劉貴民，朱 碩，閆 濤，杜林飛

(裝甲兵工程學院 裝備再制造工程系，北京 100072)

?

【裝備理論與裝備技術】

電磁軌道炮膛內熱效應研究綜述

劉貴民，朱 碩，閆 濤，杜林飛

(裝甲兵工程學院 裝備再制造工程系，北京 100072)

在電磁軌道炮的發(fā)射過程中產生大量熱量，引起炮膛內部溫度突變是導致導軌材料失效的重要原因，從軌道炮系統(tǒng)的溫升來源和熱的形式兩個方面介紹了電磁軌道炮膛內熱效應的研究現(xiàn)狀，對電接觸理論和軌樞界面焦耳熱、摩擦熱、電弧熱等不同機制產生的熱進行了分析和歸納。

電磁軌道炮；溫升；熱效應；耐高溫

電磁軌道炮是一種新概念武器，它由兩條平行的長直導軌和導軌間放置的電樞彈丸(電樞)等部件組成。通電時，強大的電流從一條導軌流入，經電樞從另一導軌流回，在兩條導軌平面之間產生強磁場，通電流的電樞在安培力的作用下，會以很大的速度射出，其原理示意圖如圖1所示。相對其他常規(guī)武器(如導彈、火炮、火箭等)，具有彈丸飛行速度快、目標殺傷力強、火力投放量大、平臺貯彈量多、作戰(zhàn)使用靈活、戰(zhàn)場生存力強等一系列優(yōu)點，在各國受到了普遍重視[1]，美國海軍更是把大尺寸電磁軌道炮作為未來艦載長程攻擊武器的主要發(fā)展方向[2]。盡管各國研究人員對軌道復雜惡劣的工作環(huán)境有一定的研究[3-6]，但炮膛內部高溫材料失效問題依然未能得到有效解決。

我國也開展了一系列電磁軌道炮方面的研究，并取得了階段性的進展，但是軌道材料技術卻始終沒能得到有效解決，一直是制約電磁軌道炮的瓶頸技術之一[7]。

1 軌道炮系統(tǒng)溫升來源

燒蝕問題一直是困擾軌道炮系統(tǒng)實戰(zhàn)化的瓶頸之一。隨著材料科學的進步，科研人員對導軌和電樞的燒燭問題提出了一系列解決措施，但距電磁軌道炮連續(xù)發(fā)射，仍有大量的工作有待進一步研究。在實戰(zhàn)狀態(tài)下，軌道炮身管的溫度控制尤為重要，要求建立一個綜合的散熱及冷卻系統(tǒng)。

圖1 電磁炮原理示意圖

軌道炮系統(tǒng)的熱量主要來自軌樞載流產生的焦耳熱、氣動熱、高速電接觸摩擦熱、電弧熱等不同機制產生的熱，炮膛內熱效應對電樞發(fā)射產生的影響很大。2012年2月美海軍進行電磁軌道炮發(fā)射試驗，其發(fā)射動能達到32 MJ，其炮口噴出的劇烈火焰如圖2所示，在很大程度上是由燒蝕引起的。在一次脈沖電流放電發(fā)射的過程中，電流所產生的熱量所折合的能量約占系統(tǒng)能量的20%，同時研究還發(fā)現(xiàn)導軌熱量的60%～80%集中在電樞內側30%表面上。系統(tǒng)中的摩擦熱不易測得，但可以借助一些公式計算，在低速段溫升主要是由電流值決定，而摩擦熱在高速段起主導作用[8]。

總體而言，軌道炮系統(tǒng)熱量主要產生于焦耳熱和摩擦熱兩方面。國內外科研工作者對軌道炮系統(tǒng)溫升的研究主要集中于電樞，這是由于在發(fā)射過程中，軌道是摩擦副中的基體，隨著電樞的滑動，未與電樞接觸的軌道是沒有通過電流并且溫度較低的部分。因此，軌道具有一定的熱擴散作用，而在發(fā)射過程中，電樞一直有大電流通過，并且始終與軌道存在摩擦，電樞幾乎不存在散熱功能[9]，因此，電樞的溫度值直接反映了軌道炮炮膛內的溫度。

圖2 彈丸飛出炮口瞬間

在電樞與導軌高速滑動接觸過程中，瞬時接觸斑點會發(fā)生脫離，如果電流和電壓超過一定范圍，則在電樞與導軌接觸表面間隙產生電弧[10]，若加載電流電壓更大，則會使間隙氣體電離，產生高溫高導弧，瞬間產生電弧熱，導致滑動電接觸表面瞬態(tài)溫度增大，燒蝕材料，造成接觸不良。電弧的能量傳導至接觸表面，接觸表面在電弧作用下的熱過程遵守熱力學基本定律，在電弧的加熱下，接觸表面的瞬態(tài)溫度持續(xù)上升[11]。靳智等[12]指出，接觸區(qū)域由于材料自身特性及加工的限制，接觸面并不是完全接觸，隨著接觸區(qū)域溫度的不斷增加，接觸點出現(xiàn)轉移，接觸不穩(wěn)定，引起拉弧[13]現(xiàn)象，進而對發(fā)射產生不利的影響。Persad C[14]研究發(fā)現(xiàn)，電樞的加速過程使得軌樞界面具有很高的壓力和溫度，界面高溫使樞軌間發(fā)生化學反應。

2 軌樞界面焦耳熱研究

電磁軌道炮采用MA安級的大電流型的脈沖電源，在發(fā)射過程中瞬態(tài)電流產生大量的熱量，在電樞的超高速滑動中，這些熱量使得電樞與導軌接觸部位發(fā)生嚴重燒蝕甚至汽化[15]。軌道炮對電樞的加速在毫秒級內完成，其熱生成速率遠大于散熱速率，近似看作絕熱過程，可以忽略軌道炮系統(tǒng)與空氣的熱對流和對外界的熱輻射[16]。對于電流產生的焦耳熱，國內外學者開展了大量的研究，相應的建立了許多仿真模型。

20世紀80年代中期，Kerrisk等[17]對電磁軌道炮系統(tǒng)熱分散問題進行研究。1989年，Nearing和Huerta[18]開始研究電流的“趨膚效應”對熱效應造成的影響，Johnson和Bauer[19]考慮了溫度對軌樞材料機械性能造成的影響。1994年Hsieh[20]研發(fā)了三維有限元軟件EMAP3D，該軟件可以耦合計算力場、熱場和電磁場的相互作用，為模擬更加復雜的軌樞工作環(huán)境提供了條件。Kim等[21]建立了有限元模型，采用EMAP3D對軌樞界面的焦耳熱進行了數(shù)值模擬，軌樞接觸表面的溫度分布模擬結果與發(fā)射試驗結果相比具有良好的一致性。

相關學者對軌道炮系統(tǒng)焦耳熱進行了仿真及實驗研究。Lv等[22]研究發(fā)現(xiàn)，由于“趨膚效應”的影響，導致歐姆熱局部密集而發(fā)生軌道燒蝕。鞏飛等[23]建立了電磁軌道炮復雜工況下的電接觸模型，對塊狀電樞及導軌的熱效應進行耦合計算。計算結果表明：電樞高速滑動時，隨著等效電阻層厚度的增加，接觸表面的溫度峰值增大。

陳立學等[24]采用ANSYS軟件，通過改變軌道電阻率和高度，對塊狀電樞電流密度的分布進行了數(shù)值模擬，結果表明，電樞尾翼邊沿電流密度集中。之后在方口徑軌道炮上進行實驗，圖3為實驗后回收的電樞。結果發(fā)現(xiàn)在發(fā)射起始階段，因電流分布不均也會造成電樞邊沿熔蝕。

李強等[25]在沒有考慮導軌和電樞之間的摩擦損耗、電樞加速過程中的大氣阻尼等不理想電接觸因素前提下研究了電流波形的影響，結果發(fā)現(xiàn)鋁合金電樞中的熱損耗是991 J，該熱量可使電樞表面溫升至270 ℃，結論是電磁軌道炮單次發(fā)射時所產生的焦耳熱不會導致導軌和電樞熔化。

圖3 回收的電樞

李鶴等[26]在分析軌樞界面接觸電阻的基礎上，利用有限元軟件對接觸界面焦耳熱進行模擬。試驗中軌道炮電樞采用U形鋁質材料，軌道為黃銅，輸入電流等效為恒流350 kA，建立了3D模型探索焦耳熱的溫度場分布，圖4為焦耳熱引起的電樞前端邊沿溫度變化。結果顯示，不同時刻，電樞上溫度相差懸殊，而且焦耳熱在毫秒級內使電樞達到高溫。

圖4 焦耳熱引起的電樞前端邊沿溫度變化

3 軌樞界面載流摩擦熱研究

軌道炮中的軌樞接觸屬于典型的載流摩擦磨損機制，高速滑動過程中接觸界面瞬態(tài)高溫會改變接觸表面環(huán)境，燒蝕接觸表面，加劇摩擦磨損[10]。在滑動電接觸過程中，接觸表面會產生不同程度的溫升，特別是在大載流、超高速的情況下，滑動電接觸表面溫度迅速升高，瞬態(tài)高溫不僅嚴重影響接觸元器件的導電性能，而且對金屬合金接觸表面產生磨損腐蝕，導致耐磨損性能下降[27-29]。

近年來，研究學者對高速載流摩擦做了大量研究工作。戴利民等[30]將有限元模擬和實測溫升相結合，系統(tǒng)研究了低電流下不同熱源對滑板接觸表面溫升與摩擦性能的影響；郭鳳儀等[31]對不同載流摩擦條件下的滑動電接觸進行了分析，對滑動電接觸過程中的最小溫升進行了計算研究[32]，并研究弓網系統(tǒng)摩擦副，建立了溫度場模型，進行滑動電接觸溫升模擬[33]；Dong等[34]建立了相應的鋼鋁復合軌/受電靴的溫度場模型，對載流摩擦的電接觸耦合溫度進行了研究；夏勝國等[35]對大載流超高速滑動電接觸進行了試驗研究；Senouci等[36]和Bryant等[37]對滑動電接觸過程的熱量進行研究；Plesca[38]，Argibay和Sawyer[39]對大電流密度條件下的摩擦性能及電接觸表面溫度進行研究； Morita等[40]對不銹鋼與鋼環(huán)兩種不同材料電刷的滑動接觸特征進行了研究；Nituca[41]根據電動汽車電源建立了熱模型，用來研究不同載流下電接觸熱行為；Rowe等[42]采用原位熱測量法對滑動過程中的接觸溫度進行了測量，此方法適用于低速下滑動電接觸?？偨Y這些研究得出以下結論：載流摩擦磨損是一個電流與摩擦相互作用的復雜交互過程，其特性在很大程度上依賴于對磨件的材料成分、接觸幾何尺寸、接觸表面溫度、周圍的環(huán)境和機器的實際情況參數(shù)；隨著載流摩擦磨損機制的深入研究，研究人員考慮的影響因素也逐漸增多，例如:電流、載荷、速度、電弧、溫度、潤滑、試驗環(huán)境等。

李鶴等[26]建立了電樞側翼的等效2D模型，電樞的滑動速度設為勻速1 000 m/s，選取摩擦因數(shù)分別為0.05和0.1做了模擬計算。圖5為摩擦熱引起的電樞尾部節(jié)點溫度變化示意圖，由其中可以看出，摩擦因數(shù)越大，溫度升高的速度越快，摩擦因數(shù)為0.1時，溫度在0.22 ms時就達到了電樞熔點，而摩擦因數(shù)為0.05時，溫度在0.35 ms時才達到電樞熔點。

圖5 摩擦熱引起的電樞尾部節(jié)點溫度變化

靳智等[43]通過對U型電樞的仿真研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的摩擦熱可以借助一些公式計算，在低速段溫升主要是由于電流值決定，而摩擦熱在高速段起主導作用；并對刨削進行仿真，發(fā)現(xiàn)將界面溫升考慮在內的刨削情況要比常溫下嚴重，材料的屈服強度也因溫升的存在而降低且加劇了初始沖擊后的塑性流動[44]。

雷彬等[45]建立了三維模型，選取摩擦因數(shù)分別為0.02和0.05做了仿真計算，隨后進行了實驗模擬，根據對界面溫度分布的模擬結果，對電樞磨損和接觸性能的熱效應進行分析。結論是摩擦和大電流所產生的熱量可使電樞表面膜熔化并使兩端的電樞邊緣損壞，圖6為發(fā)射后的電樞。摩擦熱增加了實際接觸面積，減少了接觸電阻，并對軌樞界面起到潤滑作用，有利于高速電接觸滑動。但摩擦后的摩擦蓄熱對電樞有害，因為磨損會導致侵蝕，降低發(fā)射效率。對于單次發(fā)射，熱對軌道影響不大，然而，循環(huán)熱應力作用可降低軌道的疲勞壽命[41]。

圖6 發(fā)射后的電樞

4 結束語

電磁軌道炮工作時內部的環(huán)境極其惡劣，材料的高溫失效是制約電磁炮技術發(fā)展的一個瓶頸，嚴重影響使用壽命。導軌和電樞接觸表面的熱主要由三部分構成，接觸電阻產生的焦耳熱、高速滑動時產生的載流摩擦熱、接觸間斷時電流產生的電弧熱。研究其熱效應可以為耐高溫耐磨材料的研究提供理論依據。

隨著電磁軌道炮的研究向工程化邁進，導軌高溫失效帶來的壽命問題將更加突出。作者的研究表明：高強度高導電率、耐磨損耐燒蝕及耐高溫的長壽命軌樞材料和先進涂層是解決電磁軌道炮導軌失效問題的有效途徑。同時，依據電磁效應對電流分布的影響，優(yōu)化導軌和電樞結構設計也是必不可少的手段。熱效應的研究為導軌材料研究和結構設計提供了必要的基礎，但總體上，由于電磁炮膛內環(huán)境極其惡劣、復雜，無論是仿真模擬還是實驗室內模擬發(fā)射，都很難得到準確、重復性強的數(shù)據和結論。因此，關于導軌熱效應持續(xù)、深入的研究仍有待進行。

[1] 呂慶敖,雷彬,李治源,等.電磁軌道炮軍事應用綜述[J].火炮發(fā)射與控制學報,2009，113(1):92-96.

[2] 吳始棟.艦載電磁炮材料的應用研究[J].中外船舶科技,2013(1):25-29.

[3] GERSTLE F P,J R FOLLANSBEE P S,PEARSALL G W,et al.Thermo-plastic shear and fracture of steel during high-velocity sliding[J].Wear,1973,24(1):97-106.

[4] BARBER J P,BAUER K P.Contact phenomena at hypervelocities[J].Wear,1982,78(1):63-169.

[5] MEGER R A,COOPER K,JONES H.Analysis of rail Surfaces from multi-shot railgun[J].IEEE Proceedings of 2004,12thSymposium on Electromagnetic Launch Technology,2004:81-84.

[6] ELKS R L,POYNOR J C,MCGLASRON B T,et al.Influence of bore and rail geometry on an electromagnetic Naval Railgun System [J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(1):182-187.

[7] 勇進.美電磁軌道炮材料研究[J].船艦知識,2012(4):32-25.

[8] 李鶴,雷彬,李治源,等.電磁軌道炮軌道表面刨削產生分析[J].火炮發(fā)射與控制學報,2012(1):43-46.

[9] 金龍文,雷彬,張倩,等.電磁軌道炮熱生成機理及溫度場數(shù)值仿真[J].火炮發(fā)射與控制學報,2012(4):9-12.

[10]吳積欽.弓網系統(tǒng)電弧的產生及其影響[J].電氣化鐵道,2008(2):27-29.

[11]張玉燕,李海龍,王振春,等.大載流高速滑動電接觸表面瞬態(tài)溫度分析[J].中國科學:技術科學,2015,45(8):834-842.

[12]靳智.電磁軌道炮固體電樞的效能研究[D].南京：南京理工大學,2014.

[13]DROBYSHEVSKI E M,ROZOV S I,ZHUKOV B G,et al.Physics of solid armature launch transition into arc mode[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(1):62-66.

[14]PERSAD C.Railgun Tribology—Chemical Reactions Between Contacts[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(1):391-396.

[15]BARBER J P,BAUER D P,JAMISON K,et al.A survey of armature transition mechanisms[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(1):47-51.

[16]黃厚誠.熱傳導問題的有限元分析[M].北京:科學出版社,2011.

[17]KERRISK J F.Electrical and thermal modeling of railguns[J].IEEE Transactions on Magnetics,1984,20(2):399-402.

[18]NEARING J C,HUERTA M A.Skin and heating effects of railgun current[J].IEEE Transactions on Magnetics,1989,25(1):381-386.

[19]JOHNSON D E,BAUER D P.The effect of rail resistance on railgun efficiency[J].Magnetics IEEE Transactions on,1989,25(1):271-276.

[20]HSIEH K.A Lagrangian formulation for mechanically,thermally coupled electromagnetic diffusive processes with moving conductors[J].IEEE Transactions on Magnetics,1995,31(1):604-609.

[21]KIM B K,HSIEH K T,BOSTICK F X.A three-dimensional finite element model for thermal effect of imperfect electric contacts[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(1):170-174.

[22]LV Q A,LI Z Y,LEI B,et al.Primary Structural Design and Optimal Armature Simulation for a Practical Electromagnetic Launcher[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2013,41(5):1403-1409.

[23]鞏飛,翁春生.電磁軌道炮滑動電接觸的熱效應[J].高壓物理學報,2014(1):91-96.

[24]陳立學,何俊佳,夏勝國,等.電磁軌道炮軌道電阻率和軌道高度對電流上升沿階段電樞邊沿熔蝕的影響[J].高電壓技術,2014,40(4):1071-1076.

[25]李強,范長增,賈元智,等.電磁軌道炮導軌和電樞中的焦耳熱分析[J].彈道學報,2006,18(4):38-40.

[26]李鶴,雷彬,呂慶敖,等.電磁軌道炮電樞接觸界面溫度場仿真研究[J].潤滑與密封,2012,37(11):22-26.

[27]董光能,李健,謝友柏,等.具有正溫度系數(shù)特性的導電低密度聚乙烯基復合材料的摩擦磨損性能[J].摩擦學學報,2001,21(1):63-66.

[28]PARK Y W,NARAYANAN T S N S,KANG Y L.Effect of temperature on the fretting corrosion of tin plated copper alloy contacts[J].Wear,2007,262(3/4):320-330.

[29]DING T,CHEN G X,BU J,et al.Effect of temperature and arc discharge on friction and wear behaviours of carbon strip/copper contact wire in pantograph-catenary systems[J].Wear,2011,271(9):1629-1636.

[30]戴利民,林吉忠,劉越,等.受電弓滑板受流摩擦中體溫升的模擬計算分析[J].鐵道學報,2002,24(5):56-61.

[31]郭鳳儀,馬同立,陳忠華,等.不同載流條件下滑動電接觸特性[J].電工技術學報,2009,24(12):18-23.

[32]回立川,陳忠華,郭鳳儀.滑動電接觸中最小溫升的計算研究[J].計算機工程與應用,2013,49(9):232-235.

[33]陳忠華,康立乾,李本君,等.弓網系統(tǒng)受流摩擦下滑板溫度分析與計算[J].高壓電器,2012,48(5):1-5.

[34]ZHU Y.The Effect of Normal Force on the Coupled Temperature Field of the Metal Impregnation Carbon/Stainless Steel under the Friction and Wear with Electric Current[J].Procedia Engineering,2011,16(4):33-36.

[35]夏勝國,朱衛(wèi)東,何俊佳.大電流高速滑動電接觸實驗電源系統(tǒng)研制[J].高電壓技術,2007,33(7):14-17.

[36]SENOUCI A,FRENE J,ZAIDI H.Wear mechanism in graphite-copper electrical sliding contact[J].Wear,1999,225(98):949-953.

[37]BRYANT M D,WANG J P,LIN J W.Thermal mounding in high speed dry sliders:experiment,theory and comparison[J].Wear,1995,s 181-183(1):668-677.

[38]PLESCA A.Thermal analysis of sliding electrical contacts with mechanical friction in steady state conditions[J].International Journal of Thermal Sciences,2014,84(84):125-133.

[39]ARGIBAY N,SAWYER W G.Low wear metal sliding electrical contacts at high current density[J].Wear,2012,s 274-275(3):229-237.

[40]MORITA N,MORI M,UENO T,et al.Comparison of Brush Sliding Contact Characteristics between Structure Steel Ring & Stainless Steel Ring for Large AC Motors[C]// Electrical Contacts,2008.Proceedings of the 54th IEEE Holm Conference on.IEEE,2008:98-102.

[41]NITUCA C.Thermal analysis of electrical contacts from pantograph-catenary system for power supply of electric vehicles[J].Electric Power Systems Research,2013,96:211-217.

[42]ROWE K G,BENNETT A I,KRICK B A,et al.In Situ Thermal Measurements of Sliding Contacts[J].Tribology International,2013,62(6):208-214.

[43]SMITH A N,ELLIS R L,BERNARDES J S,et al.Thermal management and resistive rail heating of a large-scale naval electromagnetic launcher[J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(1):235-240.

[44]LI H,LEI B,LV Q A,et al.Analysis on Thermal Character of Interface Between Rail and Armature for Electromagnetic Railgun[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2013,41(5):1426-1430.

[45]SHVETSOV G A,STANKEVICH S V.Three-Dimensional Numerical Simulation of the Joule Heating of Various Shapes of Armatures in Railguns[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2011,39(39):456-460.

(責任編輯 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

劉貴民(1971—)，男，教授，主要從事失效分析及金屬基復合材料研究。

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：劉貴民，朱碩，閆濤，等.電磁軌道炮膛內熱效應研究綜述[J].兵器裝備工程學報，2017(7):15-19.