电磁轨道炮因其全电的发射方式和超高的炮口初速成为国内外研究热门。管身作为炮体结构的重要组成部分之一,用于支撑整个身管,抵消轨道斥力,而管身上的感应涡流将极大地影响系统发射性能。基于此,本文对电磁轨道炮管身涡流作了如下理论和实验研究:a、管身涡流的产生机理及对发射效率和身管受力的影响。本文阐述了邻近效应和趋肤效应的区别,分析了邻近效应对轨道电感梯度和电阻梯度影响,研究了影响邻近效应的几个重要因素。受邻近效应影响,与轨道相邻的管身将感应出巨大涡流。本文基于有限元方法(A-φ法)研究了管身涡流的分布和变化特征,计算了涡流损耗。建立了同步放电模式下电磁轨道炮的全电流模型,研究了管身涡流对发射效率和身管受力的影响。研究表明,不锈钢管身上的感应涡流导致发射效率下降了 3.65%;采用层压结构和硅钢取代不锈钢可显著提高发射效率。管身涡流削弱了电枢周围的磁场,使得电枢轴向力和径向力分别下降了 27%和29%,最终影响发射效率。b、管身涡流对电磁轨道炮系统能耗的影响。本文详细描述了电磁轨道炮各项重要实验参数的测量方法。基于工程实验,建立了时序放电下串联增强型电磁轨道炮的系统理论模型,模型中不仅考虑了脉冲电源系统的集总参数,轨道炮的接触电阻和摩擦力等实际因素,还考虑了管身涡流的影响。采用高阶龙格-库塔法联立求解了理论模型的电流方程和运动方程,通过对比关键参数的仿真结果和实验测量结果验证了模型的合理性和准确性。基于此模型计算了电磁轨道炮系统的能耗分布,结果显示,炮口动能占总能量的30%;轨道上消耗的能量占总能量的44.7%,远高于其他能耗;管身涡流能耗约为7.2%;脉冲电源内电阻损耗和同轴电缆的电阻损耗之和不到10%。通过对比有无管身下的能耗分布、炮尾电流以及电枢速度,分析了管身涡流对系统能耗和发射效率的影响。研究表明,管身涡流导致该轨道炮的炮口动能下降了 3.6%,而轨道总能耗增加了 5.7%,脉冲电源系统电阻能耗也增加了 1%。c、管身涡流对身管磁场的影响。实验中通过自制的三维B-dot测量了身管外的磁感应强度。同时建立了无管身下电磁轨道炮的线电流模型,计算了 B-dot处三个方向的磁感应强度的理论值。计算结果与实验测量进行对比,结果表明,三个方向的磁感应强度变化规律一致,电枢运动至探针位置的时刻基本相同,而磁感应强度的幅值误差主要源自管身涡流对磁场的削弱,下降了 30%。通过计算有无管身下电磁轨道炮的Maxwell仿真模型,同样得出了这一结论。d、本文以提升炮口初速为目的从尺寸和材料两方面对管身进行了优化分析。管身涡流不仅影响电感梯度,还影响电阻梯度。通过有限元方法计算出不同管身的电感梯度和电阻梯度,代入电磁轨道炮系统理论模型中,从而求得相应的炮口初速。结果表明,管身离轨道越远,电感梯度越高,电阻梯度越小,弹丸炮口初速越高;管身厚度越厚,电感梯度越低,电阻梯度越小,弹丸炮口初速越高;相比管身各尺寸对炮口初速的影响,厚度最大,管身与轨道的横向间距最小。管身电导率越高,电感梯度越低,电阻梯度先急剧增加,再快速回落,然后缓缓减低,在较小范围内存在尖峰。选用电导率极小或不导电的管身材料可显著提升炮口初速。若为保证刚度必须选用金属管身,则应选择电导率大于1×106S/m的管身材料,避开电阻梯度的尖峰区域,此后管身的电导率越高,炮口初速越大。随着管身相对磁导率的增加,电感梯度急剧变大,而后基本保持不变,电阻梯度则随之不断增加。若选用不导电的导磁管身,相对磁导率越大,炮口初速越高;而对于导电又导磁的管身,相对磁导率越大,电感梯度和电阻梯度同时增加,炮口初速反而不断降低。