脉冲大电流下降阶段电枢-轨道滑动电接触界面液化层不稳定性研究

Solid armature and rail is a kind of pulse high current, high contact pressure, high speed sliding electrical contact pair in electromagnetic rail launcher. The interface liquid layer is formed under the combined action of electromagnetism, heat and force. In current ramp-down(-di/dt), the electrical contact degradation, which is caused by instability of interface layer, has a direct impact on efficiency and life of electromagnetic launch system. It has important engineering application value to study the instability of interface liquid layer between armature and rail in current ramp-down, which can support the practical application of electromagnetic rail launch technology. This project intends to study regularity of liquid layer instability at the interface between armature and rail in current ramp-down. A model for instability of liquid layer at the interface between armature and rail will be established. The instability criterion of liquid layer at interface between armature and rail in current ramp-down will be proposed. A new method for controlling of the instability of liquid layer in current ramp-down will provide guiding principles and technical support for optimal design of electromagnetic launch system.

固体电枢在电磁轨道发射器中的运动，是一种脉冲大电流、高接触压强、高速滑动电接触过程。电枢-轨道在电磁-热-力综合作用下形成界面液化层。在电流下降阶段（-di/dt），界面液化层不稳定导致的电接触劣化直接影响电磁发射系统的效率和寿命。研究电流下降阶段电枢-轨道界面液化层不稳定性机理，对于支撑电磁轨道发射技术的实用化具有重要的工程应用价值。本项目拟开展电流下降阶段电枢-轨道界面液化层不稳定的影响规律研究，建立电流下降阶段电枢-轨道界面液化层不稳定模型，获得电流下降阶段电枢-轨道界面液化层不稳定判据，提出电流下降阶段液化层不稳定控制方法，为电磁轨道发射系统的优化设计提供指导原则和技术支撑。

电磁轨道发射是一种能将物体加速到超高速度的新型发射技术。与传统滑动电接触不同，电磁发射系统中的电枢和轨道工作在高电流幅值、高接触压强、高滑动速度等极限条件下。在焦耳热和摩擦热的持续作用下，电枢材料会发生熔化，从而在枢/轨接触界面形成金属液化层，导致枢/轨之间的接触状态由初始的固-固接触变为固-液-固接触。这种接触状态的改变对枢/轨系统的稳定性有着重要的影响，因为金属液化层具有不稳定性，一旦液化层失稳，就有可能导致枢/轨之间的接触分离，进而引起转捩的发生，因此亟需研究液化层的动态特性及其稳定性的影响因素。但由于电磁发射系统较密闭，测量装置难以观测到内部情况；同时由于电枢运动速度快，测量装置也难以拍摄到清晰的瞬态图像，因此数值仿真分析是研究液化层动态特性及稳定性的主要手段。.搭建了动态三维磁扩散模型，分析了枢轨系统三维磁扩散特性，量化了速度趋肤效应对轨道侧电流密度分布的影响。发现在刚进入平顶阶段电流密度峰值先下降后上升且增速不断放缓；随电枢速度增大，电流更加集中在表层附近，1mm厚的表层区域最多能通过整个截面55%的电流。.建立了三维磁-弹流动压润滑模型，描述液化层的流动特性。根据三维磁-弹流动压润滑模型，分析了金属液化层动态特性。讨论了几种可能的边界液压取值情况，发现用计算磁扩散得到的磁压分布作为边界液压时，液化层能够稳定存在。由于电枢尾翼电磁力呈U型分布，液化层膜厚横向上呈拱形分布，整体为拱形发散间隙。在平顶阶段，液化层压强峰值有所减小，膜厚逐渐增大。液化层横向运动速度在350m/s以下，且越靠近接触面末端与边缘，液化层速度越大。.在研究电流下降沿斜率对液化层稳定性影响规律的过程中，基于液化层稳定性条件提出了电流下降沿阶段金属液化层破裂转捩机理，通过预测结果与实验实测数据的对比，校验了转捩机理用于预测转捩发生的准确性。