脉冲大电流高速滑动电接触金属沉积层的形成机理及电接触特性

For proving the performance of sliding electrical contact between armature and rails during the launching of electromagnetic railgun, this research project would study formation mechanism of rail deposit and dynamic properties of rail-armature electric contact with integrated application of theories of tribology, lubricate, non-equilibrium solidification and measure techniques of microcosmic, B-dot under extreme environment involving high pulse current,hypervelocity sliding speed, etc. Based on scaled simulation and rail launch test platform, develop single/multiple key parameters experimental studies with current, contact pressure, temperature, mouse out the structure transition law during solidification of meatal liquid layer, establish the deposit property and mode of metal liquid layer. Through heat and pressure calculation of electromagnetic fluid between armature and rails, announce the energy change mechanism in armature- rail interface, build the non-equilibrium solidification simulant model of metal deposit layer, and reveal the formation mechanism of metal liquid layer. Investigate the electrical characteristics of metal deposit layer by experiments, study the effect of magnetic field, electric field, contact pressure, sliding velocity, etc. on the flow capacity of metal deposit layer. Simulated the current distribution of metal deposit layer on armature-rail interface by ANSYS software, reveal the electrical contact mechanism of metal deposit layer. By studying above problems, existing electrical contact theory can be enriched, which has important theoretical significance for the high power sliding electric contact in electromagnetic launch.

项目针对电磁轨道炮发射过程电枢轨道的滑动电接触问题，综合运用摩擦润滑理论、非平衡凝固理论、微观测量技术、B点探头测量技术等，研究脉冲大电流、高滑动速度极限工作条件下枢轨界面金属沉积层的形成机理和枢轨动态电接触性能。研究内容包括（1）以小模型模拟和轨道发射试验为基础，开展电流、接触压力、温度等关键参数的单/多因素试验研究，探寻金属液化层凝固过程中组织转变规律，确立金属液化层的沉积特性和沉积模式;（2）通过枢轨界面电磁流体热、力的计算，揭示枢轨界面能量转化传递机制，建立金属沉积层非平衡凝固组织模拟物理模型，揭示金属沉积层的形成机理。（3）通过试验考察金属沉积层的电特性，研究磁场、电场、接触压力、滑动速度等对金属沉积层通流能力的影响，利用ANSYS对枢轨界面金属沉积层的电流分布进行仿真，揭示金属沉积层的电接触机理。通过上述问题的研究，可丰富现有电接触理论，对电磁发射中的强流滑动电接触设计有重要理论指导意义。

电磁轨道炮是近年来军队重点发展的新概念动能武器，发射过程中高速、大电流等造成的轨道刨削、烧蚀等轨道损伤制约了其军事实用化，为此，研究高电压、大电流等极限条件下枢轨摩擦性能，揭示枢轨电接触机理。主要研究内容与成果如下：.（1）建立了小模型模拟试验平台。以脉冲大电流高速滑动电接触金属沉积层形成机理及电接触特性为主要研究对象，建立了以小口径电磁轨道发射为基本结构原理的金属沉积层小模型模拟试验平台。.（2）开展并得到了关键单因素参量对金属沉积层特性的影响规律。利用小模型试验平台，开展了电接触界面的电流线密度和接触压力等关键因素对金属沉积熔蚀分布的影响试验。研究了不同电流线密度、不同接触压力下的熔融沉积规律，可为轨道炮枢轨结构设计提供技术支撑。.（3）开展了多因素耦合条件下金属沉积层的沉积规律研究。基于脉冲馈电能源1MJ的电磁轨道发射系统，开展了多组高速多发重复发射试验。研究了轨道表面沉积物微观结构、组成成分、沉积层分布规律等；通过测定发射过程中的滑动接触电阻，研究了高压大电流高速滑动条件枢轨电接触性能，为弄清枢轨损伤提供了技术资料。.（4）针对枢轨接触界面温度场测量困难的技术难题，建立了基于高速运动的摩擦生热和大电流欧姆热效应耦合的接触界面温度场仿真计算模型。为后续金属液化层沉积机理及沉积层再融沉积机理的研究提供了技术手段。.（5）建立了基于温度场的沉积层二次凝固仿真模型。通过对沉积层相变过程温度场分析建模，建立了首次发射轨道沉积层沉积模型和二次发射轨道沉积层沉积模型，验证了凝固温度梯度与形核晶粒尺寸的关系。结果表明，轨道发射过程中，轨道经历了闪温过程，枢轨接触界面金属液化层的凝固不同于常规凝固过程，属于非平衡凝固，其金属层的凝固速率达到106 C/s~107 ℃/s。