高速多极矩场电磁发射瞬态场与抛体耦合动力学及能量转化机理研究

Electromagnetic launcher has such advantages as no launch mass limit, high muzzle velocity, and simplified energy source, higher launch efficiency, and good working performance, easily controllable and large variety of launch structure. The most promising application for electromagnetic launch is used by the military weapons, scientific research, spaceflight and transportation, and civil industry has extensive application potential. For the first time in the world, this project presents a new idea of radial magnetic field interacting with azimuthal current for electromagnetic launch, and proposes a novel multipole field electromagnetic launch mode. We give the system design and analyses the performance of multipole field electromagnetic launcher. The mathematics model and electromechanics equation of multipole field electromagnetic launch are established. Our research focuses on the coupling dynamics and energy conversion principle as the transient field interact on the moving conductor. The high-speed multipole field electromagnetic launcher system will be designed and constructed. We will resolve the coupling dynamics of electromagnetic launchers, and will establish the energy conversion model of railgun and coilgun. Our work will afford the experiment research and engineering application for some basic theory and design standard.

电磁发射器具有发射质量范围大、出口初速度快、发射效率高、能源简易、工作性能优良、可控性好和结构多样等优点，使其在未来军事武器、科学研究、航天和交通、民用工业等相关领域有着广泛的应用潜力。本课题探索应用径向磁场与环向电流相互作用进行电磁发射的思想，在国内外首次提出多极矩场线圈型电磁发射模式，建立多极矩场电磁发射的数学模型和机电方程，着重对高速多极矩场线圈型电磁发射瞬态场与抛体耦合动力学及能量转化机理进行研究，并对高速多级线圈型电磁发射装置进行系统设计和演示性实验。本课题的工作解决高速电磁发射电磁场与运动导体耦合作用的机理问题，建立导轨型和线圈型电磁发射的统一能量转化模型，期望能够为实验研究和工程应用提供一定的理论支撑和设计依据。

传统的导轨型和同轴线圈型电磁发射器，存在电接触摩擦和电磁加速力分量不足的问题。为了克服上述问题，并向超高速、大质量发展，本项目提出利用径向磁场与环向电流相互作用进行电磁发射的思想，构建多极矩场线圈型电磁发射模式。本项目着重对该发射模式中，瞬态场与抛体耦合动力学及能量转化机理进行研究，目标是建立各种电磁发射模式的统一数学模型和机电方程，为高速高效率的电磁发射工程应用提供一定的参考依据。. 本项目首先对多极矩场电磁发射概念和模式进行探索，改进构造了多级扭转多极矩场线圈阵列，瞬态仿真计算发射抛体所受到的电磁力。分析表明：多级扭转多极矩场线圈可以产生旋转前进的磁行波，该磁行波使得抛体作自旋运动；抛体所受的轴向加速力远大于传统直螺线管线圈发射模式，抛体所受的径向排斥力能够保证其无接触发射线圈。. 项目对脉冲瞬态磁场与高速运动抛体的耦合作用机理进行分析，归结各种电磁发射的统一数学模型为运动导体的涡流问题，关键技术为涉及到运动网格的剖分和非对称矩阵方程组的求解。研究表明，较为有效的解决方法是基于拉格朗日坐标变换的有限单元法结合边界元法（FEM+BEM）。要提高电磁发射能量转化效率，一方面要提高驱动线圈在空间存储的磁场能，即增大驱动线圈中脉冲电流的幅值，同时逐级减小脉冲电流的上升沿时间；另一方面要改善发射抛体与驱动线圈的磁耦合程度，并增大空间存储磁能在抛体运动方向上的分布梯度。