強(qiáng)脈沖電流四極磁場(chǎng)導(dǎo)軌瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析*

楊志勇，馮 剛，童思遠(yuǎn)，時(shí)建明

(1 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院， 西安 710051； 2 95876部隊(duì)，甘肅張掖 734100)

0 引言

電磁發(fā)射技術(shù)是繼機(jī)械能、化學(xué)能之后利用電磁能將物體加速至高速或超高速的新型發(fā)射技術(shù)。按發(fā)射長(zhǎng)度可將電磁發(fā)射技術(shù)分為電磁軌道炮技術(shù)、電磁彈射技術(shù)和電磁推射技術(shù)[1]。其中電磁軌道炮技術(shù)起步早，在發(fā)射組件的動(dòng)力學(xué)特性研究方面，已經(jīng)涉及到發(fā)射組件的形變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)、后坐過(guò)程等各個(gè)方面[2-5]。文獻(xiàn)[6]將導(dǎo)軌簡(jiǎn)化為彈性基礎(chǔ)梁，分析了軌道長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)共振速度的影響，為指導(dǎo)和優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[7]將電磁軌道裝置簡(jiǎn)化為固定在彈性支撐上的伯努利-歐拉梁來(lái)研究導(dǎo)軌在發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題，并運(yùn)用模態(tài)疊加法求解出了其振動(dòng)響應(yīng)解析解；文獻(xiàn)[8]則將導(dǎo)軌和壁板簡(jiǎn)化為雙層彈性梁模型，分析了導(dǎo)軌及壁板在給定結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)狀況情形下的動(dòng)力響應(yīng)；文獻(xiàn)[9]中求出了軌道在電磁力作用下的橫向變形以及軌道撓度通解，據(jù)此分析了不同彈性地基剛度系數(shù)對(duì)發(fā)射過(guò)程中軌道形變的影響；文獻(xiàn)[10-11]研究了由于電樞運(yùn)動(dòng)引起的導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)特性及電樞的臨界速度，另有學(xué)者對(duì)不同形狀電樞下發(fā)射組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究[12-13]。

近年來(lái)，電磁軌道發(fā)射技術(shù)開(kāi)始逐漸向發(fā)射小型衛(wèi)星和導(dǎo)彈等方向發(fā)展[14-15]。文獻(xiàn)[16]中提出了一種基于四極磁場(chǎng)的導(dǎo)彈電磁軌道發(fā)射模型，并對(duì)其磁場(chǎng)特性和推力性能進(jìn)行了研究，得出這種模型對(duì)大型智能發(fā)射體具有較大優(yōu)越性的結(jié)論，但尚未對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)性能展開(kāi)研究。在電磁發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌受力頗為復(fù)雜，其原因在于驅(qū)動(dòng)電流大多為脈沖電流，脈沖電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，為導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)性能帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。目前對(duì)發(fā)射組件的靜力學(xué)特性或恒電流作用下導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)性能研究較多，而針對(duì)具體的脈沖電流作用下導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)性能的分析則相對(duì)較少。為進(jìn)一步研究電磁發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌的穩(wěn)定性及其使用壽命，文中則結(jié)合實(shí)際電磁發(fā)射過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)脈沖四極磁場(chǎng)作用下發(fā)射器中導(dǎo)軌的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

1 物理模型

如圖1所示，四極場(chǎng)電磁軌道發(fā)射器中，四根導(dǎo)軌等距離、對(duì)稱安裝，兩相對(duì)導(dǎo)軌中加載大小相等的同向電流，該電流流經(jīng)電樞從另外兩根相對(duì)的導(dǎo)軌流出，導(dǎo)軌中的電流在發(fā)射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)四極磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與電樞中的電流作用產(chǎn)生推力推動(dòng)電樞前進(jìn)，導(dǎo)彈則裝載在電樞上，隨電樞向前運(yùn)動(dòng)而發(fā)射出去。

在電磁發(fā)射過(guò)程中，發(fā)射器需在極短時(shí)間內(nèi)將拋體加速到超高速，所以發(fā)射器必須提供很大的推力，因此必須給發(fā)射器提供大電流。目前提供恒定的大電流很難達(dá)到，最常見(jiàn)的方法是采取脈沖電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而單個(gè)脈沖電流往往無(wú)法滿足發(fā)射能量要求，因此通常將多個(gè)單一脈沖電流整合起來(lái)以獲得較寬的電流寬度持續(xù)給拋體加速，以提高拋體的發(fā)射速度。導(dǎo)彈作為大質(zhì)量拋體，其所需推力更大、電流的量級(jí)更高，因此也需采用多個(gè)脈沖電流合成的方式來(lái)供電，其合成的電流模型可簡(jiǎn)化成圖2所示。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)電流上升段、峰值段、衰減段所持續(xù)的時(shí)間相同，均為1 ms。

圖2 脈沖電流模型

為了確保導(dǎo)彈在發(fā)射過(guò)程中一直處于加速狀態(tài)，實(shí)際發(fā)射時(shí)導(dǎo)彈脫離導(dǎo)軌前電流不應(yīng)該完全降為零，即在電流的衰減段，發(fā)射器為導(dǎo)彈提供的推力仍能促使導(dǎo)彈克服各項(xiàng)阻力而繼續(xù)加速直至滑離導(dǎo)軌。因此將脈沖電流的峰值設(shè)為100 kA，其末時(shí)刻電流為3 kA。

根據(jù)圖2所示的脈沖電流模型，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench中電磁-結(jié)構(gòu)耦合分析平臺(tái)，首先分別對(duì)電流上升段0～1 ms、平穩(wěn)段1～2 ms、衰減段2～3 ms導(dǎo)軌的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，然后對(duì)整個(gè)完整過(guò)程中導(dǎo)軌性能的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。將導(dǎo)軌簡(jiǎn)化成彈性基礎(chǔ)梁，其一端采用固定約束，另一端采用鉸支約束，導(dǎo)軌及彈性支撐的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)射模型材料參數(shù)設(shè)置

在瞬態(tài)發(fā)射過(guò)程中，存在電樞與導(dǎo)軌之間的預(yù)緊力以及電樞膨脹對(duì)導(dǎo)軌的擠壓力的作用，文獻(xiàn)[10]及文獻(xiàn)[17]對(duì)此有較為詳細(xì)的研究，文中暫不詳細(xì)探究其影響，只將這些作用力一概視為外加載荷作用導(dǎo)軌上加以分析，而重點(diǎn)研究由脈沖電流產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)軌的作用。

2 電流上升階段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能分析

2.1 上升段導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力

在電流上升階段，隨著電流的增加，發(fā)射區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，導(dǎo)軌所受的電磁體積力也增大。由四極場(chǎng)電磁軌道發(fā)射器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性易知四根導(dǎo)軌受力相同，選取其中一根導(dǎo)軌為研究對(duì)象，其電磁體積力變化如圖3所示，隨著電流隨時(shí)間增加，導(dǎo)軌內(nèi)體積力迅速增長(zhǎng)，即導(dǎo)軌所承受的載荷急劇增加。

Murrary等[3，22-23]研究結(jié)果表明：大陸邊緣型硅質(zhì)巖(La/Ce)N≈1，大洋盆地型硅質(zhì)巖(La/Ce)N約為2～3，而洋中脊附近硅質(zhì)巖(La/Ce)N≥3.5。研究區(qū)硅質(zhì)巖(La/Ce)N為1.28～1.92，平均為1.47，介于大陸邊緣和大洋盆地型硅質(zhì)巖，主要為大陸邊緣型硅質(zhì)巖。

圖3 電流上升階段導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力變化圖

2.2 上升段導(dǎo)軌所受合力

導(dǎo)軌除了承受電磁力的作用外，也承受預(yù)緊力與電樞膨脹力作用。電樞預(yù)緊力在發(fā)射過(guò)程中可視為不變，而電樞膨脹力則隨電流的增大而增加。這是因?yàn)橐环矫骐娏鞯脑龃髸?huì)使焦耳熱增加導(dǎo)致電樞膨脹，另一方面導(dǎo)軌與電樞表面的摩擦熱的積累也會(huì)導(dǎo)致電樞膨脹。對(duì)處于電流上升階段時(shí)導(dǎo)軌所受上述三種力的合力進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，導(dǎo)軌所受的合力可近似為單一分量，且不難得知這一分量即為導(dǎo)軌徑向作用力；在發(fā)射初始時(shí)刻，導(dǎo)軌合力為零，此時(shí)彈性支撐對(duì)導(dǎo)軌的預(yù)緊力與電樞對(duì)導(dǎo)軌的反作用力相互抵消；隨著發(fā)射過(guò)程的進(jìn)行，導(dǎo)軌受力快速增長(zhǎng)，且其增長(zhǎng)趨勢(shì)與導(dǎo)軌所受電磁力類似，這說(shuō)明電磁力在發(fā)射過(guò)程中對(duì)導(dǎo)軌起主要作用，相比之下電樞膨脹力的影響則沒(méi)那么明顯。

圖4 上升段導(dǎo)軌所受合力變化

2.3 上升段導(dǎo)軌瞬態(tài)響應(yīng)

根據(jù)導(dǎo)軌受力分析，在電流上升階段，導(dǎo)軌受力在短時(shí)間內(nèi)將急劇增大，從而導(dǎo)致導(dǎo)軌變形及產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致導(dǎo)軌內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷形成裂紋，而導(dǎo)軌的形變也會(huì)影響電樞與導(dǎo)軌的接觸性能，甚至當(dāng)形變超出導(dǎo)軌材料最大屈服極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致塑性變形，使發(fā)射器失效。對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到導(dǎo)軌形變、應(yīng)力及徑向加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5～圖7所示。

由圖5可以得出，在通電初始階段的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)軌因所受電磁力較小未能使導(dǎo)軌產(chǎn)生明顯形變，此時(shí)導(dǎo)軌的形變?yōu)榱?，而?jīng)過(guò)一定長(zhǎng)時(shí)間后，導(dǎo)軌形變急劇增大。

從圖6可以看出，導(dǎo)軌內(nèi)最大等效應(yīng)力的變化趨勢(shì)與導(dǎo)軌形變相似，也表現(xiàn)為初始通電階段導(dǎo)軌應(yīng)力較小，超出一定時(shí)間后導(dǎo)軌應(yīng)力急劇增大。

從圖7可以看出，導(dǎo)軌垂直于發(fā)射軸的徑向加速度初始階段為零，隨著電流隨時(shí)間的增大，導(dǎo)軌徑向加速度逐漸增加，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增大。

圖5 上升段導(dǎo)軌形變隨時(shí)間變化關(guān)系

圖6 上升段導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

圖7 上升段導(dǎo)軌徑向加速度變化趨勢(shì)

3 電流峰值階段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能分析

3.1 峰值段導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力

驅(qū)動(dòng)電流的峰值階段由多個(gè)脈沖電流的峰值整合而成，因此可將此段電流視為恒定電流處理。根據(jù)電流的連續(xù)性，此時(shí)導(dǎo)軌內(nèi)的電磁體積力保持著電流上升段末端時(shí)刻導(dǎo)軌內(nèi)的體積力的狀態(tài)，如圖3中T=1 ms時(shí)所示。

3.2 峰值段導(dǎo)軌所受合力

當(dāng)電流處于峰值時(shí)，導(dǎo)軌所受的電磁力也達(dá)到最大值，對(duì)導(dǎo)軌所受合力起主導(dǎo)作用。由于峰值段電流不變，因此導(dǎo)軌合力大小也保持不變。

3.3 峰值段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)

本節(jié)暫且忽略峰值階段之前導(dǎo)軌狀態(tài)的影響，單獨(dú)分析電流處于峰值階段時(shí)導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此階段驅(qū)動(dòng)電流為恒穩(wěn)大電流，因此對(duì)本階段動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果亦可為其他恒定電流發(fā)射器中導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析提供參考。

在零初始狀態(tài)下，將脈沖電流的峰值加載至導(dǎo)軌上時(shí)，導(dǎo)軌瞬間承受巨大的作用力，這種情形下導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖8～圖10所示。由圖8可知，雖然作用在導(dǎo)軌上的力是恒定的，但導(dǎo)軌的形變不會(huì)一開(kāi)始就突變至最大值，而是在短時(shí)間內(nèi)快速增長(zhǎng)，這說(shuō)明導(dǎo)軌的變形表現(xiàn)為一定慣性作用；且由于整個(gè)階段作用時(shí)間極短，導(dǎo)軌的形變一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)。

圖8 峰值段導(dǎo)軌形變隨時(shí)間變化關(guān)系

圖9 峰值段導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖9可以看出導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力也是由初始狀態(tài)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，且開(kāi)始時(shí)增長(zhǎng)速度較快，隨后其增長(zhǎng)速度逐漸減小?？梢灶A(yù)測(cè)，如果作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，導(dǎo)軌內(nèi)部的最大等效應(yīng)力在一定時(shí)間后將趨于平穩(wěn)，達(dá)到某一極限值。由于整個(gè)發(fā)射過(guò)程歷時(shí)很短，峰值段時(shí)間更是極短，在慣性力的作用下，導(dǎo)軌的形變和其內(nèi)部的等效應(yīng)力很難上升至極限值，因此無(wú)法依此而簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)整個(gè)發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌的最大形變和最大等效應(yīng)力，需要結(jié)合完整發(fā)射過(guò)程的各個(gè)階段對(duì)導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。

圖10 峰值段導(dǎo)軌徑向加速度變化趨勢(shì)

由圖10可知，當(dāng)恒定電流突然加載到導(dǎo)軌上時(shí)，初始時(shí)刻導(dǎo)軌徑向加速度較大，而后逐漸減小，最終將趨向于零。這與彈性支撐對(duì)導(dǎo)軌的作用有一定的關(guān)系，良好的彈性支撐能在一定程度上起到緩沖的效果，使導(dǎo)軌在恒定力的作用下逐漸趨于穩(wěn)定。

4 電流衰減階段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能分析

4.1 衰減段導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力

當(dāng)導(dǎo)軌內(nèi)電流逐漸降低時(shí)，導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如圖11所示。導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力隨電流的衰減而減小，由于電樞脫離導(dǎo)軌時(shí)導(dǎo)軌內(nèi)電流仍保留一定的量級(jí)，所以此時(shí)導(dǎo)軌內(nèi)仍存在一定大小的體積力作用。

圖11 電流衰減階段導(dǎo)軌內(nèi)電磁體積力變化圖

4.2 衰減段導(dǎo)軌所受合力

當(dāng)電流隨時(shí)間衰減時(shí)，導(dǎo)軌所受合力的大小也隨時(shí)間減小，如圖12所示。在末端時(shí)刻，雖然導(dǎo)軌所受的電磁力體積力不為零，但發(fā)射器給導(dǎo)軌提供的預(yù)緊力能夠與電磁力及電樞的膨脹力相抗衡，使得合力為零。

4.3 衰減段導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)

暫且忽略峰值段導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，單獨(dú)分析導(dǎo)軌在靜止?fàn)顟B(tài)下加載衰減階段電流時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)以衰減段電流的初值作為導(dǎo)軌內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流的初始值，將衰減段電流加載至導(dǎo)軌上時(shí)，導(dǎo)軌形變趨勢(shì)、內(nèi)部最大等效應(yīng)力及導(dǎo)軌徑向加速度的變化如圖13～圖15所示。

圖12 衰減段導(dǎo)軌所受合力變化

圖13 衰減段導(dǎo)軌形變隨時(shí)間變化關(guān)系

圖14 衰減段導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

從圖13可以看出，當(dāng)初始時(shí)刻的大電流加載至靜態(tài)的導(dǎo)軌上時(shí)，導(dǎo)軌會(huì)產(chǎn)生形變且迅速增長(zhǎng)，但在慣性力的影響下，形變是非突變的，經(jīng)歷了從零開(kāi)始增長(zhǎng)的過(guò)程；且在短時(shí)間內(nèi)，雖然導(dǎo)軌內(nèi)的電流持續(xù)減小，導(dǎo)軌所受的作用力也相應(yīng)減小，但導(dǎo)軌的形變?cè)谝欢ǖ臅r(shí)間段內(nèi)仍持續(xù)增大，直到導(dǎo)軌所受作用力減小至某一特定值，其形變才趨于穩(wěn)定。

圖14表明，在初始衰減階段，導(dǎo)軌內(nèi)部的最大等效應(yīng)力隨電流衰減反而有所增加，而達(dá)到一定的階段后，其最大等效應(yīng)力就趨于平穩(wěn)甚至開(kāi)始下降。

圖15 衰減段導(dǎo)軌徑向加速度變化趨勢(shì)

圖15表明，突然將衰減段電流加載至導(dǎo)軌上時(shí)，導(dǎo)軌的徑向加速度很大，隨著電流的衰減，作用在導(dǎo)軌上的合力減小，導(dǎo)軌徑向加速度也隨之減小，導(dǎo)軌逐漸趨于穩(wěn)定。

5 完整發(fā)射過(guò)程導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能分析

上文分別單獨(dú)對(duì)放電過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)中導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，初步得出了各個(gè)環(huán)節(jié)導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，也可以作為導(dǎo)彈四極場(chǎng)電磁軌道發(fā)射器分別以上述三種類型的電流作為驅(qū)動(dòng)電流時(shí)導(dǎo)軌的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)性能的理論參考。在實(shí)際發(fā)射過(guò)程中，上述三個(gè)過(guò)程是前后銜接的，且整個(gè)過(guò)程的作用時(shí)間極短，前一環(huán)節(jié)的狀態(tài)對(duì)后一環(huán)節(jié)的影響很大，因此本節(jié)很有必要對(duì)整個(gè)發(fā)射環(huán)節(jié)中導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。

在如圖2所示的輸入電流模型作用下，導(dǎo)軌在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中所受合力如圖16所示。在整個(gè)放電過(guò)程中，導(dǎo)軌幾乎只受單一方向的作用力，且導(dǎo)軌在放電初始階段和結(jié)束時(shí)刻受力變化相對(duì)比較平穩(wěn)，而在各階段的交界處作用力曲線存在尖點(diǎn)。在此變化力的作用下，導(dǎo)軌在整個(gè)放電過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖17～圖19所示。

圖16 完整發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌所受合力變化

圖17 完整發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌的形變趨勢(shì)

圖18 完整發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力變化

圖19 完整發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌徑向加速度變化趨勢(shì)

由圖17可以看出，在發(fā)射初始階段，由于導(dǎo)軌受力較小，其形變也較小，但整個(gè)過(guò)程中導(dǎo)軌形變持續(xù)增大，在電流處于上升段與峰值段交接處附近導(dǎo)軌的形變梯度較大，而后基本保持不變。導(dǎo)軌形變?cè)陔娏魉p階段亦持續(xù)增長(zhǎng)，這是放電時(shí)間短而受到前一階段慣性作用影響的結(jié)果。如果導(dǎo)軌形變持續(xù)增大直至超過(guò)某一特定值，導(dǎo)軌將會(huì)發(fā)生塑性變形而對(duì)導(dǎo)軌造成無(wú)法恢復(fù)的損傷；同時(shí)導(dǎo)軌變形過(guò)大將會(huì)影響導(dǎo)軌與電樞的接觸性能，增大接觸電阻，降低發(fā)射效率。

因此在發(fā)射軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮導(dǎo)軌中后段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，選用剛度大的彈性支撐來(lái)固定導(dǎo)軌。

從圖18可以看出，在發(fā)射過(guò)程中，導(dǎo)軌內(nèi)部最大等效應(yīng)力在電流上升段和峰值段持續(xù)增大，且在電流上升階段及峰值段的前半段增長(zhǎng)較快，峰值段后半段增長(zhǎng)趨于緩慢，而至電流衰減段時(shí)則開(kāi)始減小，其最大值發(fā)生在電流峰值段與衰減段的交接時(shí)刻。對(duì)于某一特定的發(fā)射器而言，這一時(shí)刻一般與導(dǎo)軌的某一特定區(qū)域相對(duì)應(yīng)，因此在發(fā)射過(guò)程中應(yīng)注意觀察此段導(dǎo)軌的疲勞損傷情況，并對(duì)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的強(qiáng)化措施。

整個(gè)發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌的徑向加速度變化如圖19所示。在電流上升段和峰值段，導(dǎo)軌的徑向加速度變化趨勢(shì)大體類似于電流變化趨勢(shì)，但在峰值段的后半段略有下降，其最大值發(fā)生在電流上升段向峰值段過(guò)渡時(shí)刻，此時(shí)發(fā)射結(jié)構(gòu)可能因此而產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，需采取一定的減振措施。在峰值段與衰減段的交接處，其徑向加速度有較小的回升，這可能與作用力的突變有關(guān)。此后徑向加速度逐漸降低，導(dǎo)軌逐漸趨于穩(wěn)定。

在強(qiáng)脈沖電流作用下，由于發(fā)射器對(duì)導(dǎo)彈的作用時(shí)間極短、作用力極大，彈體結(jié)構(gòu)將承受強(qiáng)度極大的軸向沖擊載荷，這將為彈體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。目前已有研究人員開(kāi)展了對(duì)彈體抗超大過(guò)載作用的結(jié)構(gòu)研究并從理論上驗(yàn)證了其可行性[18]。限于篇幅，文中未具體涉及彈體的抗過(guò)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅側(cè)重于發(fā)射器在強(qiáng)沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，研究結(jié)果表明四極場(chǎng)電磁軌道發(fā)射器在超大過(guò)載作用下仍具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。

6 結(jié)論

針對(duì)四極場(chǎng)電磁軌道發(fā)射過(guò)程中以脈沖電流為輸入情況的導(dǎo)軌瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。首先將發(fā)射過(guò)程中的輸入電流劃分為三個(gè)階段，并將它們單獨(dú)作為輸入源分別研究導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其次以整個(gè)發(fā)射過(guò)程為周期，研究電流連續(xù)變化時(shí)導(dǎo)軌受力變化及其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)發(fā)射過(guò)程分段研究的結(jié)果展示了導(dǎo)軌在脈沖電流輸入作用下各個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)特性，為研究整個(gè)發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了依據(jù)，也為不同類型驅(qū)動(dòng)電流下導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)性能的研究提供了參考；對(duì)導(dǎo)軌在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中的分析結(jié)果更為直觀地描述了導(dǎo)軌發(fā)射過(guò)程中在連續(xù)動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)特性，可為導(dǎo)軌的使用壽命估計(jì)、可靠性分析及發(fā)射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。