鞏博瑞，陳彥輝，駱帥，李明濤，蔣丹宇，周國(guó)紅

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

電磁發(fā)射技術(shù)作為一種新型的發(fā)射技術(shù)，由電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火藥燃燒提供能量，通過(guò)洛倫茲力推動(dòng)發(fā)射體加速，具有初速高、受控性好、安全性能高、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢(shì)，可用于防空反導(dǎo)、遠(yuǎn)程火力打擊、航天航空等，具有廣闊的應(yīng)用前景，是未來(lái)發(fā)射技術(shù)的必然選擇。針對(duì)電磁發(fā)射中的核心部分發(fā)射裝置，目前國(guó)內(nèi)外有大量學(xué)者進(jìn)行了研究，且取得了顯著的成果，但多集中在身管整體結(jié)構(gòu)[1-3]、導(dǎo)軌材料及性能[4-6]、電樞結(jié)構(gòu)[7-9]、電樞與軌道結(jié)合面多物理場(chǎng)分析[10-13]等方面，對(duì)絕緣支撐的研究相對(duì)較少。

絕緣支撐是發(fā)射裝置內(nèi)部保證部件之間絕緣的重要部件，其對(duì)發(fā)射組件的穩(wěn)定性有重要作用，甚至在一定程度上直接決定了發(fā)射裝置的壽命。在電磁發(fā)射過(guò)程中，絕緣支撐工作在沖擊強(qiáng)度大、環(huán)境溫度高、高電壓、大電流等極其復(fù)雜的電磁、熱和力的多物理場(chǎng)耦合作用的環(huán)境中[14]，因此對(duì)其材料性能、結(jié)構(gòu)等都有較高的技術(shù)要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，絕緣支撐在單發(fā)、間接多發(fā)、連續(xù)多發(fā)和高電流情況下普遍出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)破壞、整體斷裂、摩擦磨損嚴(yán)重、消融等失效情況。筆者從絕緣支撐的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、材料選用及應(yīng)用狀況幾個(gè)方面介紹了絕緣支撐的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，為絕緣支撐的進(jìn)一步研究提供一定的基礎(chǔ)和方向。

1 絕緣支撐結(jié)構(gòu)

圖1所示是一種典型的小口徑發(fā)射裝置截面圖，由上下導(dǎo)軌、左右絕緣支撐、絕緣包封裝置、鋼殼組成。

根據(jù)導(dǎo)軌類型、絕緣包封裝置、口徑、材料、預(yù)緊方式的不同，有多種截面形狀的絕緣支撐，但其在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中的工況類似。發(fā)射過(guò)程中，上下導(dǎo)軌之間通過(guò)電樞連通電路，電樞沿由上下導(dǎo)軌和左右絕緣支撐內(nèi)表面構(gòu)成的內(nèi)膛在洛倫茲力作用下進(jìn)行發(fā)射，上下導(dǎo)軌受沿中心向外的擴(kuò)張力。在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中，絕緣支撐需要保證上下導(dǎo)軌之間的絕緣，同時(shí)對(duì)電樞及彈丸提供一定的導(dǎo)向作用。為確保發(fā)射裝置各表面之間有足夠良好緊密的接觸，避免爬電等現(xiàn)象，絕緣包封裝置對(duì)導(dǎo)軌及絕緣支撐施加有預(yù)緊力。

2 絕緣支撐的性能要求

絕緣支撐工作原理如圖2所示，其中F為包封裝置對(duì)導(dǎo)軌的預(yù)緊力，I為通過(guò)導(dǎo)軌的電流。絕緣支撐的主要作用是通過(guò)承受預(yù)緊力，確保導(dǎo)軌始終處于正確位置，保證導(dǎo)軌間絕緣。在身管內(nèi)部，電樞與絕緣支撐工作狀態(tài)類似，但電樞僅要求滿足單次發(fā)射需求，使用時(shí)間不到1 s，而絕緣支撐需要足夠穩(wěn)定良好的狀態(tài)，滿足身管壽命內(nèi)的正常工作需求。絕緣支撐受電磁、熱和力的多物理場(chǎng)耦合作用[15-16]，工作環(huán)境極其復(fù)雜惡劣，為保證電磁發(fā)射過(guò)程的穩(wěn)定性、可靠性及發(fā)射精度，對(duì)絕緣支撐的多項(xiàng)性能有較高的要求。絕緣支撐發(fā)生的損傷形式主要有機(jī)械性能損傷和電氣性能損傷兩種，其中機(jī)械損傷是最為嚴(yán)重、更易出現(xiàn)的損傷形式，且在加載電流的峰值端和初始下降沿最為嚴(yán)重；小口徑和低線電流密度發(fā)射裝置以電氣性能破壞為主，大口徑和高線電流密度發(fā)射裝置以機(jī)械性能破壞為主[17]。因此，對(duì)于常見(jiàn)的絕緣支撐，需要滿足一定的機(jī)械性能和電氣性能要求，以達(dá)到保證發(fā)射裝置的穩(wěn)定性及可靠性的目的。

2.1 機(jī)械性能要求

2.1.1 能承受持續(xù)高受壓預(yù)緊力

電磁發(fā)射任一瞬間，導(dǎo)軌在交變電流作用下承受電磁擴(kuò)張力，力的大小與瞬時(shí)電路參數(shù)相關(guān)，一般可達(dá)到20 MN/m[18].電磁發(fā)射一般使用脈沖電源，將電能在極短時(shí)間內(nèi)釋放給負(fù)載[19]，電流在瞬時(shí)存在波動(dòng)，因此電磁擴(kuò)張力的大小在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中是變化的。為減小導(dǎo)軌在電磁擴(kuò)張力下的位移，需要絕緣包封裝置對(duì)導(dǎo)軌施加較大的預(yù)緊力，預(yù)緊力通過(guò)傳遞，作用在絕緣支撐的上下表面。同時(shí)，由于導(dǎo)軌為細(xì)長(zhǎng)桿件，長(zhǎng)徑比可達(dá)100，導(dǎo)軌在加工、裝配過(guò)程中不可避免產(chǎn)生誤差，在運(yùn)輸過(guò)程中由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)極易產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而破壞導(dǎo)軌的平面度和直線度，而預(yù)緊力將使導(dǎo)軌一側(cè)表面與絕緣支撐一側(cè)貼合，在一定程度上減少導(dǎo)軌形狀位置誤差。

基于以上原因，為保證絕緣支撐與導(dǎo)軌間緊密的貼合，以及盡可能減小軌道在電磁擴(kuò)張力下的位移，絕緣支撐需要持續(xù)承受較大的預(yù)緊力。

2.1.2 表面硬度高

由于電樞上下表面與導(dǎo)軌內(nèi)表面之間為過(guò)盈接觸，存在極大的摩擦力。發(fā)射過(guò)程中電樞以極高的速度運(yùn)動(dòng)，在高速滑動(dòng)摩擦下產(chǎn)生大量的熱[20];同時(shí)，導(dǎo)軌傳遞電流，導(dǎo)軌電阻造成的能量損失將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使導(dǎo)軌及電樞溫度迅速升高。當(dāng)溫度到達(dá)電樞材料熔點(diǎn)時(shí)，電樞接觸面發(fā)生熔化，接觸狀態(tài)發(fā)生變化，最后部分熔化的電樞材料脫離電樞，以液滴的形式發(fā)生噴濺，噴濺的液滴速度大、溫度高，此時(shí)，呈點(diǎn)狀的鋁蒸氣將沿中心向兩邊按照密度遞減的規(guī)律附著在絕緣支撐表面，在大電流和高的炮口電壓下，表面有更多的金屬沉積[21]。絕緣支撐表面硬度不夠時(shí)，鋁液滴噴濺有可能導(dǎo)致支撐表面產(chǎn)生凹坑。因此，為保證絕緣支撐表面的工作性能，絕緣支撐應(yīng)具有較高的表面硬度。

2.1.3 可承受電樞通過(guò)時(shí)的應(yīng)力波

應(yīng)力波理論結(jié)合固體動(dòng)力學(xué)及材料動(dòng)力學(xué)分析方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到爆炸、沖擊等短歷時(shí)高強(qiáng)度的載荷下作用時(shí)，材料表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)下不同的力學(xué)行為，大部分的變形和斷裂都以有限速率進(jìn)行，屬于非瞬態(tài)響應(yīng)，材料表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)[22-23]。對(duì)這種情況下的結(jié)構(gòu)研究，應(yīng)該基于應(yīng)力波理論，結(jié)合固體動(dòng)力學(xué)及材料動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析。結(jié)合傳統(tǒng)火炮身管的分析理論方法，軌道炮發(fā)射時(shí)，載荷作用于絕緣支撐，直接受到作用的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)相鄰質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，由局部擾動(dòng)區(qū)逐步傳播到未受擾動(dòng)區(qū)，以波的形式向外傳遞，形成了初始沖擊波和界面處的反射拉伸波，由此形成應(yīng)力波。從應(yīng)力波的生成和傳播機(jī)理出發(fā)，結(jié)合絕緣支撐材料的正交各向異性和材料多重性特點(diǎn)，分析應(yīng)力波的發(fā)展變化規(guī)律、波的振動(dòng)響應(yīng)等[24]，可將身管整體簡(jiǎn)化為彈性地基梁，研究其基于應(yīng)力波理論的整體響應(yīng)[25]，通過(guò)身管部件配合關(guān)系分析絕緣支撐響應(yīng)；同時(shí)，由于絕緣支撐承受預(yù)緊力，載荷作用點(diǎn)沿電樞移動(dòng)，因此，分析時(shí)應(yīng)考慮到預(yù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)力波大小和傳播的影響，以及波的相互疊加效應(yīng)。

2.1.4 耐沖擊

在發(fā)射過(guò)程中，在電樞與導(dǎo)軌接觸位置存在電磁擴(kuò)張力，絕緣支撐承受由電磁擴(kuò)張力引起的反作用力；由轉(zhuǎn)捩、刨削、燒蝕[26]、摩擦等都會(huì)造成的導(dǎo)軌表面磨損，破壞理想的身管發(fā)射狀態(tài)。由于以上因素，絕緣支撐將承受沖擊載荷[27]。

2.1.5 高溫環(huán)境下持續(xù)工作性能良好

當(dāng)進(jìn)行單發(fā)、連發(fā)時(shí)，以歐姆生熱、高速滑動(dòng)摩擦生熱為主的加熱將使絕緣支撐工況溫度變的極高。為滿足使用要求，絕緣支撐在高溫環(huán)境下應(yīng)具有良好的持續(xù)工作性能，各項(xiàng)性能參數(shù)隨溫度波動(dòng)應(yīng)盡可能小。

2.2 電氣性能要求

2.2.1 良好的絕緣性能

電磁發(fā)射的發(fā)射原理決定了其發(fā)射效率不高，理論計(jì)算表明恒流軌道炮的最大效率不會(huì)超過(guò)50%[28]，因此，為保證較高的發(fā)射速度，電磁發(fā)射對(duì)脈沖電源能量需求極高，儲(chǔ)能范圍最好在10～100 MJ之間。目前一般采用兆安級(jí)大電流、相對(duì)小電壓的發(fā)射方式，要求毫秒級(jí)的脈寬，波峰電流可達(dá)到兆安級(jí)別，電壓通常在1～10 kV量級(jí)。實(shí)驗(yàn)表明，絕緣支撐存在燒蝕和金屬沉積[29]現(xiàn)象，燒蝕是由電樞與導(dǎo)軌之間高速摩擦產(chǎn)生的電火花導(dǎo)致，金屬沉積是由電樞鋁液滴噴濺到絕緣支撐表面后凝固導(dǎo)致[30]，兩種現(xiàn)象的存在都導(dǎo)致了支撐電阻率的嚴(yán)重下降。因此，為保證上下導(dǎo)軌間電流流向的穩(wěn)定性和可靠性，絕緣支撐應(yīng)具有良好的絕緣性能。

2.2.2 抗表面漏電和電介質(zhì)擊穿

電磁發(fā)射使用的極高電流增加了發(fā)生電介質(zhì)擊穿的可能性。電介質(zhì)擊穿會(huì)導(dǎo)致絕緣支撐失效，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

3 絕緣支撐材料

由于絕緣支撐對(duì)各項(xiàng)機(jī)械性能和電氣性能的較高要求，普通的材料難以滿足使用要求，目前使用的材料以樹(shù)脂基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料為主[31]。

3.1 樹(shù)脂基復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料，作為一種高分子材料，在絕緣、耐磨等方面都有較大優(yōu)勢(shì)，但其在高溫下容易受損，耐燒蝕性能差；同時(shí)，樹(shù)脂基復(fù)合材料還存在易老化的問(wèn)題，有可能導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿等問(wèn)題[32]。樹(shù)脂基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體的纖維增強(qiáng)材料，包括有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或者芳綸等纖維增強(qiáng)體。

玻璃纖維增強(qiáng)材料硬度高、抗破裂性能良好，綜合性能優(yōu)良[33]，與絕緣支撐特性較為相符，且成本低，故在絕緣支撐中應(yīng)用較多。T.G. Engel等[34]使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯 、聚酰胺、乙酰 、聚酰胺酰亞胺、玻璃纖維增韌聚酰亞胺、三聚氰胺 、酚醛樹(shù)脂等多種材料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣支撐性能可結(jié)合材料的熱、化學(xué)相關(guān)特性指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。Randall B. Olsen等[35]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)圓孔形軌道炮來(lái)測(cè)試絕緣支撐性能，軌道炮各項(xiàng)參數(shù)固定，僅變化絕緣支撐材料，發(fā)現(xiàn)相較于單一成分的高分子材料，復(fù)合高分子材料性能有顯著的提升。Rong Xu等[36]設(shè)計(jì)了一種小型軌道炮，對(duì)多發(fā)實(shí)驗(yàn)后的絕緣支持進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，G10絕緣支撐的電阻率下降，不同位置的表面電阻率也發(fā)生變化，支撐表面出現(xiàn)凹坑和裂縫，樹(shù)脂和纖維暴露在表面。Stuart N. Rosenwasser等[37]通過(guò)發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，G10和G11材料的絕緣支撐，在每次發(fā)射后表面有0.01～0.1 mm的磨損，這種磨損速度是難以滿足工程需求的。圖3所示為Weikang Zhao等[17]試驗(yàn)后的絕緣支撐表面，可以看到支撐表面發(fā)生嚴(yán)重的碳化，棱邊產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷。

以G9、G10、G11為代表的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料基本能夠滿足較少發(fā)射次數(shù)時(shí)的需求；但當(dāng)發(fā)射頻率高、次數(shù)較多、發(fā)射用電流高時(shí)，存在剛度不夠高、碳化嚴(yán)重、耐磨性差、高溫蠕變大的缺點(diǎn)，限制了發(fā)射器壽命。除此之外，由于樹(shù)脂復(fù)合材料的制備工藝過(guò)程特點(diǎn)，導(dǎo)致料胚料尺寸有限，影響了樹(shù)脂基復(fù)合材料在大口徑、較大軌道長(zhǎng)度發(fā)射器上的研究與應(yīng)用。

3.2 結(jié)構(gòu)陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐沖擊、抗氧化、耐燒蝕、高溫蠕變小、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，在工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[38]。高純度氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷等具有良好的性能[39-40]，在絕緣支撐材料選用中有部分應(yīng)用。但陶瓷材料由于其自身化學(xué)鍵合性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)，普遍韌性較弱[41]。圖4所示是一種常見(jiàn)的氧化鋁陶瓷制成的絕緣支撐，氧化鋁含量為99%.

Stuart N. Rosenwasser等[37]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試了多種陶瓷材料，驗(yàn)證了陶瓷相較于樹(shù)脂復(fù)合材料在抗燒蝕性能方面的極大優(yōu)勢(shì)。結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于電磁發(fā)射裝置中的絕緣支撐，目前可通過(guò)改進(jìn)陶瓷材料制備過(guò)程和優(yōu)化結(jié)構(gòu)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

改進(jìn)制備過(guò)程可采用合適的增韌方式，但結(jié)合絕緣支撐性能要求，一般選擇纖維增韌方式，在極大提高陶瓷材料韌性的同時(shí)，使材料斷裂行為發(fā)生根本變化，由原來(lái)的脆性斷裂變成非脆性斷裂。結(jié)合絕緣支撐的受力特點(diǎn)，可采用二維和三維纖維排布方式，在多方向上提高受力時(shí)的特性，以達(dá)到在滿足剛度的條件下，盡可能提高韌性的目的[42]。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)可通過(guò)將陶瓷分段、使用粘接劑等方式實(shí)現(xiàn)。陶瓷每段長(zhǎng)度結(jié)合發(fā)射器口徑、軌道、材料特性等因素綜合分析確定；為避免陶瓷段間碰撞導(dǎo)致碎裂，陶瓷塊結(jié)合面之間可選用合適的絕緣柔性材料進(jìn)行填充或粘接，材料需要滿足絕緣要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)隨著當(dāng)前脈沖電源和電磁技術(shù)的發(fā)展日益成熟，電磁發(fā)射將進(jìn)入戰(zhàn)略裝備化階段。絕緣支撐作為電磁發(fā)射中的重要部件，對(duì)發(fā)射裝置的穩(wěn)定性及壽命制約問(wèn)題愈加突出。

2)由于絕緣支撐受電磁、熱和力的多物理場(chǎng)耦合作用,其對(duì)機(jī)械和電氣性能要求具有較高的要求。

3)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，目前絕緣支撐材料以樹(shù)脂基復(fù)合材料和陶瓷材料兩大類為主，樹(shù)脂基復(fù)合材料在耐高溫、高溫下工作性能方面存在問(wèn)題，陶瓷材料在韌性方面存在問(wèn)題。兩種材料現(xiàn)有性能距離裝備實(shí)際需求仍有較大差距，急需更近一步的提升。