的局部高強(qiáng)度橫向載荷作用過(guò)程。這種物理過(guò)程極易在軌道表面產(chǎn)生剪切作用形成刨坑(crater)，從而破壞軌道的完整性，降低軌道使用壽命。這種現(xiàn)象是試驗(yàn)中觀察到的軌道的主要損傷形式之一，也是制約軌道炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。典型的軌道刨削形狀如圖2所示。

迄今為止，工程和實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的刨削損傷現(xiàn)象只在火箭橇、二級(jí)輕氣炮和電磁軌道炮高速滑動(dòng)過(guò)程中觀測(cè)到過(guò)[1]。刨削的典型形狀為淚滴狀，也有扇形、橢圓形等形狀[2]。一般情況下，沿著發(fā)射方向刨坑深度先逐漸變深后迅速變淺，刨削結(jié)束的位置會(huì)向后卷起一些軌道材料。刨坑的尺寸主要與射彈(電樞)的速度和樞軌界面的材料特性有關(guān)，此外，還可能受到軌道、射彈尺寸和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的影響。筆者將對(duì)形成的因素、刨削發(fā)生過(guò)程和可行的抑制方法進(jìn)行分析。

2 刨削形成的因素

在火箭橇、二級(jí)輕氣炮和軌道炮三類工程和實(shí)驗(yàn)中，最顯著的共同特點(diǎn)就是接觸界面發(fā)生了超高速滑動(dòng)?？梢?jiàn)，超高速滑動(dòng)是刨削產(chǎn)生的一個(gè)必要條件。軌道炮不同于前兩者的特征有兩點(diǎn)：一是電樞在軌道內(nèi)部滑動(dòng)過(guò)程中，樞軌界面同時(shí)還存在強(qiáng)電接觸；二是為了保持樞軌界面的良好接觸，電樞進(jìn)入軌道時(shí)與軌道的兩個(gè)接觸表面受到一定的預(yù)壓力。因此，電樞在軌道內(nèi)部的滑動(dòng)是在高溫高壓的物理環(huán)境下進(jìn)行的。電樞前進(jìn)過(guò)程中，樞軌界面高速摩擦導(dǎo)致的電樞磨損或溫度驟升引起電樞接觸面的熱熔化會(huì)產(chǎn)生樞軌間隙，樞軌間隙只是電樞非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的客觀條件，而超高速滑動(dòng)帶來(lái)的法向慣性力則是刨削產(chǎn)生的源動(dòng)力。同時(shí)，高速滑動(dòng)下，軌道的隨機(jī)不平順和表面粒度也會(huì)影響接觸副的穩(wěn)定性，從而為刨削的產(chǎn)生提供契機(jī)，而引起刨削的因素主要是以下3個(gè)方面。

2.1 電樞的閾值速度

Stefani和Parker在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，采用多種金屬與CD110銅進(jìn)行法向碰撞以產(chǎn)生刨坑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生刨坑所需速度主要與滑動(dòng)副的材料特性有關(guān)[3]。在特定材料和負(fù)載條件下，發(fā)生刨削時(shí)所需要的最小速度稱為刨削產(chǎn)生的閾值速度。Barker和Trucano在對(duì)鋼、鋁、銅、塑料4種材料進(jìn)行參數(shù)仿真研究中發(fā)現(xiàn)，軌道炮產(chǎn)生刨削的閾值速度還有上限值[1]，而一般提到的閾值速度只考慮其下限值。對(duì)于銅合金導(dǎo)軌的軌道炮，鋁合金電樞發(fā)生刨削的閾值速度在1.3～2.0 km/s之間。

2.2 滑動(dòng)副材料特性

閾值速度的范圍主要取決于滑動(dòng)副材料的密度、硬度、屈服強(qiáng)度和聲速等參數(shù)。Tarcza等人為了研究影響刨削閾值速度的主要因素及作用規(guī)律，總結(jié)前人在超高速試驗(yàn)和使用CTH代碼模擬中得到的刨削速度以及所使用的材料特性，通過(guò)對(duì)比各種材料特性下的刨削閾值速度，滑動(dòng)副材料屈服強(qiáng)度、密度與刨削閾值速度的關(guān)系可以擬合成如圖3的近似線性關(guān)系[2]。因此滑動(dòng)副材料特性包括硬度、密度、屈服強(qiáng)度和聲速等是決定刨削是否發(fā)生以及刨削規(guī)模的內(nèi)在因素。

2.3 接觸界面的高溫特性

電樞作為整個(gè)系統(tǒng)高壓回路的一部分，在滑動(dòng)中承載著巨大的脈沖電流。發(fā)射過(guò)程中，整個(gè)回路流過(guò)一個(gè)瞬態(tài)的脈沖大電流，由于趨膚效應(yīng)，電流在導(dǎo)軌和電樞中并非均勻分布，而是集中在導(dǎo)軌和電樞的表面。在焦耳熱作用下，接觸界面間溫度會(huì)隨著電流的上升而逐漸升高?？紤]電流波形的平臺(tái)效應(yīng)，單次發(fā)射中，脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱約占系統(tǒng)總能量的20%，而且軌道熱量中的60%～80%集中在入口端約30%的表面上[4]。接觸表面由于摩擦產(chǎn)生的瞬態(tài)溫升不易測(cè)量，但可以通過(guò)一些公式計(jì)算而得到[5]。電樞在低速滑動(dòng)時(shí)，界面溫度上升主要是由焦耳熱引起，熱量的多少由回路中的脈沖電流值決定；而在高速滑動(dòng)時(shí)，摩擦生熱是界面溫度上升的主要原因。熱熔化加速了高速摩擦界面材料的流失，使得界面有效接觸面積變小，接觸縫隙變寬，為電樞法向隨機(jī)不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)提供了空間。溫升同時(shí)降低了接觸界面屈服強(qiáng)度，使得刨削所需的閾值速度和表面應(yīng)力都變小，加速了刨削的產(chǎn)生。

3 刨削產(chǎn)生的過(guò)程分析

目前，軌道炮發(fā)射試驗(yàn)中，普遍采用形狀為U形的金屬固體電樞。電樞在軌道內(nèi)部的滑動(dòng)過(guò)程中，軌道內(nèi)表面受到電樞的外力作用而發(fā)生彈塑性變形。電樞平穩(wěn)滑動(dòng)過(guò)程中(未產(chǎn)生刨削前)，軌道上受到包括沿著運(yùn)動(dòng)方向的摩擦力和垂直于運(yùn)動(dòng)方向朝向界面外法向的預(yù)壓力和電磁力。而且這一過(guò)程中，兩側(cè)軌道法向受力保持平衡，電樞只受到水平方向上的作用力而向前平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

刨削產(chǎn)生之前電樞首先出現(xiàn)非平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象主要有以下幾個(gè)方面的起因：一是當(dāng)電樞磨損嚴(yán)重時(shí)，兩側(cè)面由于接觸面積不等導(dǎo)致電樞法向受力出現(xiàn)偏差，同時(shí)受到兩側(cè)軌道的限制和電樞本身的高速度，很容易產(chǎn)生非平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鋁合金電樞在銅軌道上發(fā)射至高速時(shí)，軌道表面會(huì)遺留一層薄鋁熔化層[6]，這說(shuō)明滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量足以導(dǎo)致電樞熔化。事實(shí)上，發(fā)射過(guò)程中，電樞尾部受到焦耳熱和摩擦熱的雙重作用，溫度急劇升高，極易熔化而在接觸界面形成一層材料膜。電樞高速滑動(dòng)時(shí)，液態(tài)熔融層可以充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用，然而，冷卻后的固態(tài)熔融層粘附在軌道內(nèi)壁上卻會(huì)加劇電樞磨損，導(dǎo)致樞軌界面出現(xiàn)間隙。二是發(fā)射過(guò)程中電樞滑動(dòng)引起軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)[7-8]，數(shù)值仿真和測(cè)量均表明電樞達(dá)到臨界速度的時(shí)刻會(huì)在相應(yīng)的軌道位置產(chǎn)生高幅值的應(yīng)力和應(yīng)變[9]，從而，電樞與軌道發(fā)生傾斜碰撞開(kāi)始非平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。此外，軌道上粗糙峰與縱向隨機(jī)不平順的客觀存在，也會(huì)使電樞與軌道接觸界面產(chǎn)生一定的角度，從而導(dǎo)致接觸點(diǎn)法向受力不均，圖4為軌道表面電樞熔化層。

在軌道的前半段，電樞處于加速階段，在滑過(guò)的地方可以看到明顯的犁溝效應(yīng)，這是由于電樞與軌道表面粗糙峰塑性滑動(dòng)造成的。刨削往往發(fā)生在軌道的中后段，試驗(yàn)中觀察到軌道內(nèi)部?jī)蓚€(gè)表面上刨坑的位置一般都是沿運(yùn)動(dòng)方向向前交替出現(xiàn)的，這說(shuō)明電樞在軌道內(nèi)部一旦發(fā)生傾斜碰撞，就會(huì)在法向上受到一個(gè)較大的反彈力而使其速度方向發(fā)生改變，產(chǎn)生蛇形運(yùn)動(dòng)軌跡。也說(shuō)明軌道局部發(fā)生塑性剪切的過(guò)程中，整體都發(fā)生了彈性變形，從而加劇了軌道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

無(wú)論是淚滴形還是扇形的刨坑都可以看出，沿著運(yùn)動(dòng)方向，軌道上刨削的橫截面先逐漸增大然后迅速減小。說(shuō)明電樞與軌道局部發(fā)生的微觀機(jī)械沖擊過(guò)程是由點(diǎn)向面逐步深入的，刨削一旦開(kāi)始，電樞的慣性沖擊力開(kāi)始減小。在刨坑的最底部，沖擊應(yīng)力與該處軌道材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到平衡，同時(shí)該處軌道的塑性形變達(dá)到最大值。此時(shí)，電樞受到相反方向的作用力繼續(xù)對(duì)軌道進(jìn)行切削，形成刨坑尾部。刨坑的形狀和截面如圖5所示。整個(gè)過(guò)程可以歸結(jié)為塑性剪切作用過(guò)程。而且單次刨坑的后卷沿也說(shuō)明了樞軌間隙的存在。

電樞高速滑過(guò)軌道上凸起處，與軌道微凸體發(fā)生高速碰撞，當(dāng)碰撞引起的局部應(yīng)力超過(guò)軌道材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，電樞開(kāi)始塑性剪切軌道材料，這一過(guò)程中軌道材料的應(yīng)變率和表面溫度都發(fā)生了巨大的變化，從圖6的刨坑內(nèi)部的電鏡掃描圖片可以明顯地看到金屬的再結(jié)晶現(xiàn)象。在火箭橇刨坑的金相學(xué)分析中能看到馬氏體裂紋和珠光體的存在，因此，熱塑剪切時(shí)伴隨著一個(gè)瞬態(tài)高溫過(guò)程，Cinnamon將這一過(guò)程總結(jié)為絕熱塑性剪切作用過(guò)程[10]。

4 刨削的抑制方法分析

刨削不僅損壞軌道，降低軌道炮使用壽命，而且在刨坑位置很容易發(fā)生電弧燒蝕浪費(fèi)能量而降低系統(tǒng)效率；當(dāng)射彈飛出炮口后，由于左右兩側(cè)非平衡力的慣性存在，其外彈道軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，影響射擊精度。軌道炮連續(xù)發(fā)射時(shí)，刨坑的產(chǎn)生對(duì)于下一發(fā)射彈影響很大。當(dāng)電樞以超高速滑過(guò)刨坑時(shí)，電樞兩側(cè)壓力變得不均勻，破壞了電樞在軌道內(nèi)的平衡性，而且刨坑的后卷沿會(huì)在垂直于電樞前進(jìn)的方向上產(chǎn)生一個(gè)法向阻力，進(jìn)一步加劇電樞的非平衡性，因此，電樞會(huì)在后續(xù)軌道上繼續(xù)產(chǎn)生刨坑，惡化軌道狀態(tài)。

目前針對(duì)軌道炮刨削的研究有待于繼續(xù)深入，根據(jù)刨削發(fā)生的物理環(huán)境、過(guò)程和一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出有效的抑制手段包括以下3種：

1)新工藝新材料的發(fā)展。

2)電鍍低聲阻抗材料涂層。

3)新型的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

以上3種抑制方法中，發(fā)展新材料和新冷卻技術(shù)比較困難；表面金屬涂層技術(shù)在試驗(yàn)中最容易實(shí)現(xiàn)，但是不適合多次發(fā)射；層疊電樞似乎可以提高刨削的閾值速度，抑制刨削的原理和機(jī)制尚不清楚，仍需要進(jìn)一步的研究和論證。

5 結(jié)束語(yǔ)

軌道上刨削的發(fā)生對(duì)于軌道炮是致命的危害。對(duì)刨削發(fā)生過(guò)程和其產(chǎn)生機(jī)制的深入研究有助于研究有效的抑制手段。本文對(duì)于刨削產(chǎn)生的影響因素和微觀過(guò)程，從樞軌界面受力分析、界面溫度變化、電樞的閾值速度和軌道材料特性幾個(gè)方面展開(kāi)，得出刨削發(fā)生于一個(gè)高速高溫高應(yīng)變率的物理環(huán)境。在此環(huán)境下，分析了電樞受力和界面的溫度環(huán)境，重點(diǎn)分析產(chǎn)生刨坑所需非平衡力的來(lái)源，根據(jù)刨坑特性對(duì)刨削的發(fā)生過(guò)程進(jìn)行了逐步分析，得出刨削過(guò)程的實(shí)質(zhì)是電樞與軌道局部微凸體絕熱塑性剪切作用過(guò)程。刨削的抑制方法目前主要有研制新材料和開(kāi)發(fā)新工藝、在軌道基材上電鍍低聲阻抗金屬涂層以及分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3種。每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)各不同，仍需要繼續(xù)論證和檢測(cè)來(lái)確定合理可靠的抑制手段。

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