張嘉煒, 魯軍勇, 譚賽, 李白, 張永勝

(海軍工程大學(xué) 電磁能技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430033)

0 引言

電磁發(fā)射裝置是一種將脈沖功率電源電能轉(zhuǎn)化為負(fù)載動(dòng)能的直線電機(jī),具有發(fā)射速度高、啟動(dòng)時(shí)間短、發(fā)射動(dòng)能大、負(fù)載可變等優(yōu)點(diǎn),在軍事和民用領(lǐng)域都有著巨大的潛在優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景[1]。

電磁發(fā)射裝置可分為非接觸式與接觸式兩大類,其中電磁彈射、電磁推射、電磁線圈發(fā)射為非接觸式,電磁軌道發(fā)射為接觸式[2],本文主要討論使用固體電樞的電磁軌道發(fā)射裝置。其工作原理為電樞與兩軌道直接接觸導(dǎo)通脈沖電流激發(fā)磁場,電樞受到電磁力推動(dòng)負(fù)載加速進(jìn)行發(fā)射。由于大電流、強(qiáng)磁場、高負(fù)載、高相對速度、高溫度、高接觸壓力等特性,樞-軌接觸副存在一定的損傷,其中軌道作為電磁軌道發(fā)射裝置中重復(fù)使用的核心部件,其表面形貌與樞-軌的接觸狀態(tài)密切聯(lián)系,并與電磁發(fā)射的效率、穩(wěn)定與安全相關(guān),其損傷會降低軌道發(fā)射裝置的使用次數(shù),限制其戰(zhàn)略優(yōu)勢。為了減少軌道表面的損傷,軌道損傷機(jī)理與降損保護(hù)技術(shù)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),但目前針對軌道表面的損傷機(jī)理尚不完全明確,減少表面損傷的技術(shù)尚不完善。

基于此,本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于電磁軌道發(fā)射裝置中軌道表面損傷的研究現(xiàn)狀。從損傷的分類與特征、相應(yīng)的解釋理論和優(yōu)化措施等三個(gè)方面進(jìn)行歸納總結(jié),以期為從事相關(guān)研究的科研人員提供參考。

1 各種損傷形式的分類與特征

1.1 溝槽

溝槽損傷是發(fā)射起始位置到中部,絕緣支撐體附近軌道上出現(xiàn)的細(xì)長狹窄的、沿發(fā)射方向的溝槽狀損傷。其沿發(fā)射方向呈開放擴(kuò)展變化,損傷的最深位置并不與電樞直接接觸[3]。Cooper等[4]在20次發(fā)射后發(fā)現(xiàn)兩條軌道的最大溝槽損傷深度達(dá)到了200 μm和900 μm,深度根據(jù)發(fā)射次數(shù)線性增長,并觀察到了飛濺的熔融電樞鋁液噴濺痕跡。Hsieh[5]用數(shù)值分析方法研究了溝槽在不同材料軌道上的形成。Zielinski等[6]對電樞接觸表面刻蝕了不同的圖案進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在側(cè)邊刻有圓形圖案的電樞發(fā)射時(shí)可以推遲鋁液噴濺,減少軌道溝槽損傷,其仿真計(jì)算得到的前邊沿電流密度小于普通電樞。目前認(rèn)為其損傷的機(jī)理是軌道材料的熱軟化和熔化電樞的液鋁侵蝕共同作用[3-7]。典型的溝槽損傷如圖1所示。

圖1 典型溝槽損傷形貌[4]

1.2 刨削

刨削損傷是軌道與電樞直接接觸的界面上出現(xiàn)的水滴狀小型凹坑損傷,其圓弧端指向口部,尖角端指向尾部,是電樞對軌道超高速非穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)沖擊造成的,深度可達(dá)毫米級別,這種損傷形式最早發(fā)現(xiàn)在不通電流的火箭橇軌道表面,統(tǒng)計(jì)多型發(fā)射裝置發(fā)現(xiàn)存在閾值速度決定刨削的發(fā)生[8-9]。Tarcza等[10]設(shè)計(jì)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),刨削發(fā)生的閾值速度和匹配材料的強(qiáng)度與密度的比值近似呈線性關(guān)系,比值越大,刨削發(fā)生的閾值速度越高。吳金國等[11-12]認(rèn)為橫向過載、電樞的姿態(tài)、軌道的不平整狀態(tài)均會影響刨削的發(fā)生,通過物質(zhì)點(diǎn)法建立了軌道微顆粒誘發(fā)刨削的三維模型,模擬了刨削形成的過程,并推導(dǎo)了材料屬性相關(guān)的刨削閾值速度預(yù)測公式。楊丹等[13]研究了刨削出現(xiàn)與沿發(fā)射方向不均勻的軌道剛度有關(guān)。劉峰等[14]、Zhu等[15]使用LS-DYNA軟件復(fù)現(xiàn)了刨削的發(fā)生,仿真后認(rèn)為電樞前端倒角的增大、電樞質(zhì)心的后移、降低軌道表面的凸起均可以減小刨削損傷的深度。Watt等[16]在普通軌道上制造壓痕缺陷,與同工藝制造的普通軌道進(jìn)行電磁發(fā)射試驗(yàn),認(rèn)為宏觀缺陷存在與否并沒有影響刨削閾值速度的變化,故判斷這種損傷是微觀不均勻凸點(diǎn)造成的,在達(dá)到閾值速度后由于制造工藝一致,微觀凸點(diǎn)的特性基本一致,導(dǎo)致軌道發(fā)生刨削的閾值速度沒有變化。Jin等[17]利用Abaqus/Explicit軟件對刨削模型進(jìn)行了三維仿真,發(fā)現(xiàn)刨削損傷的尺寸由電樞速度、電樞長度和負(fù)載大小共同決定。典型的刨削損傷如圖2所示。

圖2 典型刨削損傷形貌[15]

1.3 轉(zhuǎn)捩燒蝕

轉(zhuǎn)捩燒蝕損傷是電磁軌道發(fā)射裝置中一種引發(fā)機(jī)理尚不明確的電弧燒蝕損傷?，F(xiàn)象上表現(xiàn)為發(fā)射時(shí)膛口電壓的突然升高,發(fā)射后檢查裝置發(fā)現(xiàn)電壓抬升時(shí)電樞所在位置的軌道上有明顯的不規(guī)則凹坑狀燒蝕痕跡。研究人員認(rèn)為轉(zhuǎn)捩是電樞軌道在發(fā)射時(shí)接觸狀態(tài)由固體-固體或固體-液體-固體轉(zhuǎn)化為固體-等離子體-固體電接觸,在接觸面發(fā)生了電弧擊穿導(dǎo)致軌道表面嚴(yán)重?zé)g的現(xiàn)象[18]。在研究電磁軌道發(fā)射裝置的歷史中,轉(zhuǎn)捩損傷尚無確切的劃分方法來評判其對軌道的損傷程度。轉(zhuǎn)捩燒蝕只在局部造成明顯的電弧燒蝕,可能會在轉(zhuǎn)捩后又迅速恢復(fù)正常狀態(tài)直到出膛[19],轉(zhuǎn)捩主要出現(xiàn)在軌道臨近出膛的后半部分[20-21]。目前認(rèn)為可能造成轉(zhuǎn)捩的機(jī)理有很多,包括電樞材料磨損過多且不均一導(dǎo)致無法正常接觸,激勵(lì)電流下降沿在電樞尾部產(chǎn)生的反向電流激發(fā)了抬起電樞尾部的電磁力導(dǎo)致失接觸,磁鋸力導(dǎo)致電樞喉部斷裂破碎,磁吹力大于壓力導(dǎo)致電樞尾翼抬起離開軌道等,均與電樞結(jié)構(gòu)、電流波形等相關(guān)[22]。典型的轉(zhuǎn)捩燒蝕損傷形貌如圖3所示,A、B、C位置分別是初始接觸區(qū)、飛濺區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。

圖3 典型的轉(zhuǎn)捩燒蝕損傷形貌[23]

1.4 熔蝕摩擦磨損

熔蝕摩擦磨損損傷是軌道表面在電樞滑過時(shí),摩擦接觸造成的相對均勻且微量的材料損傷。大電流在接觸界面產(chǎn)生焦耳熱,由于樞-軌接觸表面不光滑,接觸不佳,造成接觸面的電阻上升加劇焦耳熱;電樞在軌道上高速移動(dòng),存在巨大壓力與剪切力作用在電樞與軌道接觸界面。基于其熱、力共同作用的原理,將其定義為熔蝕摩擦磨損。

多數(shù)文獻(xiàn)研究的重點(diǎn)是電樞的熔蝕摩擦磨損,利用Archard模型通過過盈量、加速度、磨損系數(shù)來預(yù)測接觸狀態(tài)、磨損體積、磨損深度[24]。Watt等[25]認(rèn)為熔蝕波速度與電流平方和相對速度的乘積(I2v)呈正相關(guān),并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究電樞的主要原因是電樞相對于軌道熔點(diǎn)更低,單次發(fā)射可以造成相當(dāng)顯著的材料損失并進(jìn)行測量,而軌道的損傷則不顯著。Dutta等[26]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)沉積物較多的位置,沉積物剝脫后軌道的微觀表面變得更加粗糙;在沉積分界面比較明顯的位置,沉積側(cè)也有一定比例物質(zhì)成分屬于軌道元素。其認(rèn)為可能在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生了一定的化合物,從而在沉積物剝脫后帶走軌道本體的材料,對軌道造成微量損傷,其界面顯微照片與成分分析如圖4所示。Clifford等[27]在發(fā)射后的軌道上發(fā)現(xiàn)了由軌道、電樞材料熔化后形成的銅鋁合金。黃偉等[28]在CuCrZr合金軌道與7075鋁合金電樞匹配下進(jìn)行了10次出口速度大于2 000 m/s 的發(fā)射,并觀察試驗(yàn)后的軌道宏觀、微觀形貌,起始段軌道表面起伏200 μm,運(yùn)動(dòng)速度接近2 000 m/s 時(shí)表面起伏降低到11.5 μm。王振春等[29]在發(fā)射軌道各處均發(fā)現(xiàn)了典型磨損特征的損傷。目前規(guī)避轉(zhuǎn)捩燒蝕等顯著損傷的手段并不成熟,熔化的電樞材料凝固后覆蓋在軌道表面,導(dǎo)致這種微量的損傷在電磁軌道發(fā)射裝置中很難被研究者們發(fā)現(xiàn)。高速鐵路中受電弓與電網(wǎng)的損傷模式與之類似,同屬載流摩擦磨損,研究者通過搭建等效試驗(yàn)平臺研究其損傷規(guī)律與機(jī)理,認(rèn)為電流與壓力存在使磨損率最小的最優(yōu)匹配[30],但該研究中電流密度、壓力、相對速度等參數(shù)均遠(yuǎn)小于電磁軌道發(fā)射,故參考價(jià)值有限。美國陸軍軍備研究開發(fā)和工程中心的貝尼特實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種熔蝕磨損模擬裝置觀察到銅軌道熔化的現(xiàn)象[31]。Bauer等[32]設(shè)計(jì)了一種銷盤摩擦裝置模擬樞-軌接觸,來尋找對磨性能匹配的接觸副,但兩種裝置的相對運(yùn)動(dòng)速度條件僅能達(dá)到100～200 m/s。

圖4 3次發(fā)射后的軌道狀態(tài)

各種典型的軌道表面損傷位置與特征如圖5所示。

圖5 軌道表面損傷位置與特征示意圖

2 理論解釋與仿真

材料的損傷是受多種因素復(fù)合作用的結(jié)果,在電磁軌道發(fā)射裝置中,力的不均勻分布、電流的不均勻分布以及材料動(dòng)態(tài)特性具有區(qū)別于一般接觸損傷系統(tǒng)的特征,也是研究人員進(jìn)行分析的重點(diǎn)。

2.1 接觸力的不均勻分布

除了樞-軌表面本身的起伏造成接觸力不均勻會導(dǎo)致局部沖擊[11],在假設(shè)軌道電樞平整時(shí)實(shí)際接觸的面積與狀態(tài)和理想情況也有一定差異。圖6 所示為過盈電樞裝填后接觸面壓力分布仿真結(jié)果,有部分理論接觸區(qū)域的接觸壓力為0 MPa,即不接觸[33]。樞-軌之間的結(jié)構(gòu)匹配對初始接觸狀態(tài)造成重要的影響,決定了電流導(dǎo)通時(shí)的瞬時(shí)路徑。許多研究者進(jìn)行了樞-軌結(jié)構(gòu)匹配的研究,包括軌道的形狀、電樞的關(guān)鍵尺寸大小在接觸狀態(tài)以及避免轉(zhuǎn)捩中發(fā)揮的作用[34-35]。圣路易斯法德實(shí)驗(yàn)室研究了電刷電樞的發(fā)射特性,認(rèn)為電刷電樞與常規(guī)的C型電樞相比,有更均勻的接觸分布、更低的材料損失,但是發(fā)射效率卻不高[36]。馮建源等[37]采用正交試驗(yàn)法,使用有限元軟件ANSYS來研究過盈的結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸特性的影響。范薇等提出了瞬態(tài)安克法則,指出在電樞運(yùn)行的瞬態(tài)過程中受到壓力也需要滿足1 g/A的受力下限要求,以規(guī)避失接觸[38]。

圖6 過盈電樞的接觸壓力分布[33]

實(shí)際接觸的效果與理想設(shè)計(jì)的不同,帶來的差異會影響到電流真實(shí)的流動(dòng)路徑。Hsieh等研究了非理想接觸對接觸電阻的影響,推導(dǎo)了CLM(Contact Layer Model)模型與CSHFM(Contact Surface Heat Flux Model)模型[39];Kim等利用自編的有限元軟件EMAP3D仿真非理想接觸界面的電擴(kuò)散與熱效應(yīng)[40]。

動(dòng)態(tài)發(fā)射過程中,電樞不斷熔化,給接觸狀態(tài)造成了新的影響。為了研究熔化物質(zhì)在摩擦界面中的存在形式,部分研究人員將熔化后的樞-軌界面材料稱為磁流體,進(jìn)行磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)分析,使用納維-斯托克方程建立了多物理場耦合模型,研究界面中熔化物的受力情況。Merrill等將湍流考慮在其中[41]。湯亮亮[42]考慮了液體黏滯力等的產(chǎn)熱。Wang[43]在磁流體模型上增加彈性力學(xué)、熱學(xué)分析,將MHD擴(kuò)展為METHD(Magneto-elastothermohydrodynamic)。Ruan等[44]將磁流體擴(kuò)展到三維,從而分析熔融物從界面噴射的行為。李白等[45]考慮了滑動(dòng)界面的粗糙度對磁流體厚度的影響。

2.2 電流的不均勻分布

電磁軌道發(fā)射裝置工作時(shí)電樞在軌道間高速移動(dòng),且驅(qū)動(dòng)電流具有高峰值、強(qiáng)暫態(tài)等特點(diǎn),故電流在樞-軌中的瞬時(shí)分布特性與穩(wěn)態(tài)有所差異。由此建立了一系列考慮電流瞬態(tài)傳導(dǎo)特性的模型,其中包括電流趨膚效應(yīng)、速度趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、磁吹效應(yīng)等瞬態(tài)物理模型[46-47]。Bayati等[48]將IEM(Intelligent Estimation Method)算法擴(kuò)展到時(shí)域,稱為IEM-TD(Intelligent Estimation Method-Time Domain)算法,根據(jù)發(fā)射參數(shù)和行為特征來預(yù)測動(dòng)態(tài)電流分布及其最大值。

電流趨膚效應(yīng)是指瞬態(tài)電流會集中在導(dǎo)體的表面流動(dòng),Tang等認(rèn)為電流趨膚效應(yīng)的影響不可忽略,考慮電流趨膚效應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的分析[49]。楊玉東等[50]考慮電流趨膚效應(yīng),分析了電阻梯度、電感梯度隨時(shí)間及頻率的變化影響。

速度趨膚效應(yīng)(VSE)是在有相對移動(dòng)的電接觸情況下提出的,是造成軌道軸向截面電流呈現(xiàn)類似三角形分布的原因。圖7所示是無相對速度和有相對速度情況下電流流線的仿真分布情況,可以發(fā)現(xiàn)電流在有速度的情況下,樞-軌界面電流聚集情況更明顯[51]。Stefani等[52]以此為基礎(chǔ)提出了熔化波理論來解釋電樞的材料熔蝕與轉(zhuǎn)捩發(fā)生的可能性,設(shè)計(jì)了一個(gè)可隨時(shí)中斷電流的發(fā)射裝置來研究樞-軌接觸面的熔化過程。受到速度趨膚效應(yīng)作用,電流會首先集中在電樞的后端并造成材料熔化,在電樞向前運(yùn)動(dòng)過程中,熔化波在電樞上的相對位置也在因?yàn)椴粩嗳畚g材料而向電樞頭部移動(dòng),直到熔化波從電樞尾部移動(dòng)到頭部,材料厚度不足以連接軌道而發(fā)生失接觸,導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩。鞏飛等利用有限差分法模擬了電流熔化波的形成及傳播過程,復(fù)現(xiàn)了熔化面呈U型的結(jié)果[53]。Merrill等[54]在一維情況下分析了電樞因熔化波造成材料噴濺丟失后,電流向電樞剩余部分堆積的影響。Li等[55]對移動(dòng)影響下電樞上磁場和電流的分布進(jìn)行了分析,認(rèn)為速度達(dá)到一定程度時(shí)VSE現(xiàn)象會趨于飽和。

圖7 電流流線分布[51]

鄰近效應(yīng)是指兩軌道在導(dǎo)通脈沖電流時(shí),由于電流方向相反,在內(nèi)部激發(fā)的渦流于上升沿加強(qiáng)軌道相鄰內(nèi)側(cè)、降低外側(cè)的電流密度,在下降沿降低相鄰內(nèi)側(cè)、加強(qiáng)外側(cè)電流密度的現(xiàn)象[46]。

磁吹力是電樞在軌道上運(yùn)行時(shí)電流聚集在局部穿過接觸界面而產(chǎn)生的傾向于把接觸界面分開的電磁力。Barber等[56]以磁吹力的概念對樞-軌界面轉(zhuǎn)捩的可能性進(jìn)行研究,得到了電樞圓形熔蝕以及矩形熔蝕時(shí)磁吹力的解析計(jì)算公式與轉(zhuǎn)捩判定方法,認(rèn)為電樞與軌道尺寸是關(guān)鍵影響因素。Merrill等[57]對特定樞-軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真,計(jì)算得到磁吹力引發(fā)轉(zhuǎn)捩的電樞接觸面積丟失比例需要達(dá)到98%,認(rèn)為磁吹效應(yīng)不是造成轉(zhuǎn)捩的主要原因。

2.3 材料的動(dòng)態(tài)特性

電磁軌道發(fā)射裝置發(fā)射過程中與多次發(fā)射累積后的溫度升高均會造成軌道的材料性能變化,包括導(dǎo)電性能下降、硬度下降、強(qiáng)度下降等,導(dǎo)致提高焦耳熱功率、材料軟化,故加劇磨損。Hsieh在針對溝槽損傷進(jìn)行仿真時(shí),就考慮了材料電導(dǎo)率、屈服強(qiáng)度根據(jù)溫度的變化特性[5]。徐偉東等[58]復(fù)現(xiàn)了連發(fā)時(shí)溫度累積造成接觸電阻上升的現(xiàn)象。

Landen等[59]認(rèn)為在高應(yīng)變率狀態(tài)下材料的部分物理特性也會改變,通過實(shí)驗(yàn)研究了高應(yīng)變率下材料的強(qiáng)度變化。

3 優(yōu)化措施

針對受力分布、電流分布、材料動(dòng)態(tài)特性等要素影響,研究者們主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電流調(diào)波來減輕損傷。優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)施時(shí),可根據(jù)不同機(jī)理同時(shí)從多個(gè)角度產(chǎn)生正面影響,從而減小損傷的程度。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化:一是通過降低匹配結(jié)構(gòu)剛度、增加接觸面積得到更均勻的壓力分布特征;二是通過改變樞-軌形狀,降低瞬態(tài)電流特性造成的電流不均勻程度,從而降低軌道邊緣的熱量聚集與應(yīng)力集中。

在電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面:Xia等[60]在平軌道平電樞的基礎(chǔ)上對電樞結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析,仿真后發(fā)現(xiàn)電樞尾翼長度、尾端厚度、尾翼根部厚度、過盈量等會影響接觸壓力分布進(jìn)而改變接觸接面上的電流分布;Li等[61]認(rèn)為電樞根部厚度和過盈量是影響初始接觸狀態(tài)的關(guān)鍵因素,并使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測不同關(guān)鍵尺寸電樞的接觸狀態(tài),提出改善接觸狀態(tài)的電樞結(jié)構(gòu)改進(jìn)策略;Lǚ等[62]設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)柔性接觸的樞-軌匹配結(jié)構(gòu),并已通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其性能,不僅在減輕電樞質(zhì)量的同時(shí)避免磁鋸效應(yīng),還能在運(yùn)行時(shí)提供足夠的壓力,提供了更高的電感梯度、更容易控制的滑動(dòng)接觸方式。固體電樞除了典型的C型電樞,還有金屬絲配合絕緣體形成的電刷電樞,圖8所示為典型的C型電樞與電刷電樞[36]。金屬絲相比C型塊狀金屬電樞,彈性更好,剛度更低,能產(chǎn)生更均勻的接觸分布,對軌道的損傷也會更小,而且絕緣體密度比金屬低,無效負(fù)載會更小,理論上具有更高的效率,但是由于金屬絲的導(dǎo)通能力較弱,可供轉(zhuǎn)化的磁能減少,導(dǎo)致實(shí)際發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換效率下降[36,63-64]。

圖8 兩種不同的固體電樞

在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面:Zuo等[65]分析了凸軌道、凹軌道、平軌道3種軌道的差異,發(fā)現(xiàn)凸軌道出現(xiàn)反向電流的情況最弱,同時(shí)電流在凸軌道上的分布也最均勻,平軌道和凹軌道在邊角處有較高的電流密度,可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中以致引發(fā)損傷;Jin等[66]對3種軌道進(jìn)行了電流分布仿真。圖9所示為電流在平頂段時(shí)的分布云圖。Wan等[67]考慮了3種軌道熱管理的特性,發(fā)現(xiàn)同樣冷卻條件下凸軌道的溫度峰值最低。

圖9 各個(gè)形狀軌道的平頂段電流分布[66]

為了以更低的總電流激發(fā)電樞所需的推力,研究者提出了平面增匝式和層疊式兩種改進(jìn)的軌道發(fā)射裝置[2](見圖10),兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)的4條軌道連接方式有所不同,目的都是在降低激勵(lì)電流的前提下于電樞位置產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場,從而使電樞仍受到足夠的推進(jìn)力。將兩種改進(jìn)型與普通型發(fā)射裝置進(jìn)行仿真,結(jié)果認(rèn)為改進(jìn)型確實(shí)可以有效提高電感梯度[68]。

圖10 兩種串聯(lián)增強(qiáng)型軌道發(fā)射裝置[68]

Naga Praneeth等[69-70]設(shè)計(jì)了一種沿發(fā)射方向逐漸變薄的錐形軌道,在背面還有圓角來避免電流趨膚效應(yīng)造成的電流集中,這種設(shè)計(jì)經(jīng)理論分析后認(rèn)為可以提高發(fā)射速度、發(fā)射效率。陳立學(xué)等[71]對不同電導(dǎo)率材料、不同高度的軌道進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)低電導(dǎo)材料與低高度的軌道有較小的電樞側(cè)沿熔蝕,故設(shè)計(jì)了一種表面覆層低電導(dǎo)金屬,側(cè)邊是鋸齒形的軌道,仿真認(rèn)為這樣可以有效降低接觸面電流的局部集中程度,達(dá)到降低熔蝕的目的。

3.2 材料設(shè)計(jì)

材料本身的性能是控制磨損的關(guān)鍵因素,主要通過兩種路線實(shí)現(xiàn)。一是選取具有高溫下高屈服強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)、低電導(dǎo)率的優(yōu)異動(dòng)態(tài)特性軌道材料,克服瞬態(tài)電流集中、瞬時(shí)熱量集中、應(yīng)力集中造成的熱軟化變形、熔化;二是選取低熔點(diǎn)材料作為 “潤滑劑”涂覆在樞-軌之間,通過降低發(fā)射時(shí)接觸不均勻程度,從而降低摩擦熱、焦耳熱、應(yīng)力集中程度,降低軌道表面的瞬時(shí)溫度。

Zielinski等[6]提出使用高強(qiáng)度、低密度的軌道材料來提高刨削閾值速度。Siopis等[72]針對軌道材料使用Ashby方法進(jìn)行了篩選,發(fā)現(xiàn)各種材料的性能在磁能利用與耐久度的需求上存在沖突,于是提出了以導(dǎo)電襯底(銅)來保持磁能,表面使用抗損傷的鎢、鉻、鎳、鉭等材料的復(fù)合設(shè)計(jì)。由于高強(qiáng)度的材料通常意味著低電導(dǎo),其相比高電導(dǎo)材料具有更寬的電流趨膚深度,故保護(hù)的同時(shí)還可以降低表面的電流密度[71]。但低電導(dǎo)材料會降低發(fā)射效率,故表面覆層的材料與厚度需要根據(jù)發(fā)射效率與耐磨需求有所權(quán)衡。Keshtkar等[73]進(jìn)行層疊式的軌道和電樞設(shè)計(jì),在厚度和寬度方向上設(shè)計(jì)了不同材料的陣列組合,研究了降低軌道受電磁力的陣列設(shè)計(jì)。實(shí)際使用層疊結(jié)構(gòu)的軌道時(shí),還需要特別注意復(fù)合結(jié)構(gòu)造成穩(wěn)定性下降的負(fù)面效果。

為了減小軌道表面的摩擦,軌道表面涂覆其他材料,包括熔點(diǎn)低的金屬或其他導(dǎo)電潤滑物質(zhì)。Chemerys[74]用磁擴(kuò)散模型分析了在軌道上涂覆不同材料時(shí)電流的分布規(guī)律。閆濤等[75]用等離子噴涂技術(shù)在45CrNiMoVA鋼表面制備了Mo涂層,觀察了涂層顯微形貌,測試了顯微硬度和載流摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)與基體相比,Mo涂層的磨合時(shí)間較短,摩擦系數(shù)更小,耐電弧燒蝕能力強(qiáng),磨損量小。

除了在軌道上進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),有研究者在電樞內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)潤滑物儲蓄腔,在發(fā)射時(shí)不斷地釋放潤滑物質(zhì)改善接觸,以此保證每一次發(fā)射以及在每個(gè)位置都有足夠的潤滑物存在,其發(fā)射前與發(fā)射中的狀態(tài)如圖11[43]所示?；蛘咧苯訉﹄姌斜砻孢M(jìn)行鍍層,由于電樞是一次性的,使用熔點(diǎn)低的材料鍍層,包括石墨烯、錫等可以實(shí)現(xiàn)熔化后的潤滑效果[76-77],但要避免熔化材料丟失過快,造成接觸不良導(dǎo)致的電弧擊穿。圖12為常規(guī)電樞與石墨烯鍍層后電樞的試驗(yàn)前后對比,認(rèn)為石墨烯鍍層有一定的減小磨損的效果。

圖11 潤滑物儲蓄腔電樞[43]

圖12 典型U型電樞發(fā)射前后對比[77]

3.3 驅(qū)動(dòng)電流調(diào)波

通過設(shè)計(jì)脈沖電源調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的波形,可以維持發(fā)射全程樞-軌接觸狀態(tài)的穩(wěn)定性與均勻程度。

研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)捩多出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電流下降到峰值的80%左右發(fā)生,研究人員可通過調(diào)整上升段時(shí)長與坡度、平頂段時(shí)長與峰值和下降段時(shí)長,使電樞出膛時(shí)的電流高于80%的峰值,以此避免可能發(fā)生的轉(zhuǎn)捩,同時(shí)保證發(fā)射能級要求[78]。但出膛時(shí)較高的驅(qū)動(dòng)電流會讓引弧器承受較高的引弧電流,造成引弧器更嚴(yán)重的燒蝕,使引弧器的壽命快速下降,同時(shí)也造成更多能量的浪費(fèi),使發(fā)射效率下降。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了近數(shù)十年國內(nèi)外研究者有關(guān)電磁軌道發(fā)射裝置軌道表面損傷的分類、相應(yīng)的解釋理論、改善措施等內(nèi)容。目前,針對溝槽損傷、刨削損傷和轉(zhuǎn)捩燒蝕損傷等顯著的損傷類型,已存在較為完善的形貌特征描述、發(fā)生規(guī)律總結(jié)、理論原因分析、仿真復(fù)現(xiàn)方法,并提出了針對性的改進(jìn)措施,取得了較好的效果。而熔蝕摩擦磨損損傷,描述其形貌特征、分布特征、演變規(guī)律的文獻(xiàn)較少,損傷機(jī)理尚不明確。

主要原因一是電磁軌道發(fā)射裝置內(nèi)各物理量深度耦合、互相影響,難以精確控制裝置內(nèi)部的某一因素,進(jìn)行控制變量試驗(yàn),尋找內(nèi)部規(guī)律;二是在電磁軌道發(fā)射的極端工況下,難以搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行等效試驗(yàn),而測量發(fā)射裝置內(nèi)部物理量的手段極其有限,精度和響應(yīng)頻率的要求較高,內(nèi)部物理變量多數(shù)僅能靠已有的物理模型進(jìn)行仿真計(jì)算;三是克服表面顯著損傷的方法不夠成熟,并具有一定的負(fù)面影響,導(dǎo)致難以進(jìn)行穩(wěn)定的重復(fù)發(fā)射,進(jìn)而無法觀察到微量損傷的累積現(xiàn)象。針對這些難點(diǎn),未來有關(guān)軌道表面損傷的研究重點(diǎn)將集中在以下4方面:

1) 發(fā)射裝置內(nèi)部物理量的原位測量手段,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行精確的物理建模與機(jī)理分析。

2) 電磁發(fā)射瞬時(shí)極端工況多物理場深度耦合的建模方法,通過仿真模擬復(fù)現(xiàn)損傷過程,揭示各物理量間互相影響的效果與損傷主因。

3) 發(fā)射裝置表面降損的優(yōu)化策略,研究不同優(yōu)化方法對低損傷與高效率需求之間的影響程度并評判優(yōu)劣。

4) 軌道表面損傷形貌與分布規(guī)律對發(fā)射物發(fā)射狀態(tài)的影響評估,以及軌道表面損傷累積深度關(guān)于發(fā)射裝置使用次數(shù)與工況的預(yù)測。

綜上所述,如何安全、高效、穩(wěn)定地應(yīng)用電磁軌道發(fā)射技術(shù),還需要更深入的研究,以發(fā)揮電磁軌道發(fā)射的優(yōu)勢。