[发明专利]一种电磁轨道发射器的模化方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁发射技术领域，尤其是涉及一种电磁轨道发射器的模化方法。

背景技术

电磁轨道发射器主体部分，包括两条平行的轨道和一个与轨道接触良好且能够沿着轨道自由滑动的电枢组成。两条轨道后端接通电源后，两条轨道和电枢作为电路的一部分，传导驱动电流。电枢在安培力的推动下沿着轨道加速运动，从而获得高速度。

近年来，电磁轨道发射技术在电磁发射技术领域中发展速度最快，因其广泛的应用前景和重要的军事意义，受到各军事强国的普遍关注。目前总体处于发射技术、电源技术、轨道损伤控制技术等关键技术攻关阶段。如果直接以原型发射器作为实验平台进行研究，造价高、建造时间长，不适于进行大量的基础实验研究，因此目前大部分研究都是以中小口径模型发射器为研究对象。缩比模型研究具有研究周期短、建造成本低等优势，但是为了经研究得到的理论和技术手段具有普适性，需要保证其模化方法的正确性和可行性。模化方法是指不直接研究自然现象或过程的本身，而是用与这些现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。

针对电磁轨道发射器，国内外学者提出了一些模化方法，发表的文献主要包括：《IEEE Transactions on Magnetics(电器与电子工程师协会磁学会刊)》的《One kind of scaling relations on electromechanical systems(一种机电系统的缩比关系)》、《EM gun scaling relationships(电磁炮缩比关系)》、《Energy partition and scaling issues in a railgun(电磁轨道炮的能量分配和缩比问题)》；《IEEE Transactions on Plasma Science(电器与电子工程师协会等离子体科学会刊)》的《Scaling study in a capacitor-driven railgun(电容器驱动电磁轨道炮的缩比方法研究)》等。此类方法的共性在于：为了使原型和模型发射器的磁场、温度场和应力场互为镜像，除需要满足几何相似条件外(设几何相似常数是k)，电流、时间和材料质量密度的相似常数应分别满足k、k²和k²；此方法在理论推导过程中忽略了电磁感应定律中的动生电动势。在此方法下，速度的相似常数是1/k，即原型发射器中电枢速度是模型发射器的1/k；若要匹配电枢的速度，则其物理场就不再相似，因此导致了物理场相似时电枢速度不能匹配的现象。电磁轨道发射器的物理场与发射器的损伤和寿命研究息息相关，而速度作为发射类武器中最关键的技术指标之一在电磁轨道发射器中又与刨削损伤有直接联系，但是以上的模化方法不能同时实现物理场和速度的匹配。此外，根据以上模化方法中的相似条件，材料的质量密度和时间的相似常数为k²，此条件在几何相似常数取值较大时，现实中缺乏可实现性。例如：几何相似常数为3时，时间和材料的质量密度需要以9为相似常数进行模化。由于以上原因，上述的电磁轨道发射器模化方法尚未得到足够的重视与应用。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的电磁轨道发射器的模化方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁轨道发射器的模化方法：

同时实现原型和模型中包括电磁场、温度场、应力场的物理场和电枢速度的匹配，则各物理量相似常数需要满足如下条件：

(1)几何相似常数：

原型与模型发射器的几何形状相似，且尺度存在k倍关系；

(2)电磁相关相似常数：

电流密度的相似常数为1/k，同时令电导率的相似常数为1/k，磁导率不变；

(3)热相关相似常数：

热导率相似常数为k，单位体积热熔的相似常数为1；

(4)时间及运动学相似常数：

时间相似常数为k，密度和速度的相似常数为1，则原型和模型中密度和速度相同。

以上物理量中只要几何尺度、电流密度、时间、电导率、磁导率和密度的相似常数确定，其余物理量相似常数就自行确定。

描述模型电磁轨道发射器电磁场、温度场和应力场的方程组如下：

▽×B＝μj(24)

其中B为磁感应强度，j为电流密度，V为电枢速度，S为应力，T为温度，σ为电导率，μ为磁导率，ρ为材料的质量密度，C_p为单位体积热容，K为其热导率，时间为t；