脉冲大电流滑动摩擦副电特性研究

Electromagnetic rail launch is a new concept technology to acquire ultra high initial velocity launch, with the prominent potential advantage of high and controllable velocity . In an electromagnetic launch system, the armature and the rail make up a sliding electrical contact friction pair, which carries a load current as high as several MA, with relative speed higher than 2 km/s, beyond existing sliding electrical contact theory. At home and abroad, the research for this special sliding electrical contact is still confined to single firing experiment; the accurate control of velocity under repeated launch is affected by the electrical characteristics of friction pair. So based on the law of electrical characteristics between typical material rail and aluminum armature friction pair as well as its to armature movement speed, in this research, a variety of measurement methods and the simulation calculation method are to be applied to construct a nonlinear and time-varying load model, so as to study the influence law of various parameters on electrical characteristics of sliding friction pair. Also, from the influence of hot liquid deposits on subsequent liquefaction layer perspective point of view, the rules of the evolution of the liquefied layer is to be studied, and the mechanism of electrical characteristics development is to be revealed. Combined with the launch system circuit simulation model, an electrical characteristics correction model of sliding friction pair is to be put forward, in order to improve velocity regulation precision under the condition of repeat launch. The research will broaden the sliding electric contact theory, and make important significance in the velocity of electromagnetic rail launch precise regulation both in theory and in practical application.

电磁轨道发射是获得超高初速发射的一种新概念技术，其突出的潜在优点是初速高且速度的可控性好；电磁发射系统中，电枢与轨道构成一个滑动电接触摩擦副，其承载电流高达数MA，相对运动速度高于2km/s，超出现有滑动电接触理论范畴；目前国内外对其研究尚局限于单次发射实验，而重复发射条件下速度的精确控制受到摩擦副的电特性影响较大。因此本项目研究基于典型材料的轨道与电枢摩擦副间电特性及对电枢运动速度的影响规律，综合运用多种测量手段及仿真计算方法，构建非线性时变负载模型，研究各种参数对滑动摩擦副电特性的影响规律，并从炽热液化沉积物对后续液化层的影响角度出发，研究液化层的演变规律，揭示电特性发展的机理；并结合发射系统全电路仿真模型，建立滑动摩擦副电特性修正模型，为提高重复发射条件下速度调控精度打下理论基础。研究成果将拓宽滑动电接触理论，并对电磁轨道发射中的速度精确调控有着重要的理论和实际应用意义。

本项目搭建了脉冲大电流直线驱动装置试验平台，分析了轨道所处的多物理场复杂环境，建立了装置的二维和三维瞬态耦合模型，利用数值模拟的方法分析了轨道在试验过程中的热现象特性，计算得到试验过程中完整的轨道温度变化情况。针对铝电枢和紫铜电枢分别在紫铜导轨、黄铜导轨、铝导轨上的滑动电接触特性，进行了单次、重复发射试验和不同电流等级试验，得到上述条件下摩擦副接触电阻的影响因素；通过对试验过程中驱动电流、出口电压、电枢速度、轨道温度等参数的在线测量，分析研究了轨道热量积累对装置的温升、效率、以及滑动电接触等主要性能的影响，提出了对轨道进行热管理的必要性。在对电磁轨道发射系统的特性分析中，采用电路仿真作为主要研究手段，但仿真模型不仅仅是建立在系统的静态电特性的基础上，而是把影响系统性能的各种真实物理过程均以电参量的形式表达出来，实现了借助相对简单的模式对相对复杂的系统的描述；建立了考虑多场耦合的基于PSpice的电磁轨道发射系统的电路仿真模型；并且通过仿真分析，给出所考虑的各种因素对系统输出特性的影响。研究速度与放电电流波形（电流最大值，电流上升沿）的对应关系。通过应用基于径向基函数神经网络，对电磁发射历史数据进行统计分析，找到了初速度与电流波形的映射关系，并可根据电流波形推测出电磁发射初速度。应用多种群遗传算法，实现了给定目标电流波形，进而产生时序。通过应用此算法，产生的电流峰值和期望的电流峰值的误差在3.8%左右，上升时间误差在4.2%内。最后应用C#和MATLAB并结合上述的算法，开发研制了高速发射速度预测及其控制系统，通过上位机自动产生时序，并应用串口下发到DSP控制器，DSP控制器产生30路脉冲信号驱动电源模块，实现电磁发射的速度控制目标。完成了项目研究目标。