毛保全,張?zhí)煲?白向華,朱 銳

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器與控制系，北京 100072)

電磁軌道炮是當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國競相發(fā)展的前沿武器，被軍事專家喻為21世紀(jì)的重大武器、人類發(fā)展史上的革命性武器[1]。電磁炮彈丸發(fā)射速度達(dá)到2.5～3 km/s，小質(zhì)量彈丸甚至達(dá)到80 km/s，遠(yuǎn)超過目前火藥發(fā)射極限速度1.8 km/s。電磁軌道炮是由兩條與大電流并聯(lián)的固定軌道和一個(gè)與軌道保持良好電接觸并可沿軌道軸線滑動(dòng)的電樞構(gòu)成。如圖1所示，當(dāng)電源接通時(shí)，電流沿著一個(gè)軌道流過電樞，然后通過另一個(gè)軌道返回，從而形成閉環(huán)。當(dāng)大電流流過兩條平行軌道時(shí)，在兩條軌道之間產(chǎn)生強(qiáng)磁場，該磁場與流過電樞的電流相互作用,產(chǎn)生電磁力以推動(dòng)電樞和放置在電樞前方的拋射物沿軌道加速以獲得高速[2]。

1.電流；2.磁力線；3.電樞；4.軌道

電磁軌道炮發(fā)射時(shí)是在MA級(jí)別的強(qiáng)脈沖電流的條件下加速彈丸的，其工作條件極為惡劣[3]，材料要經(jīng)受極大的瞬時(shí)熱流沖擊，易造成軌道的嚴(yán)重?zé)g。燒蝕電樞和導(dǎo)軌在軌道炮發(fā)射期間受熱。這種熱源一方面是電樞和導(dǎo)軌之間的摩擦，另一方面是電流和電弧產(chǎn)生的焦耳熱。這種熱量可能導(dǎo)致電樞熔化甚至導(dǎo)致電樞焊接到導(dǎo)軌上。由于加工精度的限制，在導(dǎo)軌的接觸面和銜鐵之間經(jīng)常存在間隙，并且產(chǎn)生電弧，該電弧產(chǎn)生的熱量足以熔化導(dǎo)軌的表面以形成永久性損壞[4]。

燒蝕極大的限制了電磁軌道炮發(fā)揮其應(yīng)有的威力，燒蝕問題的解決是電磁軌道炮工程實(shí)用的關(guān)鍵，具有重要意義。

1 電樞-導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的燒蝕

電樞和軌道燒蝕是制約電磁軌道炮工程化的瓶頸難題。電樞和軌道燒蝕主要集中在電樞的尾部和軌道與電樞接觸的部分，對于這部分的燒蝕，主要原因歸結(jié)為速度趨膚效應(yīng)、高速表面磨損和電樞導(dǎo)軌電接觸面上接觸失壓等[5]。建立一個(gè)2D仿真樞軌幾何模型如圖2所示。

圖2 樞軌仿真模型

仿真中樞軌內(nèi)側(cè)的磁感應(yīng)密度為30 T，電樞運(yùn)動(dòng)速度為0～150 m/s。計(jì)算獲得的樞軌溫度分布如圖3所示?？梢钥闯?，首先發(fā)生燒蝕的部位在電樞-軌道接觸表面的尾部區(qū)域。這是因?yàn)樗俣融吥w效應(yīng)導(dǎo)致電流集中在該區(qū)域，并且高電流產(chǎn)生高焦耳熱。

圖3 樞軌接觸面上溫度的影響

圖3(a)～圖3(d)表明，由于電流總是集中在接觸表面的后緣，因此熔化波在速度趨膚效應(yīng)的作用下向前傳播進(jìn)而形成間隙，由于間隙的存在使得發(fā)生燒蝕的電樞部分不再與軌道接觸，并且當(dāng)熔化的波通過整個(gè)接觸表面后，電樞與軌道分離，接觸方式由金屬與金屬的接觸轉(zhuǎn)換成電弧接觸，電樞將有可能發(fā)生轉(zhuǎn)捩。

圖3(e)及圖3(f)為電樞速度為0 m/s時(shí)溫度分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于頻率趨膚效應(yīng)的影響，燒蝕也發(fā)生在軌道和電樞之間的界面的后緣處。燒蝕區(qū)域基本上是固定的，并且沒有向前形成熔化波的過程。進(jìn)一步分析表明，電樞運(yùn)動(dòng)速度越高，激勵(lì)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，燒蝕進(jìn)展越快。

從仿真分析可以看出電流速度趨膚效應(yīng)對于軌道與電樞間的燒蝕有很大影響。所以通過改變電樞這個(gè)“電流源”和導(dǎo)軌這個(gè)“電流受體”的部分電流輸入量和電流接受量是減少速度趨膚效應(yīng)的一種可行辦法。

在106A強(qiáng)大電流下，高速運(yùn)動(dòng)的電樞-軌道結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重?zé)g和磨損，影響了電磁軌道炮的使用壽命。目前工程界主要采用兩種方式提高軌道、電樞壽命：一是提高電樞和軌道結(jié)構(gòu)間的加工精度，同時(shí)增加電樞和軌道間的接觸作用力(電樞和軌道間作用力達(dá)到幾噸，隨之帶來巨大摩擦阻力和磨損溝壑)；二是強(qiáng)化電磁炮軌道材料性能，提高耐燒蝕、耐磨損性(在高速大電流高熱量環(huán)境下，軌道燒蝕效應(yīng)依然存在)。經(jīng)過多年發(fā)展，以上兩種方法仍不能很好地解決電磁軌道炮的燒蝕問題。特別是電樞的尾部和軌道的初始位置，燒蝕更為嚴(yán)重，縮短了軌道的使用壽命。

2 新型電樞-軌道抗燒蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前電磁軌道炮主要采用固體電樞，存在的電流趨膚效應(yīng)、刨削燒蝕和摩擦生熱等造成燒蝕的原因，其中趨膚效應(yīng)是主要因素。目前針對固體電樞也進(jìn)行了各種理論和試驗(yàn)研究。而混合電樞即固體和等離子體結(jié)合而形成的電樞結(jié)構(gòu)，國外上世紀(jì)九十年代曾實(shí)現(xiàn)過，但等離子體為高溫等離子體，目前公開資料較少，國內(nèi)亦沒有開展相關(guān)研究。高溫等離子體也存在對軌道的二次燒蝕作用，所以不做考慮。

基于磁控低溫等離子體可以改變電樞-軌道接觸面電導(dǎo)率梯度、提高電流擴(kuò)散率進(jìn)而減輕電流趨膚效應(yīng)、降低其接觸面燒蝕，可以設(shè)計(jì)新型的電磁軌道炮電樞-軌道結(jié)構(gòu)來將低溫等離子體添加到電磁軌道炮的發(fā)射過程中。

2.1 磁約束等離子體理論

根據(jù)等離子體物理學(xué)理論[6]，在大約1%的氣體電離情況下，這種電離氣體已可稱為理想的導(dǎo)電氣體。磁約束等離子體技術(shù)已在多種工程試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，高速等離子體通過磁場時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)影響流動(dòng)的洛倫茲力，形成磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)效應(yīng)[7]，這種效應(yīng)可以改變氣體的流動(dòng)狀態(tài)，一定程度地抑制湍流，進(jìn)而影響其傳熱特性[8]。

在國外的研究報(bào)道中，NASA艾姆斯研究中心采用電弧激波管(EAST)設(shè)備開展了磁流體加速實(shí)驗(yàn)研究[9]。其中磁場和電場所需的電能通過大容量電容提供，并且還專門構(gòu)建了電離種子粉末注入裝置以提高氣流電導(dǎo)率[10]。研究表明：當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.92T時(shí)，導(dǎo)電氣體最大可以加速40%。

2.2 強(qiáng)磁環(huán)境下低溫等離子體的生成

低溫等離子體可以通過輝光放電，電暈放電，介質(zhì)阻擋放電，射頻放電，滑動(dòng)電弧放電，熱電弧放電來生產(chǎn)[11]。但其中有很多限制因素如輝光放電只適用于低氣壓環(huán)境，且難于連續(xù)化生成，一般在高壓和強(qiáng)電場的工作條件下，不容易獲得穩(wěn)定的電暈放電，亦容易產(chǎn)生局部的電弧放電等，綜合電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境為強(qiáng)電磁環(huán)境，選擇介質(zhì)阻擋放電、射頻放電、熱電弧放電技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)分析每種方法在強(qiáng)電磁環(huán)境下造成的不同影響，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，保證產(chǎn)生穩(wěn)定高效的低溫等離子體源。

這里制定兩種安裝方案，一是在電樞上設(shè)置等離子體發(fā)生器；二是在導(dǎo)軌上設(shè)置等離子體發(fā)生器。

1)電樞式：

在電樞上安裝等離子體發(fā)生器，利用流經(jīng)電樞的電流作為陽極，底座為接地陰極，在高電壓的情況下電離電樞中的惰性氣體從而生成低溫等離子體，并在洛倫茲力和電場作用下自由電子被電樞吸收，可以在發(fā)射全程作用，而不用過多時(shí)間控制。圖4為電樞式等離子體發(fā)生器。

圖4 電樞式等離子體發(fā)生器示意圖

2)導(dǎo)軌式

由于電磁軌道炮電樞體積較小，在電樞上布置等離子體發(fā)生器空間較小，會(huì)影響到低溫等離子體產(chǎn)生密度，具體實(shí)施也有一定工程難度。而在軌道上布置則會(huì)減少此類難度，而且可以利用外部能源為等離子體發(fā)生器供能，也能采用現(xiàn)有的成熟低溫等離子體發(fā)生器，降低了工程實(shí)踐難度。但缺點(diǎn)在于對等離子體噴射時(shí)間的控制，避免由于控制不當(dāng)，導(dǎo)致等離子體彌漫在導(dǎo)軌與電樞之間造成轉(zhuǎn)捩，降低發(fā)射效率。圖5為導(dǎo)軌式低溫等離子體噴槍結(jié)構(gòu)。

圖5 低溫等離子體噴槍結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 磁約束低溫等離子體的控制技術(shù)

低溫等離子體控制即為達(dá)到特定目的利用相應(yīng)技術(shù)原理對等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或速率進(jìn)行人為控制。由于等離子體包含大量的電子、正離子和中性粒子，因而對于等離子體控制方法主要有磁場約束控制、外加電場控制、其他動(dòng)力源控制等方法。

1)磁場約束控制

通過給等離子體源外加一個(gè)電磁線圈，線圈上施加頻率為ω，幅度為I0的電流，線圈在等離子體源內(nèi)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場：

BZ(t)=Bosin(ωt+φo)

(1)

變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電場：

Eθ(t)=-Eocosωt

(2)

電離氣體的電子受到磁場的約束。帶電粒子在垂直磁場方向，圍繞磁力線作回旋運(yùn)動(dòng)，電子的回旋半徑約為：

(3)

其中:me是電子質(zhì)量;Te是電子溫度;q是電子電荷;B0是等離子體源內(nèi)的磁場。

在平行磁場方向帶電粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是繞磁力線做等螺距的螺旋線運(yùn)動(dòng)。

2)外加電場控制

通過在等離子體源外直接加載電場，可以控制等離子體內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)方向。電場是電荷及變化磁場周圍存在的一種特殊物質(zhì)。電場具有通常物質(zhì)所具有的力和能量等客觀屬性。電場對進(jìn)入其中的電荷有作用力，即電場力F：

F=Eq

(4)

E為電場強(qiáng)度;q為電荷量。

等離子體基本方程包含等離子體連續(xù)性方程(粒子數(shù)守恒原理)和等離子體運(yùn)動(dòng)方程(動(dòng)量守恒原理)：

(5)

式中:n為粒子密度；u為流速；g、l分別為每秒單位體積內(nèi)粒子由電離而產(chǎn)生、由復(fù)合而湮滅的比率；p為壓強(qiáng)；m為粒子質(zhì)量；v為粒子熱運(yùn)動(dòng)速度。

部分電離等離子體狀態(tài)方程為等離子體輔助方程：

(6)

式中:ni為第i種成分的粒子數(shù)密度；λD為Debye長度。

3)其他動(dòng)力源控制

對于等離子體的控制也可以通過使介質(zhì)在電離前即帶有一定速度，如通過控制惰性氣體的流量來簡介控制等離子體速度與方向。

在強(qiáng)電磁環(huán)境下控制方式都會(huì)不同程度受到干擾，可能會(huì)影響等離子體的控制程度，造成不能使等離子體充滿電樞與軌道間的縫隙或者不能達(dá)到為電樞提供電子的目的，這需要后續(xù)要進(jìn)行模擬仿真來確定。

2.4 電磁軌道炮電樞-軌道結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

1)電磁軌道炮電樞結(jié)構(gòu)構(gòu)建

電磁軌道炮的相關(guān)研究中，最主流的電樞類型依舊是固體電樞，如圖6。

圖6 固體電樞

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，除了要考慮正常電磁軌道炮發(fā)射時(shí)必須具有良好0電樞-軌道接觸面、質(zhì)量足夠小、良好的電導(dǎo)率與耐燒蝕的材料外，還要重點(diǎn)考慮利于電子吸附的具體結(jié)構(gòu)，使等離子體與固體電樞有較大的接觸面積。初步考慮采用大通孔和喇叭形設(shè)計(jì)，如圖7所示，主要是增大接觸面積。

為了使等離子體可以更好充滿電樞與導(dǎo)軌間的縫隙，設(shè)計(jì)了側(cè)邊開槽中間打圓形通孔的電樞結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 采用大通孔和喇叭形的固體電樞結(jié)構(gòu)

圖8 采用側(cè)邊開槽中間打圓形通孔的固體電樞結(jié)構(gòu)

2)電磁軌道炮軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)建

本文的軌道設(shè)計(jì)要從總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮低溫等離子體發(fā)生器、低溫等離子體控制、電磁絕緣設(shè)計(jì)等方面因素，使結(jié)構(gòu)上便于布置，以便產(chǎn)生大量穩(wěn)定可控的低溫等離子體。

構(gòu)造成如圖9所示的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌側(cè)邊開梯形槽，單側(cè)導(dǎo)軌依次排列等離子體噴槍，噴槍間距等于電樞喇叭孔長度，控制等離子體噴槍工作的時(shí)機(jī)，使其在電樞喇叭孔上沿到達(dá)時(shí)第一個(gè)噴槍開始工作產(chǎn)生等離子體噴至導(dǎo)軌另一側(cè)，在孔下沿接觸時(shí)停止工作，第二個(gè)噴槍開始工作依次進(jìn)行，從而保證等離子體噴槍只在電樞經(jīng)過時(shí)工作，這樣的考慮即避免了等離子體彌漫于電樞經(jīng)過后的區(qū)域，也能保證電樞一直有等離子體作用。

圖9 電樞導(dǎo)軌結(jié)合半剖圖

2.5 新型電樞-軌道結(jié)構(gòu)的工作

電磁軌道炮發(fā)射過程中，無論采用何種樞軌結(jié)構(gòu)，都會(huì)把低溫等離子體加入到發(fā)射過程。圖10表示電樞式和導(dǎo)軌式等離子體磁約束控制基本原理。

雖然低溫等離子體在放電過程中會(huì)產(chǎn)生溫度極高的電子，但也同時(shí)生成溫度很低的重粒子，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出低溫的狀態(tài)，并且加上磁場的定向約束作用，增升高速運(yùn)動(dòng)的電樞-軌道接觸面的電導(dǎo)率，從而提高電流在電樞-軌道接觸面的電流擴(kuò)散率，降低趨膚效應(yīng)，進(jìn)而降低燒蝕效果。添加橫向磁場后，低溫等離子體做螺旋運(yùn)動(dòng)形成磁箍縮，有利于增加等離子體密度，而且可以控制等離子體填充電樞與導(dǎo)軌間的縫隙，從而減少電弧放電，也能有助于減少燒蝕。

圖10 等離子體磁約束控制基本原理示意圖

3 結(jié)論

1)仿真分析結(jié)果表明，電流速度趨膚效應(yīng)對軌道與電樞間的燒蝕起主要作用。

2)基于磁約束低溫等離子體技術(shù)設(shè)計(jì)的電磁軌道炮樞可以優(yōu)化電樞-軌道結(jié)構(gòu)的燒蝕問題。