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高温超导磁悬浮连续脉冲磁行波电磁发射研究

郭芳  
【摘要】: 在轨道炮、线圈炮、重接炮这三种电磁发射形式中,重接炮综合了线圈炮能发射大质量弹丸的特点以及轨道炮超高速发射弹丸的优势,同时克服了轨道炮产生的材料烧蚀和磨损的缺点,被认为是应用前景最好的一种电磁发射形式。然而驱动线圈提供悬浮力的能力与激励电流的幅值有关,当驱动线圈中的激励电流为0时,驱动线圈不能提供悬浮力。为保证发射体的稳定悬浮运动状态,不与驱动线圈发生碰撞和摩擦,应增加辅助悬浮装置。超导磁悬浮发射技术具有“载重量大、大的悬浮间隙、无摩擦、低能耗、低维护、安全可靠、低污染”等特点,是一种理想的发射方式。其核心技术包括磁悬浮系统、推进系统、高功率脉冲电源系统等技术。 本文首先分析了三种传统的高温超导永磁悬浮轨道的特性。Halbach型永磁悬浮轨道其表面磁场最强,提供悬浮力和导向力的能力最强,同时其内部结构也最不稳定,安装困难,因此,目前表面磁场稍弱的水平方向磁化的磁悬浮轨道应用更为广泛。本文结合Halbach永磁阵列的磁场分布特点,设计了一种新型的改进型Halbach结构永磁悬浮轨道。即保留了Halbach永磁阵列提供强磁场的特点,又解决了其内部的结构稳定性问题。 在推进方面,本文针对重接炮各级电源之间的激励等待时间较长,有效加速时间较短的问题,提出了一种连续脉冲磁行波电磁发射方法。采用在时间和空间上连续的脉冲磁行波,使发射体一直跟随磁场行波的运动,增加受力时间,并且缩短相邻两级电源激励的时间间隔,达到快速将发射体加速至高速的目的。本文从连续磁行波推进的原理出发,得出了两种适合连续磁行波推进的驱动线圈的布局形式,探讨了连续脉冲磁行波推进的驱动模式、驱动电流波形要求以及脉冲衔接要求。仿真分析了连续脉冲磁行波推进的效果,并与重接炮的发射效果进行了比较。计算显示,连续脉冲磁行波推进能有效提高发射速度,缩短发射用时,提高发射效率。 在脉冲电源方面,本文针对电容器储存不能长时间储存能量,而电感储能能量释放时采用的断路开关难以实现大电流、高功率,并且开断大电流还会在储能电感上产生高电压等问题,设计了一种基于高温超导电感储能的模块化脉冲输出方案。用超导电感储能提高电能储存时间和储能密度,用模块化技术和脉冲变压器弥补断路开关断流能力的不足,用MOV防止超导电感上的过电压。本文主要讨论了单模块/多模块的输出电流波形,设计了电磁发射用驱动电流的发生电路,仿真分析了电路中各参数的匹配问题,并对多模块集成时多个储能电感之间的互感耦合问题进行了分析和处理。 最后,本文对设计的悬浮系统、推进系统和脉冲电源系统进行了组装和简易实验。验证了高温超导连续脉冲磁行波电磁发射的可行性。


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