固體電樞電磁軌道炮發(fā)射一致性研究

張 祎,李海元,楊春霞,栗保明

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240;2.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

隨著各個(gè)難題的逐步攻克以及軌道發(fā)射技術(shù)應(yīng)用化研究的開(kāi)展，電磁軌道炮發(fā)射裝置的遠(yuǎn)距離高精度打擊[1]和固體電樞初速的一致性[2]成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。但是到目前為止，對(duì)于電磁軌道發(fā)射過(guò)程無(wú)法做到白箱測(cè)試，只能借助數(shù)值模擬和仿真計(jì)算對(duì)發(fā)射過(guò)程中的電-磁-熱-力學(xué)相互之間耦合作用進(jìn)行分析[3-4]，還沒(méi)有任何一種理論計(jì)算可以準(zhǔn)確地描述該發(fā)射過(guò)程，因此需要借助新的系統(tǒng)分析理論和方法對(duì)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行研究。

固體電樞電磁軌道炮的發(fā)射過(guò)程具有穩(wěn)定性和可控性，筆者通過(guò)可視化的測(cè)量手段對(duì)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了解，對(duì)小口徑軌道炮發(fā)射試驗(yàn)中電壓、電流和溫度多個(gè)參數(shù)的測(cè)量，并結(jié)合灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)固體電樞小口徑電磁軌道炮的發(fā)射過(guò)程的一致性進(jìn)行了分析，對(duì)保持發(fā)射的一致性提出了改進(jìn)措施。

1 發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)搭建與結(jié)果分析

1.1 發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)組成

固體電樞電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括以下部分：高功率脈沖電源模塊、觸發(fā)控制模塊、測(cè)試系統(tǒng)模塊以及軌道炮發(fā)射裝置模塊，結(jié)構(gòu)示意及控制邏輯如圖1所示。

圖1所示的固體電樞電磁軌道炮測(cè)試系統(tǒng)分為基礎(chǔ)測(cè)試和可視化測(cè)試兩部分，基礎(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)主要包括對(duì)脈沖電流、脈沖電壓和固體電樞初速的測(cè)試及數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備；可視化測(cè)試系統(tǒng)則主要由超高速照相、三維重構(gòu)、光纖應(yīng)變和光譜測(cè)溫組成，該測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)獲得電樞在膛內(nèi)的加速過(guò)程、電樞出膛后的姿態(tài)及磨損情況、軌道炮身管結(jié)構(gòu)變形、膛內(nèi)溫度等信息。

1.2 小口徑固體電樞電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析

三次發(fā)射試驗(yàn)的基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果

從表1的數(shù)據(jù)分布中可以看出固體電樞的測(cè)量速度上下波動(dòng)，說(shuō)明發(fā)射過(guò)程中存在隨機(jī)因素影響發(fā)射系統(tǒng)的一致性。試驗(yàn)中測(cè)得的脈沖電參數(shù)變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2所示的炮尾電壓曲線具有較好的一致性；圖3所示的炮口電壓在1 ms之前曲線相互重合，而在1～1.6 ms的時(shí)間段內(nèi)，炮口電壓曲線有明顯的不一致。

2 發(fā)射一致性分析

在現(xiàn)有的條件下，觸發(fā)時(shí)刻電樞質(zhì)量和直徑無(wú)法達(dá)到絕對(duì)的一致，而是在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)。參數(shù)的這種隨機(jī)波動(dòng)對(duì)固體電樞初速一致性的影響僅僅通過(guò)基礎(chǔ)測(cè)量平臺(tái)是無(wú)法解釋的，筆者借助灰色分析模型對(duì)該過(guò)程進(jìn)行定量的分析。

2.1 GM(1,N)灰色模型的改進(jìn)

GM(1,N)模型根據(jù)系統(tǒng)的行為特征數(shù)據(jù)，通過(guò)建立相關(guān)微分方程，尋找影響因素間的數(shù)學(xué)關(guān)系。作為一種分析型模型，GM(1,N)模型不具有全信息，主要用來(lái)對(duì)多因子的系統(tǒng)做整體的、全局的和動(dòng)態(tài)分析。

經(jīng)典的GM(1,N)是以系統(tǒng)中N個(gè)關(guān)聯(lián)因子間存在線性關(guān)系為基礎(chǔ)建模的，然而實(shí)際上關(guān)聯(lián)因素多為非線性關(guān)系，因此需要對(duì)經(jīng)典GM(1,N)模型做改進(jìn)。在已有改進(jìn)的基礎(chǔ)上,從以下幾方面對(duì)GM(1,N)模型進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1.1 原始序列光滑處理

原始數(shù)據(jù)的光滑特性是影響灰色模型預(yù)測(cè)精度的重要因素之一[5]。為了使振蕩序列更為光滑，采用對(duì)數(shù)-冪函數(shù)數(shù)據(jù)變換方法[6]：

(1)

式中，C取值范圍為[0.7,1)。

2.1.2 背景值處理

(2)

(3)

下面筆者就根據(jù)上述的改進(jìn)建立GM(1,N)模型，進(jìn)行影響發(fā)射一致性的分析。

2.2 GM(1,N)模型分析

為了進(jìn)一步研究電樞質(zhì)量和電樞直徑對(duì)發(fā)射一致性的影響，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電樞質(zhì)量和電樞直徑進(jìn)行了變動(dòng)，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以電樞速度、電樞質(zhì)量和電樞直徑為數(shù)據(jù)序列建立GM(1,3)模型，其灰微分方程為：

(4)

原始數(shù)據(jù)與模型擬合結(jié)果及相對(duì)誤差見(jiàn)表3。

表3 原始數(shù)據(jù)、模型擬合結(jié)果及相對(duì)誤差表

采用關(guān)聯(lián)度R、后驗(yàn)差C和小誤差概率P對(duì)模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]，本文中所建的GM(1,3)模型的精度計(jì)算結(jié)果為：C=0.071 1，P=1，R=0.706 7，擬合值最大相對(duì)誤差小于0.11%，因此該模型具有很高的擬合精度，可用于進(jìn)行因果關(guān)系研究，因果關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4中的因果關(guān)系可以看出，試驗(yàn)中電樞直徑對(duì)電樞速度的發(fā)展具有促進(jìn)作用，而電樞質(zhì)量具有抑制作用。適當(dāng)?shù)卦黾与姌兄睆娇梢詼p小電樞和軌道間的接觸電阻，在很大程度上改善發(fā)射起始過(guò)程中的電接觸情況；而電樞質(zhì)量的改變要隨著發(fā)射次數(shù)的增加先減后增，以改善連續(xù)發(fā)射情況下磨損加劇問(wèn)題。因此在不改變其他參數(shù)的條件下，合理設(shè)置電樞的質(zhì)量和直徑的匹配關(guān)系可以有效地穩(wěn)定電磁軌道發(fā)射中電樞初速的一致性，下面通過(guò)膛內(nèi)瞬態(tài)光譜測(cè)溫做進(jìn)一步的說(shuō)明。

2.3 多光譜瞬態(tài)測(cè)溫結(jié)果分析

在同樣試驗(yàn)條件下，采用瞬態(tài)光譜測(cè)溫系統(tǒng)[10]對(duì)膛內(nèi)等離子體溫度進(jìn)行了測(cè)量，3次發(fā)射試驗(yàn)軌道上采集到的電弧電壓曲線如圖5所示。

從圖5中3次試驗(yàn)的電弧電壓曲線變化可以看出：第1次發(fā)射試驗(yàn)有明顯的從小變大再?gòu)拇笞冃〉倪^(guò)程，而第2次和第3次試驗(yàn)在發(fā)射過(guò)程中膛內(nèi)等離子體電弧的光強(qiáng)信號(hào)非常微弱，幾乎觀察不到，由此可以判斷第2次和第3次試驗(yàn)中膛內(nèi)的電弧產(chǎn)生非常微小，只是在電樞與軌道的接觸點(diǎn)上有一點(diǎn)微弱的電弧產(chǎn)生；而在電樞出膛后1.69 ms出現(xiàn)了比較明顯的電弧光強(qiáng)，由于膛外電弧信號(hào)非常強(qiáng)，超過(guò)了探測(cè)器相應(yīng)飽和值，因此第3次試驗(yàn)測(cè)得的電壓有削頂現(xiàn)象(見(jiàn)圖5(c))，但是3次試驗(yàn)均出現(xiàn)了和第1次試驗(yàn)類似的峰谷變化，這是炮口出現(xiàn)電弧的信號(hào)。

以圖5(a)為例進(jìn)行說(shuō)明。銅制軌道在發(fā)射過(guò)程中等離子體的光強(qiáng)信號(hào)有兩個(gè)波峰起伏：電磁軌道炮在發(fā)射后約0.17 ms時(shí)刻產(chǎn)生了等離子體，并迅速出現(xiàn)一個(gè)峰值，接著快速變小直至最小值，持續(xù)時(shí)間約為0.70 ms；在0.87 ms時(shí)刻出現(xiàn)了第2個(gè)光強(qiáng)峰值，而且比第1個(gè)的強(qiáng)度要大的多，之后通過(guò)較長(zhǎng)的一段時(shí)間(約10.62 ms)衰減至0。根據(jù)區(qū)截測(cè)速結(jié)果確定電樞出膛的時(shí)間為1.69 ms。根據(jù)電弧電壓計(jì)算得到等離子體激發(fā)溫度曲線、輻射溫度曲線如圖6所示。

圖6中的曲線走勢(shì)遵循由小變大，接著由大變小，最后又變大的規(guī)律：

1)從膛內(nèi)電弧的起伏變化可以看出，在后兩次試驗(yàn)中，電樞在行進(jìn)過(guò)程中與軌道的配合一致性要好于第1次。

2)從膛內(nèi)電弧的激發(fā)溫度曲線可以看出，后兩次試驗(yàn)中等離子體的溫度比第1次試驗(yàn)的溫度要低2 000 K左右，說(shuō)明電弧的大量消除可以降低膛內(nèi)的溫度，保證電樞和軌道的物理特性不被破壞。

3)從膛內(nèi)電弧的輻射溫度曲線可以看出，后兩次試驗(yàn)中電樞和軌道在瞬間承受了1 790 ℃左右的溫度，電樞的形態(tài)更接近于固態(tài)，說(shuō)明膛內(nèi)軌道起弧很小。

4 結(jié)論

針對(duì)同等參數(shù)條件下固體電樞初速的波動(dòng)性，筆者首先對(duì)實(shí)測(cè)的炮口電壓和炮尾電壓曲線進(jìn)行了對(duì)比，分析了同等參數(shù)條件下發(fā)射過(guò)程的一致性；在此基礎(chǔ)上利用改進(jìn)的GM(1,N)灰色模型對(duì)發(fā)射過(guò)程中電樞質(zhì)量和電樞直徑對(duì)電樞初速的影響屬性進(jìn)行了定性和定量的計(jì)算，提出了適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電樞質(zhì)量和電樞直徑間的關(guān)系有助于穩(wěn)定發(fā)射的一致性；最后利用膛內(nèi)瞬態(tài)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并詳細(xì)說(shuō)明電樞直徑對(duì)電樞初速一致性的影響。

綜合整個(gè)測(cè)試結(jié)果可以看出，固體電樞在裝填時(shí)與軌道間的過(guò)盈配合情況對(duì)電弧的產(chǎn)生有直接的關(guān)系：第1次試驗(yàn)裝填結(jié)束后測(cè)得的電阻系數(shù)為0.9，第2次和第3次試驗(yàn)的電阻系數(shù)為0.6，盡管數(shù)值變化較小，但是膛內(nèi)電弧被大量消除，而且膛內(nèi)電弧的起伏變化并不明顯(見(jiàn)圖6)，表明了電樞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與軌道的接觸一致性是良好的。而且在發(fā)射過(guò)程中，膛內(nèi)產(chǎn)生的電弧并不明顯，除了在電弧和軌道的接觸點(diǎn)上有一些微弱的電弧外，幾乎沒(méi)有太大的電弧體。這與炮尾電壓和炮口電壓在1.6 ms之前曲線的分布有很好的一致性是吻合的，同時(shí)也說(shuō)明只有固體電樞和軌道之間的過(guò)盈量合適，才能在固體電樞裝填時(shí)保證電樞與軌道之間有足夠的接觸壓力，盡量減小接觸電阻才能避免發(fā)射過(guò)程中固體電樞和軌道之間電弧的出現(xiàn)。

盡管通過(guò)發(fā)射試驗(yàn)可以得到電、熱和力等參數(shù)的變化信息，但試驗(yàn)本身存在一定的局限性，因此，今后將在發(fā)射試驗(yàn)中繼續(xù)進(jìn)行多參數(shù)的測(cè)量，為提高發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度的研究提供依據(jù)。

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