三级重接式电磁发射系统的仿真与实验研究

论文摘要

在发射武器领域里，利用化学能的传统发射技术在速度和成本方面存在一些无法逾越的极限，而将电磁能用于发射成为发射技术的一个飞跃。在电磁发射的几种形式中，重接式电磁发射是研究和发展较晚的一种，但是由于它从原理上不仅能克服导轨式电磁发射大电流对导轨的烧蚀严重、同轴线圈式电磁发射同步技术复杂的缺点，而且潜在地综合了导轨式能获得超高速、同轴线圈式能发射大质量的优点，因此重接式电磁发射被认为是一种具有良好发展前景和广泛用途的电磁发射方式。 本文以使用板状发射体和箱形驱动线圈的多级重接式电磁发射技术为研究对象，分析推导了多级驱动线圈电磁场和发射体涡流场的综合作用方程。利用ANSOFT电磁场有限元分析软件建立了多级重接式电磁发射系统新的三维有限元仿真模型，并对多级重接式电磁发射的各驱动线圈电磁场分布和发射体涡流分布进行了仿真计算。本文利用虚功法推导了发射体高速运动情况下多级重接式电磁发射的运动方程，并提出了前级驱动线圈的加权系数，以反映不同驱动线圈电流频率或相位差别的影响。多级重接式电磁发射的运动方程表明，发射体在某一级驱动线圈内的受力，是考虑了电流频率和相位差别影响的该级驱动线圈和前级各驱动线圈综合作用的结果。 上述运动过程的数值积分仿真采用四阶Runge-Kutta法，并结合实际电磁发射实验系统的具体参数，对多级重接式电磁发射过程进行仿真，研究发射体初始位置、放电回路电阻、电源输入能量和发射级数等因素对发射效果的影响。本文提出将真空触发开关（TVS）应用于重接式电磁发射，并分析论证了利用TVS的熄弧特性所引起的电容器组残留能量，从而提高发射效率的可行性。针对多级发射中由于发射体速度过快而造成的加速不充分和发射效率下降，本文提出了按照发射体速度确定放电电流振荡周期，继而确定电容器组电容值的优化设计原则，配合使用TVS作主控开关，可以显著提高发射效率。 多级重接式电磁发射的技术关键是级间的协调，核心硬件是点火单元。在多级重接式电磁发射过程中，存在多次放电以及随之而来的强电磁干扰，因而要求点火单元的动作不仅迅速而且能不受级间互扰。本文设计了新型的手动方式与自动方式相结合的多级点火自动控制系统。TVS的触发电路采用三电极间隙产生陡化的高压触发脉冲来提高TVS的触发精度（触发精度在1μs之内），并采用光电隔离技术实现高低压的安全隔离，提高了触发电路的抗干扰能力，实现了多级重接式电磁发射准确可靠的点火功能。 本文设计和建立了一套三级重接式电磁发射实验系统，用脉冲电容器组作储能元件，用箱形驱动线圈来发射矩形平板状的发射体，分别用Rogowski线圈和电容分压器

论文目录

• 独创性说明
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 电磁发射概况
• 1.1.1 电磁发射的提出
• 1.1.2 电磁发射研究的历史及现状
• 1.1.3 电磁发射的优点和应用前景
• 1.1.4 电磁发射的分类
• 1.2 重接式电磁发射
• 1.2.1 重接式电磁发射研究概况
• 1.2.2 重接式电磁发射的类型
• 1.2.3 重接式电磁发射的工作过程
• 1.3 课题意义和本文主要研究内容
• 1.3.1 重接式电磁发射技术研究中的问题
• 1.3.2 本文的主要研究内容和章节安排
• 2 多级重接式电磁发射工作原理分析
• 2.1 重接式电磁发射的电磁场方程
• 2.1.1 驱动线圈的磁场方程
• 2.1.2 发射体内的涡流方程
• 2.2 重接式电磁发射的电磁场有限元仿真分析
• 2.2.1 仿真模型的建立
• 2.2.2 驱动线圈的磁场分布
• 2.2.3 发射体内的涡流分布
• 2.2.4 发射体的受力分析
• 2.3 多级重接式电磁发射的运动方程
• 2.4 本章小结
• 3 多级重接式电磁发射运动过程仿真研究
• 3.1 重接式电磁发射运动过程数值积分仿真模型
• 3.1.1 仿真模型的建立
• 3.1.2 仿真模型中参数的确定
• 3.2 三级重接式电磁发射运动过程仿真结果及讨论
• 3.2.1 发射体的运动过程分析
• 3.2.2 发射体初始位置对发射的影响
• 3.2.3 回路电阻对发射的影响
• 3.2.4 电源能量对发射的影响
• 3.3 主控开关对发射效率的影响
• 3.3.1 TVS的熄弧特性
• 3.3.2 无熄弧和有熄弧两种情况下的仿真对比
• 3.3.3 发射效率分析
• 3.4 更多级数重接式电磁发射的仿真分析
• 3.4.1 发射体速度与级数的关系
• 3.4.2 发射效率与级数的关系
• 3.5 多级重接式电磁发射的设计原则
• 3.5.1 高速情况下重接式电磁发射的设计思想
• 3.5.2 发射效率的仿真优化求解
• 3.5.3 多级重接式电磁发射的设计步骤
• 3.6 本章小结
• 4 多级重接式电磁发射点火单元设计与研究
• 4.1 TVS工作原理
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 TVS工作过程及主要参数
• 4.1.3 TVS延时特性
• 4.2 TVS触发特性实验研究
• 4.2.1 触发极性模式的选取
• 4.2.2 实验用的触发电路
• 4.2.3 TVS触发特性
• 4.3 多级触发电路的改进与设计
• 4.3.1 陡化高压脉冲发生电路
• 4.3.2 触发信号发生电路
• 4.3.3 外控制信号的产生
• 4.4 点火单元抗干扰措施与性能测试
• 4.4.1 抗干扰措施
• 4.4.2 性能测试
• 4.5 本章小结
• 5 三级重接式电磁发射实验研究
• 5.1 三级重接式电磁发射实验系统的总体构成
• 5.2 子系统的组成部分
• 5.2.1 电源单元
• 5.2.2 电参数测量单元
• 5.2.3 发射体速度测量单元
• 5.3 中央控制系统
• 5.3.1 硬件组成
• 5.3.2 软件组成
• 5.3.3 抗干扰措施
• 5.4 三级重接式电磁发射的实验结果
• 5.4.1 发射体速度的测量
• 5.4.2 放电过程的电参数测量
• 5.5 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书