0 前言

電磁軌道發(fā)射是利用電磁能替代機(jī)械能和化學(xué)能進(jìn)行發(fā)射的新型發(fā)射技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)意義上火炮的局限性，能實(shí)現(xiàn)超過 2 km/s 的極高速度，具有發(fā)射速度快、射程遠(yuǎn)、安全性能高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1]。

電磁軌道發(fā)射裝置由儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電磁軌道發(fā)射器和遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)組成[2]，如圖1 所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)射過程中，通過脈沖功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)將積蓄的能量調(diào)節(jié)為瞬時(shí)超大功率電能輸出給電磁軌道發(fā)射器，從而激發(fā)磁場(chǎng)，電樞在洛倫茲力的作用下，推動(dòng)負(fù)載加速發(fā)射以達(dá)到預(yù)定速度，遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)通過信息指令實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的控制。其中，電磁軌道發(fā)射器由電樞、軌道以及絕緣支撐體組成，如圖2 電磁軌道發(fā)射樞軌載流摩擦副及裝配彈丸示意圖所示。電樞和軌道是主要運(yùn)動(dòng)接觸部件，常稱為樞軌載流摩擦副。

由于電-磁-熱-力多場(chǎng)耦合條件下的極端服役工作環(huán)境，即有大電流（～MA 級(jí)）、強(qiáng)磁場(chǎng)（～T 級(jí)）、高熱量（～103 K 級(jí)）、強(qiáng)作用力（～106 N 級(jí)）通過樞軌接觸表面，樞軌載流摩擦副不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的損傷。其中，電樞將彈丸推動(dòng)至超高速，以較小的電流通流面積導(dǎo)通回路中的所有電流，承擔(dān)著發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的大部分能量，是系統(tǒng)中將電能轉(zhuǎn)化為彈丸動(dòng)能的關(guān)鍵部件，表面狀態(tài)會(huì)直接影響樞軌載流摩擦副的服役性能，并與發(fā)射裝置的效率和精度密不可分，其損傷不僅導(dǎo)致電樞自身性能的下降，同時(shí)會(huì)降低軌道的使用壽命，制約其發(fā)展前景[2]。

為解決發(fā)射過程中電樞損傷問題，研究者將研究重點(diǎn)放在電樞損傷機(jī)理和損傷防護(hù)技術(shù)上。目前，對(duì)于電樞損傷的試驗(yàn)驗(yàn)證研究主要是通過對(duì)發(fā)射后電樞進(jìn)行回收，觀察其經(jīng)過一個(gè)服役過程后的表面形貌，從而判斷是否出現(xiàn)損傷以及損傷的嚴(yán)重程度； 對(duì)于電樞損傷的模擬與仿真主要是通過調(diào)節(jié)不同的參量，包括過盈量、電流密度以及電流波形等，分析其在服役過程中各項(xiàng)性能的變化，進(jìn)而推導(dǎo)出服役過程后的損傷情況。

本文綜述了近年來國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)電磁軌道發(fā)射電樞損傷的研究進(jìn)展。從典型損傷特征及其影響因素，損傷機(jī)制和改進(jìn)手段等方面進(jìn)行闡述，歸納了電樞損傷的分類和特征，總結(jié)了對(duì)應(yīng)的理論分析，梳理了不同的防護(hù)優(yōu)化技術(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，電樞損傷研究發(fā)展至今，針對(duì)其損傷機(jī)理的探究仍不夠深入，尚不具備一套完整的理論體系，損傷防護(hù)處理技術(shù)尚不成熟。

1 典型損傷

1.1 載流摩擦磨損

載流摩擦磨損是指在導(dǎo)入電流后，兩金屬表面相互接觸并由于發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)一系列摩擦學(xué)行為而產(chǎn)生的磨損[3]。由于電樞自身的機(jī)械屬性和預(yù)緊力條件下的電接觸特征，在大電流、高運(yùn)動(dòng)速度的極端服役過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生載流摩擦磨損。這種損傷主要是由于樞軌間接觸斑點(diǎn)在預(yù)緊力、溫度升高和電磁壓力增大下產(chǎn)生黏著，而后在摩擦力的作用下相互磨損導(dǎo)致的，即損傷發(fā)生于舊接觸斑點(diǎn)損壞而消失，新接觸斑點(diǎn)不斷形成的循環(huán)往復(fù)過程中。區(qū)別于一般的機(jī)械磨損，載流摩擦磨損不僅要受到電樞自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，其還處于大電流場(chǎng)中，受到電流熱效應(yīng)的制約，同時(shí)間在發(fā)射過程中會(huì)出現(xiàn)短暫分離的接觸特性導(dǎo)致電樞存在嚴(yán)重的電弧磨損，因此，電樞的載流摩擦磨損主要包括機(jī)械磨損、電流磨損及電弧磨損等形式。

1.1.1 機(jī)械磨損

GAO 等[4]在考慮了預(yù)緊力和電磁壓力的共同效應(yīng)下，采用 Archard 磨損模型對(duì)樞軌接觸進(jìn)行有限元仿真，研究預(yù)緊力和電磁壓力（洛倫茲力在法向上的分力）對(duì)電樞磨損的影響，結(jié)果表明，在發(fā)射過程中，電磁壓力提供了大部分的樞軌接觸力，并發(fā)現(xiàn)最大接觸壓力分布于電樞尾翼兩側(cè)，這也是電樞磨損集中的區(qū)域。MERRILL[5]建立了樞軌接觸界面的熔化潤(rùn)滑模型，嚴(yán)格控制焦耳熱的影響，重點(diǎn)對(duì)發(fā)射過程中電樞產(chǎn)生的機(jī)械磨損進(jìn)行研究，其結(jié)果顯示，法向載荷的增加會(huì)加劇電樞的磨損。主要是因?yàn)榉ㄏ蜉d荷的增大會(huì)導(dǎo)致樞軌間機(jī)械混合層厚度逐漸增加，并在發(fā)射過程中產(chǎn)生裂紋。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定程度后，一部分電樞基體材料就會(huì)和樞軌間機(jī)械混合層一起剝落，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的損傷。因此，電樞的機(jī)械磨損主要是由其復(fù)雜的受力條件導(dǎo)致，主要發(fā)生在樞軌接觸的低速階段。

1.1.2 電流磨損

電流磨損通常指電接觸材料在導(dǎo)入電流后，由于滑動(dòng)摩擦以及電阻而引起的熱量和磨損現(xiàn)象，熱量的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而引起材料發(fā)生熱膨脹、熱應(yīng)力、氧化等現(xiàn)象[6-7]。一方面，升溫會(huì)導(dǎo)致表面氧化物的生成，造成電接觸材料間接觸電阻的增大和潤(rùn)滑性的降低；另一方面，電流產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)造成材料表面層軟化，降低摩擦層與基體的結(jié)合程度，從而影響材料的摩擦學(xué)性能[8]。電樞在 MA 級(jí)大電流作用下在軌道間高速滑動(dòng)，樞軌間摩擦界面溫度迅速升高。電流磨損成為電樞載流摩擦磨損的重要特征之一。SENOUCI 等[9]在進(jìn)行滑動(dòng)電接觸摩擦磨損試驗(yàn)中對(duì)比了是否通入電流的磨損情況，結(jié)果表明，電流的加入會(huì)加劇材料的磨損。這是由于通入電流會(huì)在樞軌摩擦副中產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，釋放熱量破壞表面潤(rùn)滑膜，導(dǎo)致樞軌界面粗糙度增加，磨料性能提升，力學(xué)性能下降，發(fā)生電流磨損，磨損率增大。WATT[10]對(duì)不同電流條件下發(fā)射后電樞進(jìn)行回收處理，通過電樞質(zhì)量損失測(cè)定和表面磨損機(jī)械輪廓測(cè)定兩種方法確定電樞損傷量，如圖3 所示。可以發(fā)現(xiàn)，電樞損傷量與電流值的大小近似成一階線性正比。

1.1.3 電弧磨損

電樞在軌道間非全約束條件下進(jìn)行的高速飛升，常導(dǎo)致電樞與軌道發(fā)生短暫分離而形成電弧。 NAGASAWA 等[11]重點(diǎn)關(guān)注電弧磨損導(dǎo)致的載流摩擦磨損，研究表明電弧產(chǎn)熱是導(dǎo)致材料熱熔化的主要來源之一。CHEN 等[12]利用高速攝像機(jī)記錄了電弧磨損的全過程，結(jié)果表明磨損率與累計(jì)電弧放電能量近似成正比，但在合理范圍內(nèi)加大法向力以增加摩擦副接觸面積，可以有效降低電弧磨損帶來的影響。可以發(fā)現(xiàn)，以弧光形式散發(fā)的熱量會(huì)導(dǎo)致樞軌接觸界面溫度急劇升高，導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)重熔化剝落。

目前研究者認(rèn)為載流摩擦磨損是在載流條件下，機(jī)械能和電能相互耦合，二者互相影響共同作用下的結(jié)果。圖4 展現(xiàn)了 Al-Zn-Mg-Cu 系電樞在高速載流試驗(yàn)過程中所表現(xiàn)出的“三階段”典型載流摩擦磨損形貌。可以看到，在電流較小的上升階段，表面形貌主要以犁溝為主；在電流最大的峰值階段，表面形貌主要為犁溝、熔融狀組織等；在電流下降階段，樞軌間出現(xiàn)電弧，熱量急劇增加，表面形貌主要為熔融狀組織等。

1.2 熱熔化

在電磁軌道發(fā)射過程中，由于樞軌接觸面間的接觸電阻和電樞自身體電阻，當(dāng)電流經(jīng)軌道流向電樞時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。另一方面，為保證樞軌間良好的電接觸性能，樞軌間需緊密配合，存在預(yù)緊力。電樞在磁場(chǎng)中還要承受極大的電磁擴(kuò)張力，發(fā)射過程中，隨著樞軌間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度呈指數(shù)增長(zhǎng)，二者相互摩擦而產(chǎn)生大量的機(jī)械摩擦熱。在兩種不同形式的熱量疊加作用下，電樞表面溫度陡然增加。當(dāng)表面溫度高于自身熔點(diǎn)時(shí)，電樞表層會(huì)向熔融態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生熱熔化，并在樞軌接觸面間形成一層液態(tài)金屬膜（Liquid Metal Film，LMF）。

李鶴等[13]開展了電磁軌道發(fā)射電樞接觸界面溫度場(chǎng)仿真研究，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步揭示了焦耳熱和摩擦熱對(duì)電樞溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律，為電樞表面熔化過程提供了基礎(chǔ)理論。CHEN 等[14]設(shè)計(jì)電樞的相關(guān)結(jié)構(gòu)，使得樞軌接觸表面全部轉(zhuǎn)化為熔體磨損，建立了熔體磨損與發(fā)射參數(shù)、材料參數(shù)之間的構(gòu)效關(guān)系。在電樞高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，液態(tài)金屬膜厚度也在不斷增加，其本身也會(huì)產(chǎn)生粘滯熱，加劇電樞表面的熱熔化。STSFANI 等[15]在考慮液態(tài)金屬膜的影響下研究了固體電樞表面的熔化波侵蝕，發(fā)現(xiàn)電樞表面經(jīng)歷了一個(gè)快速加熱和熔化過程。同時(shí)，不同發(fā)射階段下樞軌接觸狀態(tài)不同，引發(fā)電樞熱熔化的熱源占比會(huì)發(fā)生改變，電樞表面不同位置的熔化深度也不同。CHEN 等[16]基于電磁軌道炮的三維多物理場(chǎng)耦合模型，通過建立仿真模型和進(jìn)行縮比試驗(yàn)，對(duì)電樞熔化區(qū)域的熱源占比、最大熔化深度位置演變以及電樞損傷形貌進(jìn)行了分析，如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，接觸電阻和電樞的體電阻產(chǎn)生的焦耳熱是電樞熔化的主要因素，熔化深度最大位置基本保持不變，為最先開始熔化區(qū)域。該仿真模型能為后續(xù)研究電樞熱熔化過程和預(yù)測(cè)電磁軌道發(fā)射過程中的全尺寸溫度特性提供幫助。

目前，關(guān)于電樞熱熔化產(chǎn)熱來源的研究理論已相對(duì)成熟，主要是摩擦熱和焦耳熱。但對(duì)于電樞運(yùn)動(dòng)過程中不同熱源產(chǎn)熱量的變化及其對(duì)電樞表面熱熔化影響程度大小的時(shí)空演化特性研究尚淺，缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。

1.3 轉(zhuǎn)捩燒蝕

由于樞軌載流摩擦副自身結(jié)構(gòu)的局限性，在極端服役工況下，電樞在發(fā)射過程中產(chǎn)生輕微垂直振動(dòng)，與軌道發(fā)生失接觸或者接觸壓力不足，使樞軌間的接觸方式由“固-固”或“固-液-固”轉(zhuǎn)變?yōu)?“固-等離子體-固”，這種轉(zhuǎn)變稱之為轉(zhuǎn)捩[17]，如圖6 所示。轉(zhuǎn)捩的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致樞軌接觸面上產(chǎn)生電弧擊穿現(xiàn)象，在電樞表面引起嚴(yán)重?zé)g，從而加劇電樞的熱熔化損傷，破壞電樞的效能。典型的轉(zhuǎn)捩燒蝕損傷形貌如圖7 所示[18]。

為達(dá)到電磁軌道發(fā)射過程中樞軌摩擦副間無(wú)電弧接觸的狀態(tài)要求，以確保其精確性和安全性，開展對(duì)于樞軌間發(fā)生轉(zhuǎn)捩的內(nèi)在機(jī)理性研究是十分有必要的。研究者從樞軌接觸界面材料熱應(yīng)力、熔化波燒蝕模型以及過盈壓力和電磁壓力等方面展開了分析，當(dāng)電樞因各種外界因素發(fā)生輕微形變或者材料損失時(shí)，轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生的幾率將大大增加。關(guān)曉存等[19] 在假設(shè)電樞磨損主要為熔化磨損的前提下，通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了電樞表面磨損區(qū)域分布和磨損量大小，為建立材料損失與轉(zhuǎn)捩的關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。朱仁貴等[20]研究了樞軌接觸間過盈壓力和電磁壓力大小在電樞運(yùn)動(dòng)過程中的變化，發(fā)現(xiàn)由于電樞的載流摩擦磨損，過盈壓力不斷減小，當(dāng)二者合力降低到一定闕值時(shí)，轉(zhuǎn)捩發(fā)生概率增加。在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)捩燒蝕在發(fā)射參數(shù)表現(xiàn)為膛口電壓的突然升高，炮口電阻增大，脈沖電流處于下降階段。陳允等[21]在研究發(fā)射過程中滑動(dòng)電接觸特性的試驗(yàn)中，對(duì)炮口電壓和電樞電流進(jìn)行了測(cè)量，研究表明：轉(zhuǎn)捩經(jīng)常發(fā)生于電流下降至峰值電流 80%～90%的時(shí)刻。在此基礎(chǔ)上，王志恒等[22]利用有限元軟件 ANSYS Workbench 對(duì)電樞轉(zhuǎn)捩過程進(jìn)行了模擬仿真，分析了電流下降段電樞內(nèi)部通流情況，電流下降段電樞內(nèi)部和表面的電流分布如圖8 所示，可以看出在電流下降段電樞內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流，內(nèi)表面電磁力發(fā)生反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致樞軌間接觸壓力不足，電弧放電，發(fā)生轉(zhuǎn)捩；進(jìn)而分析了電流下降率的影響，結(jié)果表明：電流下降率越大，電樞發(fā)生轉(zhuǎn)捩的可能性越大，但是此試驗(yàn)未能考慮電樞運(yùn)動(dòng)對(duì)電流分布的影響。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)轉(zhuǎn)捩燒蝕的產(chǎn)生機(jī)理提出了許多看法，包括電樞材料載流摩擦磨損過大且損傷區(qū)域不均一導(dǎo)致樞軌間無(wú)法共面接觸，脈沖電流在下降階段產(chǎn)生的渦流使內(nèi)部磁力反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電樞尾部離開軌道表面等。從其定義本身來看，發(fā)生轉(zhuǎn)捩燒蝕時(shí)必然伴隨著樞軌間的失接觸，產(chǎn)生由等離子體填充的空間間隙，而這種空間間隙極大程度上是載流摩擦磨損帶來的，其帶給電樞材料的物質(zhì)損失直接導(dǎo)致樞軌間空間間隙的存在，從而引起失接觸位置產(chǎn)生電弧擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩的發(fā)生，其產(chǎn)生機(jī)理目前尚不能用單一一種理論體系成功加以說明。

2 典型損傷影響因素

為了研究電樞載流摩擦磨損，熱熔化以及轉(zhuǎn)捩燒蝕等典型損傷形式的影響因素，近年來，大量研究者采用試驗(yàn)現(xiàn)象分析和數(shù)值模擬兩種方法相結(jié)合，分別從服役變量和電樞自身參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)論證。

2.1 服役變量

針對(duì)服役變量，研究者們以電流波形、界面液層厚度、軌道通流長(zhǎng)度、極性、滑行距離以及摩擦因數(shù)等因素為切入點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)不同的外界影響量進(jìn)行電樞損傷試驗(yàn)和仿真，探究其損傷程度的大小。

LI 等[23]根據(jù)接觸面金屬液態(tài)膜（LMF）和 Reynolds 方程，在溫度、應(yīng)力和電磁場(chǎng)耦合作用下，建立了熱彈性磁流體力學(xué)模型，分析了電流波形對(duì)表面熱熔化速率和 LMF 厚度的影響，結(jié)果表明：電流波形越平滑，電樞表面熱熔化速度越慢，最小 LMF 厚度越??；張寶[24]舍棄常規(guī)研究，認(rèn)為樞軌接觸界面溫度相同的非真實(shí)條件，在考慮真實(shí)具體的界面溫度分布下，建立了界面液層磁場(chǎng)、熱場(chǎng)以及潤(rùn)滑流場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合模型，分析了不同厚度液層的基本流體屬性及其降溫作用，在一定程度上還原了電樞與軌道間在高速相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的載流摩擦磨損，但未考慮引入液層后電接觸性能的變化； 李天亮等[25]在基于面電流假設(shè)，建立了電樞電磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)計(jì)算模型和電樞所受電磁力模型，以軌道通流長(zhǎng)度這一參數(shù)為變量進(jìn)行研究，觀察電樞所受到的電磁力和磨損情況，綜合各項(xiàng)性能要求提出了 “4 倍口徑法則”。但該模型假設(shè)條件苛刻，不能完全運(yùn)用于實(shí)際電樞運(yùn)行過程；宋聯(lián)美等[26]在自制的載流電弧試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了極性對(duì)載流電弧的演化過程和燒蝕影響試驗(yàn)，結(jié)果表明：不同極性條件下的載流電弧能量不同，陽(yáng)極材料蒸發(fā)氣化是電弧燃蝕的主要因素，抑制陽(yáng)極材料的蒸發(fā)氣化，縮短樞軌間電弧存在時(shí)間能有效減輕電樞電弧磨損，這為保護(hù)電樞和減少電樞耗材提供了理論思路。但是該試驗(yàn)未考慮客觀磁場(chǎng)的存在以及電樞高速運(yùn)動(dòng)下的機(jī)械摩擦熱對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。張玉燕等[27]在傳熱學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立了電接觸摩擦副的二維有限元模型，并進(jìn)行電接觸構(gòu)件表面溫度測(cè)量試驗(yàn)，以電樞為研究對(duì)象，觀察了電樞最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)以及隨電流、滑行距離以及接觸面摩擦因數(shù)等等參量的變化趨勢(shì)，探究了電樞高溫升的因素，為高速載流滑動(dòng)電接觸中電樞材料的選取及如何降低溫升、提高電接觸性能提供了參考依據(jù)。但是該試驗(yàn)和模擬模型都以單一變量進(jìn)行研究，未考慮諸如接觸面摩擦因數(shù)在滑動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，全面考慮服役多因素耦合的研究仍然存在不足。

2.2 電樞自身參數(shù)

對(duì)于電樞自身參數(shù)，研究者們通過調(diào)整不同的電樞尺寸，包括口徑高度、尾部長(zhǎng)度、尾翼傾角等，設(shè)計(jì)樞軌間過盈尺寸、接觸方式等，觀察電樞在不同自身參數(shù)和差異化樞軌間狀態(tài)下的損傷。

LI 等[28]通過試驗(yàn)研究了電樞口徑高度對(duì)電樞尾部沖蝕的影響，總結(jié)了不同線電流密度下電樞電流熔體侵蝕的研究結(jié)果，并利用有限元軟件 COMSOL 分析了樞軌間的初始接觸位置及其接觸界面的電流密度分布；LI 等[23]根據(jù)接觸面金屬液態(tài)膜（LMF）和 Reynolds 方程，在溫度、應(yīng)力和電磁場(chǎng)耦合作用下，建立了熱彈性磁流體力學(xué)模型，分析了電樞尾部長(zhǎng)度和角度對(duì)表面熔化速率和 LMF 厚度的影響，結(jié)果表明：一定范圍內(nèi)電樞尾翼長(zhǎng)度越大，電樞表面熔化速度越慢，最小 LMF 厚度越??； 杜翔宇等[29]通過樞軌間一般的電接觸特性設(shè)計(jì)了樞軌間理想的接觸壓力，基于反向加載法改進(jìn)了電樞的過盈尺寸和形態(tài)，并對(duì)裝配過盈電樞和非過盈電樞的發(fā)射器進(jìn)行仿真研究，觀察發(fā)射過程中某些典型時(shí)刻電樞內(nèi)部電流和焦耳熱集中情況。該研究為電樞的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供了新的思路，但其研究適應(yīng)性不強(qiáng)，試驗(yàn)觀察結(jié)果沒有連續(xù)性，只適用于某些特殊時(shí)刻。CHENG 等[30]采用 ANSYS 與試壓紙相結(jié)合的方法對(duì)電樞材料接觸特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：樞軌接觸特性在一定范圍內(nèi)與電樞材料強(qiáng)度成正比。LIU 等[31]為研究樞軌間接觸方式對(duì)電磁軌道發(fā)射性能的影響，采用有限元法分別計(jì)算了 C 型電樞在不同接觸面積和接觸位置下的電磁推力、電磁壓力和電流密度，并對(duì)不同接觸方式下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：電樞尾部與軌道的分離會(huì)導(dǎo)致電磁壓力急劇下降，電樞尾部與軌道需要保持緊密接觸，以保證穩(wěn)定的電流傳遞，實(shí)現(xiàn)電樞與軌道完全接觸的電氣性能，這對(duì)改善樞軌接觸特性以及有效減輕甚至是防止電樞發(fā)生電弧磨損具有參考價(jià)值。

3 典型損傷機(jī)制模擬與仿真趨勢(shì)分析

電樞發(fā)生損傷是電-磁-熱-力多場(chǎng)耦合服役環(huán)境下的結(jié)果。在電磁軌道發(fā)射過程中，各種內(nèi)外界因素的交互作用導(dǎo)致電樞的服役效能下降，其中接觸應(yīng)力集中、電流密度集中以及熱量集中是電樞發(fā)生損傷的三種主要原因。國(guó)內(nèi)外研究者們基于此，通過不同的機(jī)制模擬與仿真展開了深入研究。

3.1 接觸應(yīng)力集中

樞軌載流摩擦副接觸界面兼具摩擦接觸和電接觸的特性，其共面性和粗糙性導(dǎo)致了損傷機(jī)制的多場(chǎng)耦合性，是一種特殊的電接觸形式。宏觀上光滑的接觸表面在微觀上是粗糙不平的，其粗糙度一般使用平均斜度 masp 和平均高度 σasp 進(jìn)行表證，其中 σasp，u與 σasp，d分別為接觸面上、下兩側(cè)凸起的平均高度，masp，u 與 masp，d 分別為接觸面上、下兩側(cè)表面的平均斜度。微觀接觸表面示意圖如圖9 所示[32]，可以看出微觀有效接觸面是由一個(gè)個(gè)離散的接觸點(diǎn)構(gòu)成，以此形成的接觸面為有效接觸面。研究指出有效接觸面積僅為名義接觸面積的 1%左右[3]。這些接觸點(diǎn)承擔(dān)著電流傳導(dǎo)和應(yīng)力承載的作用。

一方面，樞軌在加載裝配后會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力集中于電樞局部區(qū)域。另一方面，預(yù)緊力和電磁壓力在發(fā)射過程中集中加載于樞軌界面的接觸點(diǎn)，從而帶來接觸應(yīng)力集中。電樞表面接觸應(yīng)力集中分布區(qū)域如圖10 所示，可以看出有部分區(qū)域接觸應(yīng)力為 0，即失接觸，接觸應(yīng)力集中于某一塊區(qū)域[33]。田振國(guó)等[34]在考慮了樞軌間摩擦和電磁熱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用 Ansys 軟件分析了樞軌間接觸應(yīng)力分布隨電樞運(yùn)動(dòng)的變化特性。侯俊超[35]基于“Marshall 法則”，利用 ANSYS LS-DYNA 有限元軟件模擬出樞軌間的機(jī)械預(yù)緊力和電磁壓力，建立了電樞所受接觸應(yīng)力的理論計(jì)算模型。范薇等[36]提出“安克法則”的瞬態(tài)應(yīng)用方法，指出電樞在運(yùn)動(dòng)過程中所受接觸力大小應(yīng)超過“1 g/1 A”，以此規(guī)避電樞接觸失效問題。

電樞和軌道自身的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)樞軌間的接觸狀態(tài)影響巨大，間接地決定著接觸應(yīng)力集中的位置。研究者們從電樞和軌道的形狀，大小以及樞軌間匹配性等方向進(jìn)行思考，研究了避免接觸應(yīng)力集中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。白春艷等[37]利用數(shù)值分析的方法，研究了 V 形、U 形以及 Saddle 形 3 種不同形狀電樞在發(fā)射過程中的接觸應(yīng)力分布情況，研究表明，在相同的電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)條件下，V 形電樞的服役接觸應(yīng)力值最大，Saddle 形電樞的服役接觸應(yīng)力值最小，故 Saddle 形電樞為最優(yōu)選擇。馮登等[33]利用 ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì)固體 C 形電樞各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接觸應(yīng)力分布的影響，研究表明減小電樞尾翼長(zhǎng)度和增大電樞肩部厚度能促進(jìn)接觸應(yīng)力分布的均勻性。李鶴等[38]設(shè)計(jì)并比較了凸形和凹形兩種不同截面形狀軌道對(duì)樞軌接觸特性的影響，其結(jié)果顯示凸形軌道具有更好的機(jī)械和電流特性。在此基礎(chǔ)上，劉峰等[39]對(duì)電樞力學(xué)模型進(jìn)行有限元分析，設(shè)計(jì)了一種新型 H 形電樞，并通過簡(jiǎn)化的懸臂梁模型確定過盈尺寸，以此分析改進(jìn)前后樞軌界面接觸應(yīng)力的分布情況，如圖11 所示，可以看到，改進(jìn)后電樞模型所承受的等效應(yīng)力由 538 MPa 減小到 446 MPa，接觸應(yīng)力集中的情況得到改善。馮建源等[40]通過正交試驗(yàn)分析研究了樞軌間過盈裝配中電樞各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的匹配性，并對(duì)其影響程度進(jìn)行了排序，其結(jié)果顯示，影響程度依次為：翼根寬度＞過盈量＞尾翼長(zhǎng)度＞翼尖寬度＞肩部高度。

同時(shí)，接觸應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致電樞在裝配后各區(qū)域載荷不一，出現(xiàn)某塊區(qū)域載荷過大或者過小的現(xiàn)象。載荷過小，樞軌載流摩擦副接觸應(yīng)力不足，發(fā)生失接觸或者接觸不良，引起電火花導(dǎo)致電弧磨損和轉(zhuǎn)捩燒蝕的產(chǎn)生。載荷過大，樞軌載流摩擦副表面接觸點(diǎn)所需承受的壓力增大，在高運(yùn)動(dòng)速度下剪切力增大，磨損率提高，摩擦熱和焦耳熱也隨之增加，導(dǎo)致材料熱熔化程度加深，造成電樞損傷情況嚴(yán)重。因此，在保證樞軌間基本接觸應(yīng)力的前提下，找到樞軌損傷率最低的最優(yōu)載荷值意義重大。 YASAR 等[41]的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著載荷的增加，載流摩擦因數(shù)和磨損率呈現(xiàn)先降低后升高的相同變化趨勢(shì)，30～50 MPa 的接觸應(yīng)力區(qū)間內(nèi)為輕度磨損；50～120 MPa 的接觸應(yīng)力區(qū)間內(nèi)為中度磨損；小于 30 MPa 和大于 120 MPa 的接觸應(yīng)力區(qū)間為重度磨損。趙曉非等[42]的研究證明了載流摩擦副存在一個(gè)最優(yōu)接觸應(yīng)力值，但其研究未能形成適用于不同載流條件下最優(yōu)接觸應(yīng)力值的系統(tǒng)理論和變化規(guī)律。

3.2 電流密度集中

區(qū)別于傳統(tǒng)電接觸，電磁軌道發(fā)射裝置表現(xiàn)出工作時(shí)間短，電流振幅高，電流密度大等特點(diǎn)，具有特殊的電流密度分布特性。這對(duì)電樞上電磁力分布和熱場(chǎng)的分布狀態(tài)都有一定的影響，是電樞設(shè)計(jì)不可忽視的一環(huán)。

分布均勻的電流密度會(huì)使電樞在服役工作中表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能和電接觸性能。然而在實(shí)際發(fā)射過程中，電樞上瞬態(tài)電流密度的分布往往是不均勻的，呈現(xiàn)出在局部區(qū)域上電流密度高度集中的態(tài)勢(shì)，這會(huì)加劇電樞局部熱熔化和增加轉(zhuǎn)捩燒蝕發(fā)生的可能性。由于電樞發(fā)射時(shí)間較短（ms 級(jí)），目前對(duì)于電樞瞬態(tài)電流密度分布特性的研究主要采用數(shù)值分析和仿真模擬等手段，利用 COMSOL 建立非理想樞軌接觸界面磁擴(kuò)散模型和利用 ANSYS 建立樞軌接觸界面電流密度分布計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。由此建立了一系列導(dǎo)致電樞上電流集中的物理效應(yīng)，包括電流趨膚效應(yīng)（Current skin effect，CSE）、速度趨膚效應(yīng)（Velocity skin effect，VSE）以及臨近效應(yīng)（Proximity effect，PE）等[32，43-44]，如圖12 所示。

XIA 等[45]研究表明電流趨膚效應(yīng)在電流熔體侵蝕（CME）中的影響不可忽略。鞏飛等[46]在考慮 VSE 的影響下，通過建立電流熔化波燒蝕的計(jì)算模型分析了電流熔化波的形成及傳播過程，在電樞表面得到了一個(gè) U 型燒蝕面。ZHOU 等[47]通過觀察發(fā)射過程中的磁熱耦合現(xiàn)象，分析了不同速度下 VSE 對(duì)電流密度分布的影響，研究結(jié)果顯示，隨著速度的增大，VSE 帶來的電流集中現(xiàn)象愈加明顯，但同時(shí)存在一定的速度闕值。LOU 等[48]指出臨近效應(yīng)加劇了軌道相鄰側(cè)電流密度的集中，提出適當(dāng)增加軌道間距等減小臨近效應(yīng)的方法，這對(duì)降低發(fā)射過程中的電樞損傷具有一定的幫助。曹昭君等[49]在結(jié)合趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)等相關(guān)理論，模擬出靜態(tài)電樞電流密度分布特性，其結(jié)果表明電流密度主要集中在樞軌接觸界面頭部和電樞邊沿的中部，如圖13 所示[49]。

3.3 熱量集中

目前對(duì)樞軌載流摩擦副產(chǎn)熱大和溫升高帶來?yè)p傷失效問題的研究主要集中在電樞。這是由于在發(fā)射過程中，運(yùn)動(dòng)電樞與發(fā)射出口方向未通過的軌道部分沒有電流通過，相比于電樞溫度較低，在一定程度上能夠傳導(dǎo)部分熱量，起到散熱降溫作用。而電樞一直有大電流通過，且始終與軌道緊密接觸，幾乎不存在散熱功能，是系統(tǒng)的主要熱源之一。因此，電樞溫度能客觀直接地反映電磁軌道發(fā)射器內(nèi)溫度。由于樞軌間自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝配的特殊性，在電磁軌道連續(xù)快速發(fā)射下電樞溫度隨時(shí)間和空間分布不均勻，使得熱量在一定時(shí)空內(nèi)聚集，進(jìn)而導(dǎo)致電樞損傷。

針對(duì)電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)膛內(nèi)熱效應(yīng)和發(fā)射過程中電樞溫度分布情況，研究者在結(jié)合樞軌載流摩擦副中非完全式接觸（Imperfect electric contacts， ImPEC）這一實(shí)際接觸模型的基礎(chǔ)上，以電流產(chǎn)熱和摩擦生熱作為樞軌系統(tǒng)中熱量的主要來源進(jìn)行探索。KIM 等[50]采用電磁有限元軟件 EWAP3D 對(duì)樞軌接觸面處電流產(chǎn)熱導(dǎo)致的溫度分布情況進(jìn)行了仿真模擬，進(jìn)而推導(dǎo)出熱量集中區(qū)域，其結(jié)果顯示，電樞最大溫度分布出現(xiàn)在 1 ms 時(shí)刻，而非 4 ms 出口時(shí)刻。同時(shí)，接觸界面以下電樞內(nèi)部 0.5 mm 處溫升要大于電樞表面。原因在于軌道在發(fā)射過程中會(huì)起到冷卻降溫的作用。婁建勇等[51]基于 COMSOL 有限元仿真軟件建立了電磁發(fā)射裝置動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，并以此模擬了電樞在發(fā)射過程中溫度分布的時(shí)空演變過程，如圖14 所示，可以看出，高溫區(qū)主要集中在電樞尾端，熱量集中導(dǎo)致電樞尾端率先熔化。王昊 [52] 針對(duì)樞軌間溫度場(chǎng)利用有限元軟件 COMSOL 建立了三維模型，研究了溫度分布時(shí)空特性，并探討了發(fā)射次數(shù)、峰值電流和材料電導(dǎo)率對(duì)熱量集中的影響。同時(shí)，由于樞軌接觸特性，軌道溫度及其熱量會(huì)通過傳導(dǎo)間接影響電樞，導(dǎo)致電樞處熱量集中，溫度升高，其表面熱熔化程度也隨之加深。徐偉東等[53]研究發(fā)現(xiàn)軌道溫度升高會(huì)增加樞軌間接觸電阻，降低電樞初速，使得電樞在低速階段持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，加劇了電樞的載流摩擦磨損。

4 電樞損傷防護(hù)優(yōu)化

現(xiàn)如今，對(duì)于樞軌載流摩擦副時(shí)空演化過程的研究采用的是追溯性模式，即對(duì)發(fā)射后的電樞進(jìn)行靜態(tài)分析，結(jié)合發(fā)射動(dòng)力學(xué)模擬，推測(cè)實(shí)際發(fā)射過程中摩擦副的時(shí)空演化行為。

針對(duì)接觸應(yīng)力集中、電流密度集中以及熱量集中等機(jī)制模擬與仿真模型，國(guó)內(nèi)外研究者分別從結(jié)構(gòu)防護(hù)、材料防護(hù)以及表面防護(hù)等方面進(jìn)行研究，通過優(yōu)化電樞自身結(jié)構(gòu)和改善材料以達(dá)到減輕甚至是避免發(fā)射過程中的電樞損傷，以提高樞軌系統(tǒng)的效率和使用壽命。

4.1 結(jié)構(gòu)防護(hù)

在結(jié)構(gòu)防護(hù)方面，通過設(shè)計(jì)電樞自身結(jié)構(gòu)參數(shù)及其裝配結(jié)構(gòu)剛度，獲得更加緊密的樞軌結(jié)構(gòu)和更加平整的接觸界面，以此減少樞軌接觸面的粗糙度和電樞尾翼部分的接觸應(yīng)力集中、電流集中以及熱量集中，從而降低摩擦和燒蝕等損傷的出現(xiàn)。

研究者們大多以改善樞軌間的接觸特性和降低電樞發(fā)生轉(zhuǎn)捩燒蝕的可能性為出發(fā)點(diǎn)，在縮比試驗(yàn)和有限元三維模擬仿真中，通過調(diào)整電樞形狀、長(zhǎng)度、尾翼傾角、頸部角度等參數(shù)以及設(shè)計(jì)電樞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察電樞在極端條件下的服役效能，以此比較出各個(gè)參數(shù)在不同匹配機(jī)制下的最佳值。GUO 等[54]在電樞脈沖電流產(chǎn)生的沖力特性基礎(chǔ)上，對(duì)常見的 C 形電樞和新設(shè)計(jì)的凹形電樞分別進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比了兩種電樞在相同電流服役環(huán)境下的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示新設(shè)計(jì)的凹形電樞具有更好的力學(xué)性能，損傷率低。隨后，以此結(jié)果探索電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的方面，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、電流和熱量分布、推動(dòng)有效負(fù)載的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及質(zhì)量最小化等。這對(duì)于后續(xù)研究電樞的穩(wěn)定性以及防止電樞在發(fā)射過程中發(fā)生轉(zhuǎn)捩和燒蝕具有一定的參考價(jià)值。

LIU 等[55]在分析電樞內(nèi)電流和電動(dòng)勢(shì)的分布后，通過電磁-結(jié)構(gòu)耦合的方法進(jìn)行一系列的仿真分析，得到了不同長(zhǎng)度電樞接觸參數(shù)與接觸效率之間的關(guān)系，并且提出了一種“反向加載”的方法設(shè)計(jì)電樞結(jié)構(gòu)，如圖15 所示，將傳統(tǒng)的直線型電樞替換為彎曲型電樞，結(jié)果表明彎曲型電樞的接觸效率大大提高。CHEN 等[56]研究了矩形口徑軌道炮單片 C 型電樞的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在分析電樞質(zhì)量、電樞與軌道的電磁接觸力、電樞尾部機(jī)械強(qiáng)度和電感梯度的基礎(chǔ)上，提出了矩形口徑軌道炮單片 C 型電樞關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明：尾翼傾角的增大可以減小電樞質(zhì)量，提高電樞尾部的機(jī)械強(qiáng)度，但會(huì)降低電樞與導(dǎo)軌之間的電磁接觸壓力。減小電樞高度與電樞寬度之比可以顯著提高電感梯度，進(jìn)而提高發(fā)射系統(tǒng)效率。

LIU 等[57]在樞軌過盈配合的計(jì)算結(jié)果上建立了多物理場(chǎng)耦合模型，以溫度和熱應(yīng)力等方面為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種兩端干涉的新型電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)比較，新型電樞能夠在發(fā)射過程中保持較好的穩(wěn)定性，大大降低了熱應(yīng)力對(duì)電樞發(fā)射性能的影響。TANG 等[58]通過仿真模擬，對(duì)凹弧表面 C 形電樞（ASCA）的表面弧的半徑（r）和中心角（θ） 進(jìn)行研究，得到了在不同電流密度下的最優(yōu)值。同時(shí)，還有研究者以電樞內(nèi)部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出在電樞內(nèi)部放置一個(gè)潤(rùn)滑物儲(chǔ)蓄池，通過慣性作用，在發(fā)射過程中不斷將潤(rùn)滑物質(zhì)釋放到樞軌接觸位置，以確保在每一次發(fā)射以及在發(fā)射全過程位置上均存在此潤(rùn)滑物質(zhì)，其發(fā)射前與發(fā)射中狀態(tài)如圖16 所示[59]。

4.2 材料防護(hù)

在材料防護(hù)方面，研究者以電樞所需優(yōu)異性能為出發(fā)點(diǎn)，包括高導(dǎo)電性、高硬度、高導(dǎo)熱性、高耐磨性、耐高溫、抗電弧燒蝕性和質(zhì)量低等，聚焦于金屬材料，通過對(duì)比研究各種電樞材料在電磁交互復(fù)雜環(huán)境下的性能優(yōu)劣，同時(shí)考慮與軌道材料間的匹配性，以此減少在發(fā)射過程中樞軌摩擦副的損傷。

ALTENHOF 等[60]對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的鋁、鎂電樞進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)和耐撞性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：在峰值沖擊載荷近似相等的情況下，鋁電樞比鎂電樞具有更高的能量吸收率。HINAJE 等[61]通過比較鋁、銅、鎢、銀、鎳等 5 種材料的電樞，得出了電樞材料必須具有極高電導(dǎo)率和低密度的結(jié)論。付磊等[62]利用同步感應(yīng)電磁推進(jìn)系統(tǒng)，使用 MagNet 有限元軟件建立了單級(jí)同步感應(yīng)電磁推進(jìn)裝置的仿真模型，并對(duì)比分析了鋁、銅、鎢、銀、鎳等 5 種材料電樞的基本物理屬性，如表1 所示[62]?？梢钥闯觯X的電阻率為 2.655×10−8 Ω·m，密度為 2 700 kg·m−3，綜合考慮高導(dǎo)電率和低密度兩種因素下，鋁質(zhì)材料為最適宜的選擇。因此，對(duì)鋁進(jìn)行合金化以加強(qiáng)其強(qiáng)度、硬度、抗燒蝕以及導(dǎo)電率等各方面的性能，這對(duì)于改善電樞效能具有重要意義。

鋁合金長(zhǎng)期以來在各大領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別是飛機(jī)和航空航天，鋁合金都占據(jù)著重要的地位。然而，電磁軌道發(fā)射過程中的極端服役環(huán)境對(duì)鋁合金的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高硬度以及高熔點(diǎn)提出了更高的要求。目前，大多數(shù)方法是通過在一定程度上犧牲電導(dǎo)率來提高力學(xué)性能，如合金化法和復(fù)合材料法。合金化方法是通過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、變形強(qiáng)化等手段對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化。在高強(qiáng)高導(dǎo)合金的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，采用單一的強(qiáng)化方法往往是非常有限的，多種強(qiáng)化方式相結(jié)合是主流趨勢(shì)。復(fù)合方法是通過添加第二相顆粒、晶須以及纖維來增強(qiáng)鋁基體。高強(qiáng)度鋁合金是以 Al-Zn-Mg-Cu 系為主的合金。自 20 世紀(jì) 30 年代以來，全球許多國(guó)家對(duì) Al-Zn-Mg-Cu 系合金進(jìn)行了大量的研究。發(fā)展至 20 世紀(jì) 80 年代，隨著快速凝固/ 粉末冶金（RS/PM）工藝的愈發(fā)成熟，成功制備出抗拉強(qiáng)度達(dá) 700 MPa 以上的 7 系超高強(qiáng)合金，這將 Al-Zn-Mg-Cu 系合金推向了一個(gè)更高的水平[63-64]。至今，各國(guó)開發(fā)出的 Al-Zn-Mg-Cu 系高強(qiáng)合金牌號(hào)達(dá)幾十種，部分合金成分如表2 所示[63]。其主要的顆粒相為 η-MgZn2、T-Al2Zn3Mg2。LIN 等[65]通過 Johnson-cook 材料模型，在多物理場(chǎng)耦合模型中比較了 7075 鋁合金和 6061 鋁合金在不同電流下的失效時(shí)間，如圖17 所示，可以看出，7075 鋁合金具有更高的載流能力，表明其具有更高的屈服強(qiáng)度。同時(shí)相關(guān)試驗(yàn)指出，6 系鋁合金具有更高的韌性，在發(fā)射出口處得到的電樞不破碎，結(jié)構(gòu)完整性的保持效果更佳。在后續(xù)電樞材料的研究中，針對(duì) 6 系和 7 系鋁合金的選擇上還有待進(jìn)一步研究。

通過對(duì) Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金進(jìn)行合金化以達(dá)到增強(qiáng)其各方面物理性能的目的，這對(duì)于保障電磁軌道發(fā)射過程的完整性和可靠性起到了極大的積極作用。值得注意的是，由于鋁自身低熔點(diǎn)和高化學(xué)反應(yīng)活性的屬性，在發(fā)射過程中電樞不可避免地會(huì)發(fā)生熔化摩擦磨損，進(jìn)而使得樞軌間產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移，在軌道表面形成鋁熔凝沉積層[66-67]，即軌道黏鋁問題，如圖18 所示。一方面，電樞在發(fā)射過程中，其表層材料發(fā)生熔化，于銅軌道表面形成液態(tài)潤(rùn)滑層。這會(huì)使得樞軌接觸由完全的“固-固”接觸在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為“固-液-固”接觸。該接觸方式在一定程度上能降低電樞與軌道間的粗糙度，有利于減少樞軌系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦損傷；另一方面，在軌道冷卻的作用下，電樞熔化物會(huì)與軌道發(fā)生機(jī)械結(jié)合和化學(xué)結(jié)合，在軌道表面出現(xiàn)機(jī)械黏著物和化合物，例如鋁合金、Al2O3 等，使得軌道表面產(chǎn)生大量的微凸起硬質(zhì)顆粒，惡化樞軌接觸效果導(dǎo)致磨粒磨損增加，降低了樞軌發(fā)射系統(tǒng)的精確性和使用壽命。同時(shí)，這也會(huì)影響脈沖輸出電流的持續(xù)性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致電樞的出口速度不能達(dá)到預(yù)期效果，此影響會(huì)隨著發(fā)射次數(shù)增加而導(dǎo)致的沉積層累積厚度增加而越來越顯著。因此，軌道表面鋁熔凝沉積層對(duì)樞軌摩擦副的影響具有雙面性，二者存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在后續(xù)電樞材料的選擇中，如何平衡二者的影響效果，減小樞軌接觸面間隙，優(yōu)化接觸狀態(tài)以提高電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的效率也是研究重點(diǎn)之一。

4.3 表面防護(hù)

在表面防護(hù)方面，不同研究者在明晰電樞表面性質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所需改善電樞的不同物理性能，采取不同的表面強(qiáng)化技術(shù)制備了貼合度較高的不同材質(zhì)表面涂層。DROBYSHEVSKI 等[68]在樞軌接觸界面注入一層液體，在考慮了速度趨膚效應(yīng)、能量耗散以及熱傳導(dǎo)等因素，研究了液態(tài)涂層對(duì)樞軌間滑動(dòng)電接觸性能的影響，結(jié)果表明：液態(tài)涂層可以顯著抑制速度趨膚效應(yīng)，減少接觸界面的焦耳熱和摩擦熱，但對(duì)于如何保持液態(tài)涂層的完整性和防止流失方面的研究不夠深入。

同時(shí)，在表面涂層的設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)避免涂層材料在發(fā)射過程中因摩擦和熔化而丟失過快造成樞軌間的接觸不良。GHASSENMI 等[69]采用了一種新型的電樞設(shè)計(jì)，將具有良好導(dǎo)電性的銦液膜添加到電樞表面，研究了該涂層對(duì)樞軌界面間熱感應(yīng)及磁感應(yīng)分布的影響，結(jié)果表明：使用液態(tài)銦涂層不僅提高了樞軌界面間的導(dǎo)電性，還減少了摩擦并遲緩了電樞的熔化。LI 等[70]從材料熔點(diǎn)和硬度的角度出發(fā)，提出鎢可以作為電樞表面的涂層材料，設(shè)計(jì)了涂層的形狀和厚度，通過計(jì)算涂層與基體之間的剪切力，確定最佳涂層成形工藝，并分析了涂層對(duì)電接觸性能、系統(tǒng)效率和彈丸刨削閾值速度的影響，結(jié)果表明：涂層與基體之間的最大剪切力在 171 MPa 以上，激光熔覆技術(shù)可以滿足工藝要求，涂層處理后，樞軌間的接觸電阻增加了 6%。

陳建偉等[71]利用錫合金的高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)和高導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，制備了錫合金導(dǎo)電鍍層，并計(jì)算了鍍層電樞/軌道的接觸電阻，分析了錫合金在電流作用下的特性以及對(duì)電樞運(yùn)動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明：錫合金鍍層電樞較普通 U 型電樞的炮口速度提高大約 15%。杜傳通等[72]制備了一層石墨烯涂層在電樞表面，并進(jìn)行了相關(guān)理論分析和仿真研究，結(jié)果表明：石墨烯涂層不僅能改善樞軌界面間的電接觸狀態(tài)，在提高電樞速度、減少界面間熱量產(chǎn)生等方面具有一定的積極影響。如圖19 所示是普通電樞與添加石墨烯涂層后電樞的發(fā)射試驗(yàn)對(duì)比，可以看出石墨烯涂層具有抗電弧燒蝕和潤(rùn)滑的作用。 LIU 等[73]從復(fù)合涂層材料的角度出發(fā)，以 Cu 作為硬底材、Sn-GE 作為軟導(dǎo)電潤(rùn)滑膜，在電樞用鋁合金表面制備了一層復(fù)合涂層，并通過載流試驗(yàn)檢測(cè)其各項(xiàng)性能，結(jié)果表明：該復(fù)合涂層在降低摩擦因數(shù)和減少電弧燒蝕等方面均有一定幫助。

綜合以上研究者的研究成果，可以看出，滿足樞軌載流摩擦副材料應(yīng)用化需求的電樞表面涂層應(yīng)具有以下性能：

（1）具有良好的導(dǎo)電性和較高的熔點(diǎn)，以減少接觸界面產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致的電樞熔化。

（2）具有較高的硬度，以減少電樞表面的機(jī)械磨損。

（3）在設(shè)計(jì)表面涂層的形狀和制備方法等因素時(shí)，應(yīng)綜合考慮磨損情況以及樞軌間的抗剪切強(qiáng)度，防止在發(fā)射過程中涂層因摩擦等不利因素而導(dǎo)致脫落。

（4）涂層材料與電樞表面之間應(yīng)具有較大的親和力。

（5）對(duì)于復(fù)合涂層材料，應(yīng)從“硬底材-軟導(dǎo)電潤(rùn)滑膜”結(jié)合模式綜合考慮，以此保證涂層兼具硬度高、潤(rùn)滑性、高導(dǎo)電等性能。

對(duì)于表面涂層的制備，現(xiàn)階段常用的方法為：電鍍、化學(xué)鍍、真空鍍、粉末噴涂、磁控濺射、激光熔覆等。其中，激光熔覆技術(shù)冷卻速度快、涂層稀釋率低、熱輸入和畸變較小、熔覆層的厚度范圍大，是一種應(yīng)用前景廣闊的表面處理技術(shù)。目前，相關(guān)鋁合金電樞涂層的制備工藝、應(yīng)用條件及微觀機(jī)理的研究不夠成熟，特別是在發(fā)射過程的極端工況服役環(huán)境下，存在各種物理量耦合場(chǎng)，表面涂層的各項(xiàng)抗沖擊性能和其他物理性能能否達(dá)標(biāo)的相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)仍然缺乏系統(tǒng)性的指導(dǎo)。

5 結(jié)論與展望

從國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)電磁軌道發(fā)射用電樞損傷的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)電樞載流摩擦磨損、熱熔化以及轉(zhuǎn)捩燒蝕等典型損傷，已構(gòu)建相應(yīng)的規(guī)律體系和理論分析體系，并結(jié)合分析模型做出了對(duì)應(yīng)的防護(hù)優(yōu)化，取得了較好的試驗(yàn)和仿真效果。但對(duì)于電樞損傷的形貌演變規(guī)律、仿真復(fù)現(xiàn)手段以及與軌道損傷特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系等的研究還不夠深入。主要原因如下：

（1）受限于當(dāng)前的技術(shù)手段，對(duì)電樞和軌道的損傷探究都是基于發(fā)射后的結(jié)果進(jìn)行。而電樞損傷是單次發(fā)射后產(chǎn)生的結(jié)果，軌道損傷是多次發(fā)射后累積產(chǎn)生的結(jié)果，這導(dǎo)致電樞與軌道的分析對(duì)象不匹配，所得到的表面損傷機(jī)制不具有統(tǒng)一性和相關(guān)性。

（2）電磁軌道發(fā)射過程中，樞軌接觸界面各項(xiàng)性能參數(shù)是否變化以及變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯現(xiàn)手段尚不完備，這導(dǎo)致樞軌載流摩擦副的損傷對(duì)發(fā)射性能的影響難以量化。

（3）電磁軌道發(fā)射裝置處于電-磁-熱-力極端工況下，電樞與軌道間的材料轉(zhuǎn)移不可避免，轉(zhuǎn)移過程受到樞軌載流摩擦副損傷的嚴(yán)重影響。而針對(duì)損傷與樞軌間結(jié)構(gòu)變化目前沒有準(zhǔn)確高效的三維重構(gòu)模型以說明兩者間本征關(guān)系。

對(duì)于上述難點(diǎn)和問題，依據(jù)電磁軌道發(fā)射相關(guān)技術(shù)要求，未來電樞損傷的研究應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面：

（1）理清電磁發(fā)射極端工況下各物理量場(chǎng)的深度耦合關(guān)系，追溯發(fā)射過程中電樞形貌演變規(guī)律。

（2）明晰電磁軌道發(fā)射行為的關(guān)鍵物理量及其影響機(jī)制，包括接觸電阻、摩擦因數(shù)等，探索發(fā)射過程中樞軌間接觸狀態(tài)的變化。

（3）構(gòu)建電磁軌道發(fā)射苛刻工況三維分析模型，研究仿真復(fù)現(xiàn)技術(shù)，探明處于電-磁-熱-力多場(chǎng)耦合下樞軌材料的物性演化。

（4）現(xiàn)有防護(hù)優(yōu)化手段尚不能滿足極端服役環(huán)境下的結(jié)構(gòu)和性能保持需求。開展新型樞軌材料及其結(jié)構(gòu)的研發(fā)是未來的研究重點(diǎn)之一。