增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性研究

王振春， 鲍志勇， 曹海要， 刘福才， 战再吉， 王大正

(1.燕山大学 工业计算机控制工程河北省重点实验室， 河北 秦皇岛 066004;2.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室， 河北 秦皇岛 066004)

0　引言

不同于普通弓网接触，电磁轨道炮的枢轨接触是一种伴随着大电流、高速度、材料熔蚀等严峻环境的滑动电接触现象[1-2]。电磁发射驱动电流达到几百千安甚至兆安级别，将导致电流密度接近发射轨道电流的承受极限[3]。同时，在电磁发射过程中，当电枢从0加速至2 km/s级别时，电枢和导轨之间的接触状态会发生咬合、刨削、转捩等严重磨损熔蚀现象，将导致轨道烧蚀的发生，从而降低发射性能并严重影响轨道的使用寿命[4]。

枢轨接触电阻受到多种因素的影响。陈允等[5]通过分析电枢与不同轨道材料间的接触状况，得出所有接触电阻曲线具有相似的变化趋势的结论；Xu等[6]研究后认为，在高频试验条件下，表面滑动电接触性能将会受到温升的影响；李鹤等[7]通过分析发射器的轨道材料电阻率以及轨道高度，发现二者都会造成电枢熔蚀，导致接触电阻变化；Chen等[8]发现电枢电流幅值、电枢质量、电枢转角和电框尾部厚度都会对电枢熔蚀产生不同影响，改变接触电阻特性[8]。

接触电阻是表征枢轨接触特性的重要指标。但是在电磁轨道炮发射过程中影响接触电阻的因素很多，例如轨道电阻率、轨道材料、电枢质量、接触形式、接触压力、接触面积、环境温度等[9]。Holm认为微斑面积是指实际接触面积，其大小远远低于视在面积，并提出了典型电接触理论模型，进而采用经验近似公式估计接触对的接触电阻[10]。由于在电磁发射过程中存在焦耳热和摩擦热，导致接触电阻呈现动态变化特性，不可能实时估计出微斑面积，造成Holm的理论模型不适用于大电流滑动电接触，只能通过其他试验数据间接推算枢轨接触电阻。

简单型电磁轨道炮可以通过炮口电压与轨道电流之间的比值进行接触电阻的理论推导[11]。由于增强型电磁轨道炮的外轨存在电流，导致电枢与炮口之间存在磁通量，磁通量的变化将产生反向电动势，造成增强型电磁轨道炮理论推导复杂。另外，通过炮口电压与反向电动势两个大数之差来计算接触电阻时，计算误差将会较大，不能真实反映接触电阻的状态变化。综上所述可知，增强型电磁轨道发射装置炮口电压不能完全表征枢轨接触状态，更不能表明轨道损伤程度。

本文基于实际试验数据进行了枢轨接触特性的研究。从枢轨接触电阻理论出发，建立了接触电阻与炮口电压、轨道电流以及电枢速度等测量量之间的关系，分析了发射器轨道结构对互感梯度的影响，以及不同互感梯度下接触电阻的变化关系。通过选取轨道性能最稳定时炮口电压、轨道电流、电枢速度和位移的试验数据，建立了以电枢位移量为横坐标、接触电阻数据为纵坐标的关系曲线。同时，根据理论分析和试验研究结果与激光扫描仪扫描图像对比，得出了接触电阻与轨道损伤之间的关系，为预测轨道损伤程度提供了依据。

1　增强型电磁轨道炮枢轨接触电阻理论分析

不同于简单型电磁轨道炮可以通过炮口电压直观反映枢轨接触特性，增强型电磁轨道炮的电枢和出口之间存在外轨电流变化导致的磁场，进而会产生反向电动势，造成炮口电压很难直接反映枢轨接触特性。增强型电磁轨道发射器结构框图如图1所示。

图1中：a、b、c、d分别表示不同电位测量点；c、d端点之间的测量电压为炮口电压Uo(t)；由于高压测量探头的高输入阻抗特性，导致ac段导轨和bd段导轨上几乎没有电流流过，a、b端点之间的电压等于c、d端点之间的电压。由于发射器长度远远大于电枢长度，可以忽略电枢和炮尾连接件对炮口电压的影响。因此，对炮口电压起主要作用的是电枢与炮口间主导轨组成回路的磁通量变化和由a、b端点接触电阻产生的接触电压。

令导轨对的互感梯度为M′，通过分析轨道与电枢外形及体积的大小，可以计算内外轨道的互感梯度值[12]，电枢与炮口间主导轨组成回路的磁通量为

φ=M′(l-x)I(t),

(1)

式中：l为电枢起始位置到轨道炮的炮口长度；x为电枢运动距离；I(t)为轨道电流。

在电枢运动过程中产生的反电动势Eb(t)可用(2)式表示为

(2)

式中：v为电枢速度；t为电枢运动时间。

将炮口电压Uo(t)减去电枢在运动过程中产生的反电动势Eb(t)所得到的电压变化，即为由接触电阻与电枢体电阻共同产生的接触电压Uc(t)，其可用(3)式表示为

Uc(t)=Uo(t)-Eb(t),

(3)

则枢轨之间的接触电阻可以表示为

(4)

式中：Ra(t)为电枢体电阻，由于Ra(t)在发射过程中变化不大，可认为其随时间线性变化。综上所述可知，枢轨接触电阻具有动态变化特性，与炮口电压、轨道电流、电枢速度和发射器互感参数有间接关系。

2　实际发射试验结果数据分析

在枢轨接触特性的测量试验中，需要保证发射时接触压力、环境温度、电枢质量等尽量一致，保持基本发射条件不变。所需要测量的3个物理量包括炮口电压，轨道电流以及电枢速度。炮口电压采用泰克高压探头进行测量，分压比为1∶1 000. 轨道电流采用罗氏线圈进行测量。电枢速度采用B-dot磁探针进行测量。采用等间隔固定放电方式进行多次试验，得到一系列相关现象的波形。为减少初始发射轨道上铝熔膜的影响，选取第6～15次发射试验测试记录进行分析，进一步选取第30次发射试验结果进行对比分析。经过试验数据显示处理，第6～15次和第30次炮口电压波形图如图2所示。

由图2可以看出，第6～15次发射试验波形大致相同，有3次发射试验波形在0～0.2 ms范围有不同的下降变化率。但是所有波形均具有一致的波形凸起变化，在0.6 ms处尤为明显。在0.8 ms至发射结束，均存在大致相同的波浪变化。第30次发射试验数据与第6～15次发射试验有明显区别，波浪变化更加严重。说明经过多次发射试验后，轨道损伤情况导致枢轨接触恶化。为研究枢轨接触情况重复性和普遍性问题，本文选取枢轨接触情况大致相同的第6～15次发射试验进行典型分析。

下面以第6次发射试验为例，说明枢轨接触电阻曲线的获取过程。第6次发射试验的炮口电压和轨道电流及B探针测量信号波形图分别如图3和图4所示。

从图3中可以看出，炮口电压在开始阶段有一个很大的反向电动势，这是磁通量剧烈变化所致。从图4中可以看出，轨道电流为脉冲电流，具有平顶的特点。B探针测量波形干扰较少，满足速度拟合条件。采用文献[13]中的电磁力、摩擦力和空气阻力数学模型，通过MATLAB进行数据处理，得出电枢速度位移与时间的变化曲线如图5所示。

根据图3～图5的测量及仿真结果，通过(4)式可以建立以电枢位移量为横坐标、枢轨接触电阻为纵坐标的枢轨接触电阻数据曲线。进一步采用相同的获取过程处理第6～15次发射试验，得到以位移为横坐标的枢轨特性曲线如图6所示。

从图6中可以看出，枢轨接触电阻呈现启动后快速下降、后平稳上升的变化趋势。由图3～图6可以看出，全部放电时间为1.5 ms，炮身长度为1.8 m. 通过分析变化曲线，可根据电枢位移量将整个轨道分为起始部分、平稳变化部分、波浪变化部分。

在位移0～0.2 m可以看作起始部分。此阶段电流从0到达峰值，而电枢运动位移约0.2 m. 接触电阻的急剧减小现象，说明枢轨之间开始出现微移动，电流的快速上升产生的焦耳热造成熔化波的出现，由于熔蚀的发生将造成轨道出现损伤。

在位移0.2～0.8 m可以看作平稳变化部分。此阶段电流从峰值下降到80%处，电枢运动位移到达0.8 m. 此阶段接触电阻开始接近线性缓慢增长，但速度从200 m/s加速至1 500 m/s，说明枢轨之间接触状况良好，接触电阻主要由于温升等因素导致缓慢上升，此段轨道损伤较小。

在位移0.8 m至出膛可以看作波浪变化部分。此阶段电流逐渐减小，电枢速度保持在1 500 m/s以上，但加速效果并不理想。同时可以看到图6中A处出现凹陷、B处出现凸起，说明电枢速度达到1 500 m/s后电枢表面熔蚀，等离子体放电等现象时有发生，使得接触状态更加恶化，由于焦耳热和摩擦热以及高速滑动、管身涡流等，将造成轨道出现损伤，本例中尤其以A、B两处甚为严重。

以上分析了枢轨接触电阻变化趋势，根据判断曲线进行了轨道损伤的预测。但是由于(4)式中导轨对的互感梯度主要由发射器结构决定，其值难以准确给出，将会导致接触电阻的误差。为此，针对第6次发射试验枢轨接触电阻曲线，将互感梯度在上述取值的基础上进行10%以内的调整，得到互感系数不同时的接触电阻变化如图7所示。

图7中，e、f、g分别代表具有明显凹凸变化规律时的接触电阻。由于在轨道起始部分接触电阻变化趋势一致，本文重点考虑波浪变化。图7给出了位移0.4～1.8 m处接触电阻的变化曲线。从图7中可以看出，虽然互感梯度导致接触电阻数值变化很大，但是其变化趋势相同，尤其在关键部分，例如图7中e、f、g处，仍然可以看出具有相同的凹凸变化特性，进而可以表征轨道损伤程度。

3　枢轨接触特性与轨道损伤关系研究

根据发射试验数据分析可以得到接触电阻曲线变化规律，为了进一步研究枢轨接触电阻特性与轨道损伤之间的关系，本文选取0.1 m、0.4 m、1.4 m处进行局部放大处理。采用中国兰州中科凯华科技开发有限公司产CFT-1材料表面综合测试仪对轨道损伤情况进行三维成像，并与典型位置轨道损伤情况实际图像进行对比。图8为试验后整条轨道三维成像图，以及局部放大的三维成像图与对应的实际试验轨道损伤图像。其中试验后轨道采用盐酸和氢氧化钠进行处理，用于去除铝覆层。

从图8中可以看出：在0.1 m处电枢处于起始阶段，接触电阻变化率最大、持续时间最长，熔蚀也最严重，轨道损伤呈现典型的烧蚀特征；在0.4 m处轨道由存在轻微凹坑到持续平滑，此时电枢处于平稳阶段，接触电阻变化率恒定，持续时间短，但速度变化较大，说明枢轨接触良好，电枢与轨道性能特征最为稳定；在1.4 m处，存在明显凹坑，持续时间长，磨损情况严重，轨道损伤呈现典型的磨损特征。

综上所述可知，虽然发射器结构参数对接触电阻参数有较大影响，较难定量分析接触电阻的变化情况，但是发射器结构参数不影响接触电阻呈现先急剧减少、后缓慢线性增加、最后波浪式变化这一主要变化趋势。因此，通过观察接触电阻变化曲线便可以预测轨道损伤情况，表征轨道损伤程度。

4　结论

本文通过实际发射试验结果得到了基于电枢位移为横坐标的电磁发射枢轨特性接触曲线变化规律，即接触电阻呈现启动后快速下降、后平稳上升、再波浪变化上升的变化趋势，通过材料表面综合测试仪的测量结果进行了验证。结果表明：枢轨接触特性曲线可以评价轨道损伤情况，可以将此种方法应用到内轨道损伤预测中。进一步关于电磁轨道炮枢轨接触特性的研究，还需要通过轨道表面处理、电枢质量损失测量等方法，结合理论实际，更加客观地判断轨道损伤的程度。

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