多翼式重接型电磁发射系统的优化设计研究

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电磁发射器是一种利用电磁推力将抛体加速到一定速度的弹射装置,它克服了传统化学推进弹丸初速度受限的固有缺陷,发射效率高,能源成本低且无污染,是发射技术史上一个重要里程碑。电磁发射装置按照结构主要分为导轨型发射器、线圈型发射器、重接型发射器,其中重接型电磁发射器研究起步最晚,但它却克服了前两种发射器存在的电接触烧蚀严重、径向压缩力大等缺陷,而且在出口速度和发射效率上得到了很大的提高。常规的重接型电磁发射器只限于发射板状抛体,极大地限制了抛体的形状和尺寸。针对这一缺陷,本课题采用一种带尾翼式重接型电磁推进方式,它是板状重接炮的变形与进化,抛体侧翼为被加速体,中间实体为有效载荷。为了获得更高的发射性能,需要对影响该发射器发射性能的诸多因素进行仿真优化与分析。为此本文进行了以下探究性工作:首先,通过重接型电磁发射器的数学方程与运动方程,分析了抛体在驱动线圈中的受力情况。其次,为了建立合适的发射模式物理模型,比对了不同侧翼数量发射器的发射效率发现四翼式重接型发射器的综合性能最佳,然后分别从驱动线圈对数、抛体层数两个方面进行优化,通过仿真结果分析确定了四翼单层八线圈的重接型电磁发射仿真模型。再次,在单级发射器中,通过对外电路中驱动线圈4种不同连接方式进行优化发现,存在一种最佳的连接方式使得系统发射效率最高。以此为基础分析了线圈参数,电容器参数、抛体参数对发射系统效率的影响。仿真结果表明,当各个影响参数相互最优匹配时,系统的发射性能最佳,优化后发射器出口速度达到450.35m/s,能量转化效率可达35.44%。最后,在单级发射器的基础上进行多级发射器的优化仿真,分析发现驱动线圈级间耦合效应不仅会影响后级驱动线圈中的放电电流也会对抛体的涡流产生影响。仿真结果表明,当级间距保持较小距离不变时,相邻两线圈通入相反电流,后级驱动线圈会产生叠加的感应电动势使得抛体表面感生的涡流增强,每一级中不同驱动线圈的连接方式会改变线圈中放电电流的波波形,所以每一级的驱动线圈连接方式选择尤为重要。然后,在相同的电容器参数下对每一级驱动线圈的触发位置进行优化以确保驱动线圈的放电时间与抛体和线圈中电感耦合位置同步。
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