连续发射模式下电磁轨道炮主动冷却换热特性及热管理控制策略

The heat deposited on the electromagnetic track will obviously affect the efficiency and safety of the emission under the continuous emission mode, whereas there is no theory to guide the design of track cooling system and thermal management at present. As a result, this project will study the cross section and axial temperature distributions of the track, the temporal and spatial distribution of depositional heat and active cooling of the orbit by cross-disciplinary application of heat transfer, electromagnetics and fluid dynamics. The main research contents are as follows: 1) to analyze the source, generation mechanism and coupling mechanism of deposition heat in electromagnetic track under continuous emission qualitatively and quantitatively by using theoretical analysis and analytic method; 2) to obtain the transient temperature effects of the axial and cross-section of the electromagnetic track and reveal the spatial distribution and time-varying characteristics of the deposited heat in the track with theoretical analysis, numerical simulation and experimental testing; 3) to make clear the influence of geometric parameters of flow channel, physical parameters of cooling medium and operating parameters on convective heat transfer characteristics and cooling effect of orbital active cooling by experimental and theoretical analysis. Besides, comparison with other cooling methods will be made. On this basis, considering the evaluation factors such as technology, economy, environment, safety, military and politics, a thermal management control strategy suitable for electromagnetic track in continuous launch mode will be put forward, which can provide theoretical guidance and scientific basis for the design of electromagnetic track cooling system.

针对连续发射模式下电磁轨道上沉积的热量会明显影响发射的高效性和安全性，而轨道冷却系统设计和热管理又缺乏理论指导的现状，本项目将通过传热学、电磁学、流体力学等基础学科的交叉应用，对轨道中沉积热量的时空分布特性及主动冷却换热特性等进行研究。研究内容如下：1）通过理论分析和解析法，定性和定量研究连续发射条件下电磁轨道中沉积热量的来源、生成机理与耦合作用机制；2）通过理论分析、数值模拟和实验测试，获得电磁轨道轴向和横截面的瞬态温度效应，揭示轨道中沉积热量的空间分布特性和时变特性；3）通过实验和理论分析，明确流道几何参数、冷却介质物性参数和运行参数等对轨道主动冷却对流换热特性和冷却效果的影响，并与其他冷却方式进行比较。在此基础上，综合考虑技术、经济、环境、安全、军事、政治等评价因素，提出适用于连续发射模式下电磁轨道的热管理控制策略，为电磁轨道冷却系统的设计和运行提供理论指导和科学依据。

针对连续发射模式下电磁轨道上沉积的热量会明显影响发射的高效性和安全性，而轨道冷却系统设计和热管理又缺乏理论指导的现状，本项目将通过传热学、电磁学、流体力学等基础学科的交叉应用，对轨道中沉积热量的时空分布特性及主动冷却换热特性等进行研究。研究内容如下：1）通过理论分析和解析法，定性和定量研究连续发射条件下电磁轨道中沉积热量的来源、生成机理与耦合作用机制；2）通过理论分析、数值模拟和实验测试，获得电磁轨道轴向和横截面的瞬态温度效应，揭示轨道中沉积热量的空间分布特性和时变特性；3）通过实验和理论分析，明确流道几何参数、冷却介质物性参数和运行参数等对轨道主动冷却对流换热特性和冷却效果的影响，并与其他冷却方式进行比较。在此基础上，综合考虑技术、经济、环境、安全、军事、政治等评价因素，提出适用于连续发射模式下电磁轨道的热管理控制策略，为电磁轨道冷却系统的设计和运行提供理论指导和科学依据。在本项目执行的四年中，按进度要求完成了各项工作。包括开展了在电磁学、传热学、流体力学以及固体动力学等基本理论的基础上，建立了电磁轨道内、外部主动冷却换热的数学模型。设计了一种基于电磁轨道温度分布的内外部冷却系统，对电磁轨道主动换热特性开展实验研究。在实验基础上，通过有限元仿真方法对试验型电磁轨道冷却过程中轨道温度时空分布和演化规律进行深入研究。此外，也建立了主动冷却方式下电磁轨道的电磁-热-结构多物理场耦合三维模型，研究多场耦合下电磁轨道电流热效应、轨道热应力分布及形变规律、内部冷却通道主动冷却换热特性，探究三种内部冷却通道形状对电磁轨道性能的影响。为连续发射模式下解决电磁轨道热量沉积问题，制定电磁轨道热管理控制策略具有一定的指导意义。