【摘要】：能量轉(zhuǎn)換效率是衡量螺旋線圈電磁發(fā)射器(HEML)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo),也是其應(yīng)用方向的一個(gè)重要依據(jù)。論文圍繞與HEML能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的一些問題進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:對HEML的能量轉(zhuǎn)換相關(guān)問題進(jìn)行了理論分析。將HEML工作的物理過程分為加速和換向兩個(gè)部分進(jìn)行討論,得到加速過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,即功率平衡方程。建立前、后換向過程的等效電路模型,得到發(fā)射過程的能量轉(zhuǎn)換效率公式;發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率主要受到互感梯度、焦耳熱損耗、換向損耗和管口損耗等因素的影響。對發(fā)射器的理論效率及其影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明HEML在恒定電流工作模式下的理論效率可以超過50%。導(dǎo)出了恒流工作模式下HEML理論效率大于50%的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件。當(dāng)某一典型結(jié)構(gòu)的電樞線圈匝數(shù)為109匝、發(fā)射器長度為3m時(shí),計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)發(fā)射器的理論效率可以達(dá)到82.1%。對HEML的電磁加速力進(jìn)行了分析與優(yōu)化。采用網(wǎng)格法和等效圓環(huán)法計(jì)算發(fā)射器的電磁加速力,其中網(wǎng)格法具有較好的普適性和計(jì)算精度(0.1%),等效圓環(huán)法具有更快的計(jì)算速度(單次耗時(shí)~4ms)。得到了加速力大小與電樞線圈位置的關(guān)系,從而確定了電樞線圈的最大加速力位置;仿真分析了電樞線圈和驅(qū)動(dòng)線圈的結(jié)構(gòu)對加速力的影響,提出了D形雙線圈電樞結(jié)構(gòu)使加速力增大一倍;分析了驅(qū)動(dòng)線圈所承受的應(yīng)力情況,設(shè)計(jì)了一種加固的單元型、模塊化驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu),能夠承受更大的加速力;仿真分析了封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)對發(fā)射器的加速力等發(fā)射性能的影響,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,鐵磁質(zhì)材料封裝有利于增強(qiáng)發(fā)射器的加速磁場,且封裝與驅(qū)動(dòng)線圈間隙越小則效果越好,而導(dǎo)體封裝中可能存在的渦流對電樞產(chǎn)生回拉力,且產(chǎn)生焦耳熱損耗降低能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單元身管型HEML的身管長度為1m,口徑為120mm,拋體質(zhì)量為4.5kg;實(shí)驗(yàn)得到拋體速度47.5m/s,能量轉(zhuǎn)換效率8.72%。經(jīng)過多次發(fā)射驗(yàn)證,該單元型身管結(jié)構(gòu)能承受峰值35kA的工作電流。對HEML換向和管口磁能損失進(jìn)行了研究。研究了換向感應(yīng)電壓的影響因素,導(dǎo)出了換向感應(yīng)電壓的計(jì)算公式。在工作電流和拋體速度一定的情況下,電樞線圈和驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)越大,引起換向電弧燒蝕的可能性就越大。通過理論分析確定了電樞線圈的匝數(shù)使?jié)M足完全感應(yīng)換向條件,避免換向過程中出現(xiàn)大電流的通斷。改變電樞線圈匝數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對比換向電刷的燒蝕情況,驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果。研究了多匝換向的電流轉(zhuǎn)換情況,多匝換向時(shí)換向匝內(nèi)電流變化較緩,且換向感應(yīng)電壓較低。通過公式計(jì)算得到典型的換向感應(yīng)電壓值為13.2V;當(dāng)采用兩匝換向策略時(shí),計(jì)算得到換向感應(yīng)電壓為5.1V。建立了HEML的瞬態(tài)物理模型、控制方程及其數(shù)值解法;仿真研究了管口磁能損失的影響因素,提出了非均勻匝密度的驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使管口電流下降了45%,有效抑制了管口電弧的形成,同時(shí)提高了發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率。最后,對發(fā)射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了整體優(yōu)化。提出了待優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法,在溫升、發(fā)射器長度等約束下,對HEML的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行發(fā)射速度、發(fā)射能量效率和發(fā)射功率等多目標(biāo)優(yōu)化。改進(jìn)的遺傳算法使得變異概率隨種群的多樣性變化在P_(m0)/3(25)P_m _0之間自適應(yīng)改變;另外,改進(jìn)的遺傳算法采用優(yōu)解保留策略后,使得程序執(zhí)行早期的優(yōu)解被保留下來,大大地提高了優(yōu)化算法的執(zhí)行效率。計(jì)算結(jié)果表明,該優(yōu)化算法能夠針對不同的應(yīng)用需求提供合理的發(fā)射器結(jié)構(gòu)參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TJ866
【圖文】：

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文線圈由一均勻匝密度的螺線管構(gòu)成。導(dǎo)軌電刷起到饋電作用，又稱饋電電刷起到換向作用，又稱換向電刷。電樞線圈與驅(qū)動(dòng)線圈通過換向電刷，兩根導(dǎo)軌通過饋電電刷向發(fā)射器線圈饋電。固定在拋體上的前后換向線管部分激勵(lì)，并使該激勵(lì)段（驅(qū)動(dòng)線圈）與電樞運(yùn)動(dòng)保持同步，完成.1 所示排斥型結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)線圈電流方向與電樞線圈的電流方向相反，電到電磁排斥力的作用加速向前。表 1.1 常見 HEML 的分類分類方法 HEML 類型電樞結(jié)構(gòu) 外置空心電樞 內(nèi)置實(shí)心電樞 單線圈電樞 雙線圈電加速力性質(zhì) 吸引型 排斥型 磁阻型驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu) 均勻匝密型 非均勻匝密型動(dòng)線圈激勵(lì)方式 常規(guī)類型 消磁波類型

(c) 拋體結(jié)構(gòu) (d) 實(shí)心拋體圖 1.2 實(shí)心電樞螺旋線圈電磁發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖螺旋線圈電磁發(fā)射器在軍事、航天、材料工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事上，可以用作主動(dòng)式電磁裝甲[4]、導(dǎo)彈發(fā)射裝置[5]，作為線圈炮實(shí)現(xiàn)超高速發(fā)射，作為電磁迫擊炮實(shí)現(xiàn)近程火力支援[6]，作為艦載電磁彈射器實(shí)現(xiàn)航空母艦上的飛機(jī)彈射等[7]。利用螺旋線圈電磁發(fā)射器向太空發(fā)射載荷，將會極大地降低發(fā)射的成本[8][9]。另外，線圈發(fā)射器可以在真空發(fā)射管中將小質(zhì)量拋體加速到幾百千米/秒的極高速度，用于研究高壓物理中的有關(guān)材料特性、金屬成形和焊接，以及進(jìn)行超高速碰撞核聚變的可行性研究等[10]。用線圈發(fā)射器原理推進(jìn)的磁懸浮列車，可以實(shí)現(xiàn)地面高速運(yùn)輸。E. Narevicius, A. Libson 和 C. G. Parthey 等人利用連續(xù)脈沖電磁線圈實(shí)現(xiàn)了一種分子線圈炮，用于減速并停止超聲速的氧氣分子[11]。T. G.Engel 等人利用 HEML 的原理設(shè)計(jì)了往復(fù)直線電機(jī)、加速度計(jì)和沖擊測量等裝置[12]-[15]。

研究螺旋線圈電磁發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換情況構(gòu)選取和參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文將針對上，為線圈發(fā)射器實(shí)現(xiàn)高性能、大質(zhì)量載荷發(fā)射探1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀螺旋線圈電磁發(fā)射器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。隨后，各磁力發(fā)射物體的裝置。早期研究的電磁發(fā)射裝置國華盛頓哥倫比亞學(xué)院的 Charles 教授將四個(gè)或更管，利用電池供電將約 1.4kg 的鐵棒拋射到 12~1陸大學(xué)物理學(xué)教授 Birkeland 獲得了第一個(gè)線圈發(fā)線管線圈，將質(zhì)量 500g 的拋體加速到 50m/s；這科學(xué)博物館內(nèi)，如圖 1.3 所示[60]。這是電磁發(fā)射技

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