平面线圈式电磁发射系统研究

作     者：许迎亮 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐恩凌

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：电磁发射 TVS 续流回路 瞬态场 耦合场 

摘      要：随着反装甲武器的不断升级,传统的被动装甲对坦克装甲车辆的防护显得“事倍功半。主动防护技术虽然可以主动出击,对来袭目标进行拦截,但是主动防护技术所使用的发射能源大大限制了它的反应能力,使其无法对高速的来袭目标及时地进行拦截。而基于主动防护技术和电磁发射技术发展起来的主动电磁装甲防护技术可以弥补主动防护技术这一缺点,凭借其更快的反应能力对高速来袭目标进行有效拦截。为了更好地指导主动电磁装甲防护技术的研究和设计,本文选择以平面线圈式电磁发射系统为研究对象,对主动电磁装甲防护的发射系统进行研究。所做的工作及取得的研究成果如下:1)完成了平面线圈式电磁发射系统实验平台的搭建,通过放电实验对TVS导通特性与实验系统电路进行了测试,并针对实验中出现的发射器各组件之间的击穿放电和TVS触发模块的炸裂等故障改进了发射器各组件之间的绝缘和实验系统的接地。2)为了保护脉冲电容器和TVS,实验探究了带续流回路的实验系统电路,以串联的大功率二极管作为续流回路的开关,并采用反向截止硅堆和TVS串联的方式解决了 TVS在大电流时无法正常熄弧的问题。经过多次实验,证明改进后的带续流回路的实验系统电路可以实现对电流波形的调整,阻止反向脉冲电流对脉冲电容器和TVS的冲击,同时证明了改进后的带续流回路的实验系统电路可以在9.4kV时连续正常工作。3)使用ANSYS Workbench中Maxwell电磁场仿真模块建立了平面线圈电磁发射器等比例三维模型,并基于带续流作用的实验系统电路建立了外部激励电路模型。通过将电容器电压为9.4kV典型工况下仿真得到的电流波形与实验结果进行对比,证明建立的仿真模型和电路激励模型是比较准确的,其仿真结果可以在一定程度上反应所搭建实验系统的真实情况。4)通过电磁场仿真预估了当电容器的外加电压为9.4kV时所搭建实验系统发射板的发射速度最大可达8.45m/s。当外加电压为9.4kV时,发射过程中发射基座中磁场最强的位置始终是发射基座内腔底部;发射线圈中心部位磁场强度最大,可以断定线圈中心部位容易出现变形;由于发射板运动的位移较小,在发射过程中磁场始终集中在发射板沿着半径向外的中间部位,且发射板边缘的磁场比其他部位减弱的慢。5)最后研究了电容器的外加电压和电容值对发射板发射能力的影响,并对特定发射条件下平面线圈电磁发射器及其周围磁场的时空分布和发射器的磁-结构耦合场分别进行了仿真研究。仿真结果表明:增加储能电容的电压和电容值都可以提高发射板的发射速度和系统能量转化率,减小发射板达到最大速度的时间,但是提高电容器的电容值会使作用于发射板的电磁力的持续时间明显短于提高电容器外加电压时作用于发射板的电磁力的持续时间;平面线圈式电磁发射系统的能量转化率随着储能电容的外加电压和电容值的增加而增加,但是随着储能电容器参数的增加,系统的能量转化率的增加速率逐渐减小;在电容器外加电压为50kV、电容值为32μF的发射条件下,平面线圈式电磁发射系统的最大发射速度为291.7m/s,能量转化率最大为26.6%;在发射板被加速到291.7m/s过程中,发射线圈和发射板发生严重变形,因此发射组件材料和结构需要进一步优化。