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電磁軌道發(fā)射是一種采用電磁力將物體加速至超高速的新型發(fā)射技術(shù)。與傳統(tǒng)電接觸不同，電磁軌道發(fā)射工作處于一種極限滑動(dòng)電接觸的狀態(tài)，具有工作時(shí)間短、電流幅值高、電流密度大、接觸壓強(qiáng)高、相對(duì)滑動(dòng)速度快等特點(diǎn)。在這種極限工作條件下，電樞和軌道具有獨(dú)特的電流分布特性。

據(jù)了解，電磁軌道炮電流分布特性與其發(fā)射性能密切相關(guān)，電流在局部區(qū)域的集中可能導(dǎo)致電樞和軌道的熔蝕損傷，造成界面熔化沉積。同時(shí)，局部溫度過(guò)高導(dǎo)致電樞和軌道機(jī)械強(qiáng)度的下降，造成電樞和軌道失接觸，引發(fā)電樞振動(dòng)、轉(zhuǎn)捩電弧等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電樞和彈丸的發(fā)射穩(wěn)定性，造成軌道和內(nèi)膛絕緣的損傷。電樞電磁力的縱向分量加速?gòu)椡瑁浯怪狈至刻峁╇姌泻蛙壍篱g接觸壓力，電流分布特性也決定了彈丸推力和樞軌接觸壓力的動(dòng)態(tài)變化。

因此，電流分布特性關(guān)系著電樞和彈丸的發(fā)射穩(wěn)定性、發(fā)射器內(nèi)膛壽命等，優(yōu)化電流分布特性對(duì)提升電磁發(fā)射的性能具有重要意義，而揭示電磁軌道發(fā)射中電流分布特性是開展電磁發(fā)射技術(shù)研究中非常重要的一環(huán)。

華中科技大學(xué)的研究人員分析了樞軌界面狀態(tài)、樞軌材料、樞軌結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電流對(duì)電流分布特性的影響規(guī)律，提出了馬鞍C形電樞在改善電流分布上的優(yōu)勢(shì)，闡述了影響電流分布的三種物理效應(yīng)——趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和速度趨膚效應(yīng)，總結(jié)出了優(yōu)化電流分布的若干措施，為電磁軌道發(fā)射的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

研究人員認(rèn)為，目前對(duì)于采用固體電樞的電磁軌道炮來(lái)說(shuō)，優(yōu)化電樞和軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是改善電流分布最有效的途徑。電樞喉部采取馬鞍設(shè)計(jì)能夠有效減小電樞中的電流密度峰值，提高電流分布的均勻性。但馬鞍電樞喉部的曲率半徑較小，喉部頂點(diǎn)的電流密度大，磁矩效應(yīng)仍可能出現(xiàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，他們?cè)隈R鞍C形弧面電樞的基礎(chǔ)上提出進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：增大馬鞍電樞喉部曲率半徑能夠有效緩解電樞喉部的電流集中現(xiàn)象。相比于馬鞍電樞，優(yōu)化后得到的馬鞍圓弧電樞能夠?yàn)闃熊壗佑|面提供更好的初始接觸壓力和電接觸性能。

在固體電樞電磁軌道炮系統(tǒng)中，保持電樞軌道界面良好的電接觸至關(guān)重要。在電流位于上升沿的發(fā)射起始階段，往往可以發(fā)現(xiàn)電樞材料熔化沉積集中在軌道的外側(cè)，這表明該階段電流在電樞邊沿集中的特性。

研究表明，提高軌道電阻率或降低軌道高度能夠減小電樞尾翼邊沿的電流密度。為了提高軌道電阻率，可以采用內(nèi)外分層的軌道結(jié)構(gòu)；為了減小炮尾部分的軌道高度，可以考慮將軌道設(shè)計(jì)成鋸齒狀。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)電流分布特性的研究現(xiàn)狀，目前電流分布的改善措施主要集中在樞軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和樞軌材料技術(shù)兩方面。其中，優(yōu)化樞軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最有效且廣泛使用的手段，樞軌材料技術(shù)目前尚不成熟，所開展的研究主要集中在電樞和軌道表面涂層的研制領(lǐng)域。

由于電磁場(chǎng)所輸出的電流和磁場(chǎng)分布是其他物理場(chǎng)的輸入和基礎(chǔ)，且各物理場(chǎng)之間高度耦合，那么在通過(guò)各種措施改善電流分布時(shí)應(yīng)注意所帶來(lái)的不利附加效應(yīng)，例如：

1）提高軌道電阻率在減小電樞尾翼邊沿電流密度的同時(shí)也增大了軌道上的電流損耗，焦耳熱的積累會(huì)導(dǎo)致軌道嚴(yán)重發(fā)熱甚至燒蝕。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)將軌道電阻率調(diào)整于合理范圍內(nèi)，并采用耐燒蝕的軌道材料。

2）增強(qiáng)型軌道炮為彈丸所提供的更快出膛速度需要更長(zhǎng)的軌道與之匹配，炮身的加長(zhǎng)不利于電磁軌道炮的整體設(shè)計(jì)。同時(shí)，炮身內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)可能干擾彈丸的制導(dǎo)裝置等器件的正常工作，對(duì)電子器件的可靠性提出更嚴(yán)苛要求。

3）延緩驅(qū)動(dòng)電流的上升沿在提高樞軌電流分布均勻性的同時(shí)，將導(dǎo)致電樞啟動(dòng)較慢并且在低速階段發(fā)生嚴(yán)重的電流熔蝕。

該研究團(tuán)隊(duì)指出，在電磁發(fā)射的工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素。在滿足發(fā)射性能指標(biāo)的條件下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)樞軌結(jié)構(gòu)、樞軌材料及其他發(fā)射參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，合理選擇電流分布的優(yōu)化方案。

以上研究成果發(fā)布于2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文題目為“電磁軌道炮電流分布特性研究綜述”，作者為阮景輝、陳立學(xué)、夏勝國(guó)等。