电磁炮的数值计算研究现状

菜单

国外对固体电枢的研究起步较早，针对不同情况及发射过程中的问题，研究人员提出了各种模型，进行了大量数值计算和理论分析，有限元方法是解决此类问题最常用的方法。Young、Hughes 等人[4]对几何形状简单的电枢在稳态条件下的扩散问题进行了研究，重点关注电流变化及发射体速度增加过程中出现的物理现象，揭示了简单电枢电流的分布特点；随后，研究者对具有一些约束条件的瞬态模型进行研究，得到了数值计算的精确解；Long[5]发展了一种有限元程序，对具有较高速度的电枢进行了二维瞬态建模，建模考虑了焦耳热效应、电热特性及热传导；Powell、Walbert 和 Zielinski[6]建立了二维模型，对电磁炮固体电枢电磁场扩散效应及热效应的耦合进行了分析；这些模型考虑了不同形状的电枢、电枢的受热受力、电枢与导轨间的速度趋肤效应和电枢的烧蚀等物理现象[3]。68488

在二维模型基础上，固体电枢磁扩散效应和热传导的三维计算工作也取得了进展。三维模型更符合实际情况，可以不引入二维模型中导轨高度无限长的假设，但计算量大大增加。早期的三维模型没有考虑电枢与弹丸之间的相对速度；随后 Hsieh[6]等采用有限单元编码 EMAP3D，对固体电枢进行了三维有限元建模和仿真。论文网

Mikhail P. Galanin[7]等人提出了提高固体电枢到等离子体电枢的转换速度的炮口馈电方法。并且从几何模型的几何参数入手，指出二维模型无法考虑接触点所在平面，其真实程度不及三维模型。此外，还对比验证了文中提出的边界条件能使电感梯度以更快的速度收敛。Asgher Keshtkar[8]对简单无限长导轨炮进行二维建模，根据对称性取 1/4 进行有限元求解。研究了电感梯度与轨道参数(包括厚度、宽度和间距)的函数关系，发现轨道宽度和高度减少或者两轨道间距减小可导致电流密度增加，并且电流在轨道的内部边缘更集中。这一解释能够解释轨道熔融现象。此外,还指出电磁通量密度随着轨道宽度和高度或者两轨道间距减少而增加，电感梯度随着轨道宽度和高度增加而减小。Venkataraman Thiagarajan, Kuo-Ta Hsieh[9]提出了将电路理论应用于电磁场分析，提高了有限元求解的收敛速度。M.I.R. Coffo, J. Gallant[10]采用有限单元法对电枢与轨道之间的接触电阻进行了仿真，仿真采用了电磁与热耦合的方式，研究了轨道与电刷之间的接触面的热载荷。

轨道电磁炮是多物理现象的综合，通常的仿真往往将其“解耦”，着眼一个问题，进行建模和仿真。速度趋肤效应在电磁发射中显著存在，为定量描述这一现象，解释其物理机制，王刚华等人[11]在矩形电枢与简单轨道的基础上建立了电磁轨道炮轨道和电枢电磁场的二维有限元计算模型，分析了电枢运动的相对速度引起的电流趋肤效应,证明了 U 型电枢对于抑制趋肤效应有显著作用。林庆华、栗保明[12]分析了固体电枢电磁轨道炮的三维瞬态涡流效应，建立了运动坐标下的磁扩散公式，该公式基于准稳态麦克斯韦方程组，用矢量磁位和标量电位作为未知量。在运动坐标下计算含有运动导体的磁扩散问题，可以消除高速情况下的数值不稳定，减少计算量和内存需求。通过施加库伦规范保证了方程解的唯一性。以方膛电磁轨道炮为例，用有限元法和向后差分模式对方程组进行求解，得到了轨道炮中电流密度的分布，以及电流和电枢速度变化过程。李昕[3]采用有限差分法进行了二维和三维模型下的固体电枢电磁场和温度场理论分析，采用计算双曲型守恒方程的 CE/SE 方法计算格式，完成了一维、二维和三维等离子体电枢的流场和电磁场耦合求解。