电磁轨道发射技术是一种利用洛伦兹力加速发射体的新型发射技术，具有出口速度高、打击精度高、过载控制能力强、响应速度快、可控性强等优势，主要用于快速、精确和远程打击[1]．绝缘支撑体作为电磁轨道发射装置的核心部件放置在两条导轨之间，起到了绝缘和支撑的双重作用．绝缘体处于极端的环境中：0.1~5 MA的大电流、200~600 MPa的高压强、2×104 ℃以上的瞬时高温、2~10 km/s的高速[2]，性能易发生劣化，影响发射装置的性能和寿命．各国学者从材料及失效机理入手进行了相关的研究[3]，但复杂的内膛多物理场环境对绝缘体造成的影响依旧没能解释清楚．本研究介绍了绝缘体的工作过程及性能要求，讨论了等离子体电枢和C形铝电枢两种类型发射装置绝缘材料的现状及失效机理，对适用于不同电枢环境的绝缘材料进行了展望，为绝缘材料的后续研究及选型应用提供重要的参考价值．1 工作过程及性能要求电磁轨道炮的类型很多，根据口径不同，可分为圆口径和方口径轨道炮；根据预紧及包封方式不同，可分为螺栓型和复合型轨道炮；根据驱动方式不同，可分为等离子体电枢轨道炮和以C形铝电枢为代表的固体电枢轨道炮．绝缘体在不同类型轨道炮中所起的作用都是相似的，当电磁发射时，电流经电枢在导轨上流动，电枢在洛伦兹力的推动下带动弹丸进行发射．绝缘体在发射过程中会受到预紧力以抵抗导轨的电磁扩张力，同时保持导轨间的电气绝缘．导轨和绝缘体处在严酷的热、力和电磁多物理场内膛环境中，且绝缘体较导轨有更低的熔点和导热系数，试验后表面损伤会更严重，其中机械性能损伤和电气性能损伤是绝缘体的主要损伤形式[4-5]．1.1　机械性能1.1.1　抗烧蚀能力电磁能在发射时转化为动能和热能，热能主要以焦耳热或等离子体电弧的形式释放出来，对绝缘体的内表面造成烧蚀．绝缘材料被烧蚀分解产生气体环境会加剧电弧的产生，甚至会造成枢轨间严重的转捩故障．同时，烧蚀导致绝缘体内表面碳化严重、结构强度下降、内膛口径增大等会严重影响发射精度、安全性、效率及发射装置的使用寿命．为了预测绝缘体的抗电弧烧蚀能力，文献[6]计算了在典型的100 μs烧蚀时间内引起绝缘材料熔化的近似瞬态热流密度q，即q=ΔTπρcpktp，(1)式中：∆T为材料熔点与常温的温差；ρ为密度；cp为定压比热容；k为热导率；tp为时间，取值为100 μs．1.1.2　抗热冲击能力电磁转换的瞬间高温使内膛的绝缘体承受很强的热冲击，瞬时的热冲击会使绝缘体内产生很大的热应力，进而导致材料表面出现裂缝、裂纹，引发发射事故．绝缘体抗热冲击能力定义为材料弯曲强度与热冲击下热应力的比值BTSR[6]为BTSR=τεh=τ(1-υ)ρcpkEα，(2)式中：BTSR为材料抗热冲击系数；τ为材料弯曲强度；εh为材料热冲击下的热应力；υ为泊松比；E为弹性模量；α为热膨胀系数．1.1.3　抗断裂能力电磁发射瞬间导轨会承受电磁扩张力，一般可达20 MN/m[7]，绝缘体在动态发射时既要承受身管预紧力又要承受动态拉伸和收缩形变．在局部应力集中区域会导致绝缘材料的断裂，为了保证动态载荷下材料的结构完整性，对材料的抗断裂能力及裂纹抑制能力提出了较高的要求，用断裂韧度K来描述这种能力[6]，有K=cσfa，(3)式中：c为裂缝几何相关常数；σf为材料断裂强度；a为材料临界裂缝长度．1.1.4　抗应力波作用当绝缘体在短时受到高强度冲击载荷作用时，会出现与准静态力学完全不同的行为，此时应该利用应力波理论并结合材料动力学及固体动力学来分析．电磁发射初始阶段，分布载荷作用区域小，绝缘体主要受集中载荷影响，形成初始冲击波并向外传递；随着电枢的移动，分布载荷作用区域逐渐增加[8]．分析绝缘体应力应变响应须充分考虑应力波大小、传播速度及应力波的叠加效应[4]．1.2　电气性能1.2.1　绝缘性能在平顶电流驱动条件下，轨道炮的理论发射效率不会高于50%[9]，为了保证发射速度和弹丸质量，对脉冲电源的能量提出了很高的需求．兆安级大电流、千伏级高电压、毫秒级脉宽对绝缘体的绝缘性能提出了很高的要求．绝缘体的绝缘性能是保证导轨间电流稳定导通和可靠发射的关键．1.2.2　重复发射后的击穿电压重复发射后，绝缘体会损失一些质量，表面会出现烧蚀、裂纹和碳化现象，甚至会掺入一些杂质，严重影响材料的介电性能，降低材料的击穿强度，进而导致绝缘体失效．目前多次发射后的击穿电压是个不定的参数，主要与发射次数、身管口径、发射能级、材料本身含碳量、发射环境等有关，须要通过试验的方式测定．2 等离子体电枢轨道炮绝缘支撑材料自从1978年首次报道等离子体电枢轨道炮试验以来，研究人员就预测等离子体电枢轨道炮出口速度可以达到10 km/s，可执行卫星发射等任务，但实际出口速度一直被限制在6 km/s左右[10]．速度上限的根本原因是烧蚀、黏性阻力和二次电弧与运动之间复杂的相互关系，绝缘体烧蚀形成的热而致密的气体[11]又促成了二次电弧的形成[12]．2.1　无机玻璃复合材料研究现状Parker等在HYVAX-1轨道炮中使用了云母玻璃Mycalex绝缘侧壁，可经受35次峰值电流为100~400 kA的发射试验，发现侧壁烧蚀掉的材料大多数会被电离形成电弧[13]．Rosenwasser等发现：云母增强玻璃基材料都表现出明显的玻璃粘结相的熔化，弯曲强度较弱的MM-1100(83 MPa)在发射后断裂；而较强的MM-400(103 MPa)经受住了发射过程中的最大弯曲应力(约为91 MPa)，但临近极限[6]．2.2　有机高分子聚合物研究现状2.2.1　纤维素纤维Bedford等设计的以硫化纤维素纤维为绝缘侧壁的ERGS-IM型发射装置．纤维素纤维易获取、易加工，能承受20次峰值电流为100 kA的发射试验．发射后检测发现，失效主要是因为制造故障[14]，绝缘体损伤主要是由摩擦损耗及内膛的极端压力和温度引起的[15]．2.2.2　聚碳酸酯LexanLexan材料分子质量、黏滞阻力、烧蚀阻力较低，电离电势、抗冲击性、抗拉伸性能较好，是早期等离子体电枢轨道炮绝缘体的主要材料来源．Sims等介绍了绝缘侧壁为聚碳酸酯的身管设计，提出存在的微量卤素可能会使等离子体电弧发生改性效应的猜想[16]．Rosenwasser等发现：Lexan绝缘体烧蚀严重，产生垂直方向的表面热裂纹，深度几乎达到100 μm[6]．Askew等研究了发射过程中导轨和Lexan绝缘体的质量损失情况，发现绝缘体侵蚀厚度约是导轨的3倍，能谱分析发现绝缘体表面只有微量的铝和铜，表明绝缘体表面几乎没有金属沉积[17]．等离子体电枢产生的热流密度会超过100 GW/m2，持续时间为0.01~5 ms，高热流密度基体烧蚀是等离子体电枢轨道炮绝缘材料的主要损坏形式．为定量分析烧蚀情况，Bourham等使用SIRENS电热发射器对绝缘体进行热流密度为2~90 GW/m2、持续时间为100 μs的入射试验[18]．Bourham等发现Lexan材料烧蚀速率很高，沿身管轴向均匀烧蚀，烧蚀深度约为44 μm．烧蚀速率随着入射热流密度的增加而减小，原因是热流密度增加使得蒸汽屏蔽层快速发展，吸收了部分入射能量[19]．尝试外加磁场形成磁蒸汽屏蔽层来减少材料表面烧蚀，但外加磁场会对电磁推力造成影响，工程应用性不强[20]．1999年，美国休斯顿大学为了更准确和有效地量化绝缘材料的烧蚀参数，设计了一个材料烧蚀试验台．Nornoo等利用LabVIEW开发了自由电弧运动模型，研究了绝缘材料的烧蚀率和烧蚀临界值，结果表明Lexan材料相较于莫来石烧蚀更明显，烧蚀临界值更低[21]，试验台可以有效地评估候选绝缘材料的抗烧蚀能力[22]．2.3　玻璃纤维增强复合材料研究现状2.3.1　玻璃填充聚酰亚胺Jackson等发现，首次发射后聚酰亚胺绝缘侧壁纵向和横向都发生了断裂[23]．结合发射过程产生的应力波分析，绝缘侧壁会受到等离子体瞬态压力载荷，约124 MPa的峰值压缩应力脉冲通过绝缘侧壁传播，加上预紧力作用，身管反射回来的应力波可能会产生高于聚酰亚胺拉伸强度(185 MPa)的应力．玻璃纤维改性的聚酰亚胺强度性能得到大幅提高，约550 MPa的玻璃填充聚酰亚胺耐高温能力强，烧蚀质量损失、表面熔融较少，损伤深度最大处仅为3 μm[6]．2.3.2　玻璃纤维缠绕管法德圣路易斯研究所(French-German Research Institute of Saint-Louis， ISL)设计的EMA-1轨道炮使用了玻璃纤维缠绕管绝缘支撑材料，可耐受峰值电流600 kA下的10次发射试验[24]．Lehmann等发现内膛玻璃纤维增强复合材料绝缘体在几次发射试验后产生了大范围的开裂损伤，如图1所示[7]．10.13245/j.hust.230125.F001图1失效的玻璃纤维增强复合材料[7]2.3.3　玻璃纤维增强三聚氰胺树脂G-9Olsen等在18次发射试验后发现，炮口处的G-9绝缘体附着有铜色岛状沉积物．绝缘体在每次发射后的质量损失约为0.1 g，整体表面损伤很小，但在距离炮口5 cm处存在明显的电弧烧蚀[25]．Keefer等同时获得了导轨和G-9绝缘体的光谱辐射测量值，指出：电弧烧蚀绝缘体表面形成的边界层，可减少绝缘体表面所受的热辐射[26]．2.3.4　玻璃纤维增强树脂G-10，G-11Jackson等在1 000 kA的峰值电流下进行试验，第10次发射后发现绝缘体出现了分层[23]．Olsen等以导轨间电阻低于1×105 Ω为绝缘材料失效条件，试验得到G-10绝缘体可以耐受7次发射试验[25]．Rosenwasser等发现，G-10和G-11绝缘体每次发射后厚度会被削减0.01~0.10 mm[6]．Petresky等在750 kA的峰值电流下发射10次后发现：导轨损失的质量约是绝缘体的2倍，而绝缘体损失的体积约是导轨的3倍．比较了G-10绝缘材料不同铺设方式对性能的影响，提出：绝缘体最薄弱的部分是与导轨的接触位置，也是影响轨道炮身管寿命的主要部位[27]．Shvetsov等提出材料固有振荡特性对轨道炮动态特性及寿命有一定的影响[28]．2.4　结构陶瓷材料研究现状2.4.1　工业陶瓷Al2O3Bedford等发现ERGS-IA和ERGS-IB型发射装置的Al2O3绝缘体在试验2~3次后出现了裂缝[14]．对ERGS-2装置上的Al2O3绝缘结构进行改进设计使得抗裂应力主要由Kevlar环氧缠绕外身管承受．Rosenwasser等提到：Al2O3绝缘体在试验后发生了剥落、碎裂和开裂现象，断裂是由弯曲产生的表面拉应力引起的，特别是在应力集中处[6]．Schulman和Stefani等在HART I型轨道炮上使用Al2O3绝缘体来增加炮膛的抗烧蚀能力，提出：陶瓷材料易受由螺栓压力、身管拉伸应力及陶瓷拼接处的应力集中造成的细微裂纹等问题的影响[29]，该增强轨道的设计可以减少等离子体能量的注入，减轻对绝缘体的烧蚀，电枢速度达到了4 km/s，使轨道炮在零烧蚀状态下的高速运行成为可能[12]．Stefani等为减少烧蚀材料对内膛的侵蚀，使用了Al2O3绝缘侧壁[30]．应力仿真表明：Al2O3绝缘体受横向和垂直载荷的压缩力和垂直载荷的弯曲力，平均压缩应力160 MPa(远低于Al2O3的抗压强度2.50 GPa)，峰值拉应力20 MPa(低于Al2O3的抗拉强度250 MPa)．试验后Al2O3绝缘体遭到了毁灭性的损坏，如图2所示．原因可能是适用于固体电枢的身管设计仅在水平方向有足够的预紧力，垂直方向预紧力不够使得绝缘体在承受约100 MPa的等离子体压力时破裂．改进后，绝缘体厚度增加1倍，硬度增加了7倍，对绝缘体施加足够的预紧力．发射后85％的Al2O3完好无损，其余存在或多或少的裂缝，试验表明对Al2O3陶瓷机械性能的加强可以提高寿命[31-33]．10.13245/j.hust.230125.F002图2破损的Al2O3[31]2.4.2　先进陶瓷Rosenwasser等在研究中提到：先进陶瓷耐电弧侵蚀性能、抗热冲击性能、抗压强度和抗蠕变性能远超于Lexan或G-10、G-11等有机绝缘体，但是在抗断裂性能方面不如玻璃纤维增强复合材料[6]．Si3N4(烧结、热压)、部分稳定氧化锆(partially stabilized zirconia， PSZ)和相变增韧氧化铝(transformation toughened alumina， TTA)三种材料发射后重量损失很少．烧结Si3N4表面有15 μm深的裂纹、热压Si3N4只有较浅的10 μm裂纹，TTA表面有15 μm深的裂纹，PSZ表面有40 μm深的裂纹并伴有剥落发生．先进陶瓷均表现出预期的抗表面熔化和烧蚀性能，快速热冲击和快速冷却条件下的相不稳定和微裂纹是主要关注的问题；但是目前长度较短，加工昂贵，且在结构上难以处理是工程化的主要制约因素．2.4.3　先进陶瓷复合材料Rosenwasser 等提到，碳化硅晶须增韧氧化铝陶瓷复合材料Al2O3-SiC(W)初始表面就有100 μm的大孔隙[6]．Stevenson等依据绝缘材料的硬度、耐腐蚀性进行了绝缘体选材的测试和评估分析，得到第二相增韧或者碳化硅晶须增韧氧化铝和氮化硅复合材料机械和电气性能优异，具有高韧性、高强度、足够的耐热流密度和耐电压击穿能力[19，34]，有望成为轨道炮绝缘支撑材料．2.5　等离子体电枢轨道炮绝缘支撑材料失效分析在造成等离子体电枢轨道炮绝缘体失效的原因中，高温等离子体电弧烧蚀、等离子体横向脉冲压力冲击、垂向预紧力加载和释放造成的绝缘体碳化、分层、裂纹及断裂损伤占主导，金属沉积现象很少出现．无机玻璃复合材料虽然有一定的耐电弧烧蚀能力，但在等离子体内膛环境中的烧蚀仍很严重，出现了明显的基体熔化和材料损失．材料弯曲强度约100 MPa不足以抵抗交变的冲击载荷，易导致材料断裂．有机高分子聚合物纤维素纤维和聚碳酸酯Lexan都曾应用于绝缘侧壁．纤维素纤维受极端内膛压力、温度及摩擦损耗的影响，引起了材料质量损失及结构损伤．Lexan材料烧蚀率高，发射过程中出现了深裂纹并损失大量质量[35]；同时，弹性模量、刚度低易引起结构破坏导致等离子体泄露[36]．玻璃纤维增强复合材料可以有效改善材料的结构强度抑制表面热裂纹的发生，但受膛内高温影响，G-9，G-10及G-11等绝缘材料会出现明显的烧蚀及质量损失；同时，层压成型的复合材料层间粘合力不足，当冲击力或剪切力较大时，易发生分层现象．固有振荡在一定程度上也会影响材料寿命．结构陶瓷材料在抗烧蚀方面远优于玻璃纤维增强复合材料，但陶瓷材料脆性大，抗断裂性能较差，极易因螺栓预紧力、身管拉伸和压缩应力及拼接处的集中应力而发生开裂、碎裂及剥落故障．2.6　等离子体电枢轨道炮绝缘支撑材料应用展望无机玻璃复合材料和有机高分子聚合物的耐烧蚀和抗冲击能力很差，显然不是轨道炮的理想绝缘支撑材料．但是Lexan透明性好，可作为试验研究阶段以监测动态发射时膛内景象的绝缘支撑材料[37-38]．玻璃纤维增强复合绝缘材料的发射寿命均在10次左右，但因其在性能、成本、通用性和可维护性方面[39]的优势而非常适用于试验研究，尤其是小口径、低能级的等离子体电枢轨道炮[40]．具有坚硬的、耐烧蚀、无重燃等优点的陶瓷及先进陶瓷复合材料可以有效抑制等离子体的烧蚀及两种类型(重击穿和电弧分裂)的二次电弧形成，比较适合严酷的等离子体内膛环境[41-42]．通过结构优化设计及增韧方式来提高陶瓷材料的抗断裂性能可能是解决目前问题的关键．结构优化设计包括合理设计分段陶瓷的长度，施加合适的预紧力及在陶瓷拼接处选用柔性绝缘材料进行粘合填充以避免应力集中[4]，使结构陶瓷材料工程化应用成为可能[43]．此外，高韧性、高强度、绝缘性能优异的相变增韧、晶须增韧或者纤维增韧的氧化铝和氮化硅复合材料或将成为新一代等离子体电枢轨道炮绝缘支撑材料[34]．3 C形铝电枢轨道炮绝缘支撑材料等离子体电枢虽然可以带来超高速性能，但高温等离子体烧蚀一直制约着绝缘体的性能．C形铝电枢可达约3 km/s的速度，且不会产生大量的等离子体，是最接近工程应用的．3.1　结构陶瓷材料研究现状1997年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机电中心(the center for electromechanics at the university of Texas at Austin， CEM-UT)设计了Al2O3陶瓷(AD-96)为绝缘侧壁的轨道炮，在280~764 kA的峰值电流下进行试验，第11次发射后Al2O3陶瓷上首次出现裂缝，修复后共发射49次便失效退役[44-45]．拆解后发现，裂缝始于电枢起始位置的0.2 m处，轴向长度为0.1 m，裂缝里有凝结的熔融铝，证明裂缝是发射时累加而不是拆卸时形成的．裂缝的初始位置有约0.05 mm的小坑，很可能是研磨棒清理内膛沉积物时所伤，是裂缝扩展的一个因素．电镜检测发现：沉积物大部分来自于电枢，由于晶界扩散过程，因此熔融铝在Al2O3侧壁上的附着力很强．为减轻研磨棒对内膛的损伤，可以探寻合适的脱铝化学试剂与沉积铝结合形成一种结构薄弱、易清理的材料来帮助清洗．2005年，CEM-UT又设计了一种以Al2O3陶瓷为绝缘侧壁的超刚度、低质量轨道炮，其优异的绝缘性能、高模量和抗压强度使其在承受高冲击载荷时能够保持压缩应力状态[46]．Lehmann等提出：陶瓷良好的导热性能导致表面的金属蒸气迅速冷却加上粗糙的表面是导致表面金属沉积的主要原因[7]．李帅提出Al2O3涂层的应用，并对喷涂Al2O3涂层的G-10绝缘体的烧蚀情况进行仿真分析，得到温度场、内部缺陷、涂层杂质和涂层厚度是影响 Al2O3涂层击穿的4个因素[2]．3.2　玻璃纤维增强复合材料研究现状玻璃纤维增强复合材料有优异的电绝缘性、可加工性、强度和韧性，作为绝缘支撑材料可减少涡流损耗，提高电枢的滑行效率．但多次发射后易出现烧蚀碳化[40]、金属沉积[40]、冲刷刨削[47]和裂纹断裂4种典型的损伤形式，如图3所示，将导致绝缘体性能劣化及失效．10.13245/j.hust.230125.F003图3绝缘支撑体的损伤形式1989年，CEM-UT及先进技术研究所(The Institute for Advanced Technology，IAT)开始对玻璃纤维增强复合材料绝缘体进行研究，国外大多数相关研究都是该单位主导或者参与的．Price和Zowarka等首次提出玻璃纤维缠绕管绝缘侧壁设计，试验后可快速更换[48]．几次动态试验后发现：靠近炮口区域的绝缘材料开始剥离，成为绝缘体失效的起点，对损伤区域修复后再次试验，但最终修补区域后面的材质再次分层[49]．Gee等发现膛内各区域的G-10绝缘体不仅表现出与等离子体电枢相似的表面烧蚀损伤，还有C形铝电枢伴随的机械应力和冲击应力损伤．高电流、高电压区域损伤最明显，高电流、低电压区域几乎没有损伤[50]．Cote等对绝缘体进行激光脉冲加热试验，复现了在IAT试验中观察到的绝缘体热损伤，包括软蜡质环氧树脂热裂解产物及玻璃尖端的软化和圆化[47]．Watt等研究发现：槽蚀坑会延伸到G-10绝缘体区域，且绝缘体上侧的槽蚀坑要比下侧宽一些[51-52]．绝缘体与电枢相互作用造成了大规模的表面损伤，3到4次发射后必须更换．为了更直观地观测电枢运动过程中电弧和金属溶液对G-10绝缘体的侵蚀情况，使用了高速摄像作为监测轨道炮性能的重要诊断工具[37]．Wetz等发现：方口径(平面导轨)轨道炮G-10绝缘体受到垂直于纤维方向的熔融铝液喷射，形成侵蚀损伤，而圆口径(凹弧面导轨)轨道炮绝缘体纤维布设方向与熔融铝出射方向相切，几乎没有出现过侵蚀现象[53]．由此推测：因凸弧面导轨轨道炮绝缘体与熔融铝出射方向形成一定的角度，理想情况下铝液喷射的垂直分量小于平面导轨轨道炮，故金属污染和侵蚀损伤会小于平面导轨轨道炮．国内学者在近十年才开始对轨道炮玻璃纤维增强复合材料绝缘体进行研究，其中以中国科学院电工研究所和海军工程大学为代表．资料表明，中国科学院电工研究所从2009年开始重点解决C形铝电枢轨道炮卡脖子难题——绝缘支撑体．孙鹞鸿等对轨道炮身管进行应力分析，确定了环氧树脂绝缘体的最佳结构．得到400 kA电流下，最大变形为0.9 mm发生在绝缘体中部，两端的水平膨胀变形大于垂直收缩变形[54]．李丹等仿真获得了G-10绝缘体的温度和应力分布，发现导轨的热效应及冲击力对绝缘体结构影响很小[55]．绝缘体的最高温度出现在与导轨的接触面上，须在连续发射之间进行热量耗散以避免材料老化，热应力主要是由温度梯度造成的，为研究绝缘失效提供了依据[56]．试验后使用扫描电镜-能谱仪分析发现：膛尾区域绝缘体烧蚀严重，金属沉积最少；中部区域烧蚀最轻，金属沉积最多；炮口区域烧蚀最严重，金属沉积较多．表面材料因高温而分解脱落致使暴露出的玻璃纤维束发生断裂，表面电阻率和闪络电压大幅降低[57-58]，原因是烧蚀增大了绝缘体表面粗糙度并提高了氧化物含量[59]，提高材料的抗烧蚀及金属沉积能力可以有效延长绝缘体寿命．徐蓉等在170 kA的峰值电流下进行30次试验后发现：G-10绝缘体的损伤程度和沉积与温度和位置有关，初始区域沉积主要是球形颗粒状的熔融铝；中部区域沉积严重且受电枢冲刷而呈现波状；炮口区域烧蚀和碳化严重且发生“电爆炸”现象[60]．G-10绝缘体的机械损伤主要与局部电流有关，电流平顶区和初始下降阶段损伤最严重，金属污染是局部电流和枢轨的接触条件造成的，喷射而出的熔融铝破坏力极大．电气绝缘损伤常见于小口径、低线密度发射装置，机械损伤常见于大口径、高线密度发射装置[5]．赵伟康等[38]利用高速摄像首次完整地捕捉了4 000 K[61-66]以上的炮口电弧回流过程，炮口电流为52.2 kA，回流电弧在0.4 ms处到达距离炮口435 mm的最远位置．5次发射试验后发现G-10绝缘体表面污染主要是铝和碳，随着炮口电流的增大，沉积物在炮口附近堆积，绝缘体表面电导率增大，表面闪络电压急剧下降[67]．引弧技术可以将枢-轨之间的电弧“引入”引弧装置，对炮口区域的温度场、电磁场和流场造成很大的影响，改变了电弧的流动状态，是应对炮口电弧回流的有效措施．海军工程大学从2016年开始对绝缘支撑体进行研究．姜远志等对适用于轨道炮发射装置的陶瓷和玻璃纤维增强复合材料进行机械受力仿真分析，发现仅从导轨受力、绝缘体受力、泊松效应匹配角度分析，复合材料更适合成为身管绝缘体[68]．此后，其又对工作于复杂内膛环境中的玻璃纤维增强复合材料绝缘体进行电磁场、热场和结构场多物理场耦合仿真，试验分析发现：轨道反复挤压和摩擦导致绝缘体开裂、分层．高温和烧蚀导致绝缘体表面碳化、金属污染和表面电阻率下降[69-70]．两种类型发射装置绝缘体的损伤形式，如表1所示．10.13245/j.hust.230125.T001表1两种类型发射装置绝缘体的损伤形式损伤源等离子体电枢轨道炮损伤形式C形铝电枢轨道炮损伤形式电弧烧蚀等离子体电枢电弧烧蚀碳化、侵蚀炮口回流电弧及转捩电弧烧蚀碳化、侵蚀热应力裂缝、裂纹裂缝、裂纹横向冲击等离子体脉冲压力冲击造成的裂纹甚至断裂铝电枢冲刷造成的机械损伤、冲刷刨削垂向预紧力加载与释放冲击分层、裂纹、断裂分层、裂纹、断裂金属沉积及侵蚀微量的金属沉积金属污染、铝液喷射侵蚀3.3　C形铝电枢轨道炮绝缘支撑材料失效分析在C形铝电枢轨道炮绝缘体性能劣化的原因分析中，熔点及沸点较低的铝电枢受枢轨接触处的热集中影响，熔融喷射造成的绝缘体基体损伤、金属污染及电枢冲刷损伤占主导，转捩以及炮口电弧回流烧蚀也不能忽视．Al2O3陶瓷材料因其本身化学键合性质和结构，韧性较低，受电枢冲刷、金属喷射及转捩烧蚀易导致材料断裂．陶瓷材料较好的导热性和表面粗糙度是金属沉积的主要原因，试验后使用研磨棒清理沉积物时也会造成表面损伤．玻璃纤维增强复合材料绝缘体的失效首先是环氧树脂的热诱导升华和玻璃纤维软化液化，然后暴露的玻璃纤维被机械磨损发生断裂．熔融铝会对基体进行撞击、侵蚀及沉积，但喷射的角度、速度及对基体造成的损伤机理目前尚没有完整的解释．炮口区域受炮口电弧回流影响最严重，增大了绝缘体表面粗糙度和氧化物含量，大幅降低了表面电阻率和闪络电压．材料刚度低、烧蚀碳化、机械磨损、金属污染及高温蠕变大等缺点制约着绝缘体寿命，制备工艺的特点也限制了大口径、长身管及大能级的应用[4]．3.4　C形铝电枢轨道炮绝缘支撑材料应用展望随着材料技术的进步，相变增韧、晶须增韧及纤维增韧等提高陶瓷材料韧性的方式方兴未艾[71-72]．以陶瓷纤维增强陶瓷复合材料为例，其断裂韧度较传统的Al2O3陶瓷提高一个量级，极大改善了脆性，有效地抑制了发射过程中的开裂[73-74]，但远达不到工程需求．韧度远大于陶瓷材料、抗热冲击性能优异、易加工改性的复合材料可以较好地适应C形铝电枢工作的内膛环境．优化结构设计、改变复合材料成分、改进复合材料的制备工艺及表面喷涂工艺或将是解决材料寿命问题的有效手段．优化结构设计包括在安装过程中对绝缘体施加足够的预紧力[75]．改变复合材料成分有增加高熔点玻璃纤维含量[59]及采用玻璃云母增强[50]等方式．改进复合材料的制备工艺包括纤维增强3D打印技术[76-77]等来解决胚料尺寸有限的难题，同时增强了剪切方向应力以抑制材料结构损伤．表面喷涂工艺包括耐热Al2O3陶瓷涂层的喷涂来减轻复合材料的烧蚀损伤[2]．4 总结a．在等离子体电枢轨道炮内膛环境中，高温等离子体烧蚀对绝缘材料影响最大，分层、裂纹及断裂等结构损伤也经常发生．无机玻璃复合材料和有机高分子聚合物绝缘体曾用于早期的试验研究，但结构强度和耐烧蚀能力均不能满足工程需要．玻璃纤维增强复合材料绝缘体易出现烧蚀、分层等故障，仅适用于试验研究阶段易更换的等离子体电枢轨道炮．结构陶瓷材料脆性大，抗断裂性能较差，易受交变的应力载荷而发生开裂、碎裂及剥落故障；但陶瓷材料的耐烧蚀、硬度及无重燃性能方面表现优异，比较适合等离子体环境．优化结构设计及陶瓷材料增韧来提升陶瓷材料的抗断裂性能可能是解决等离子体电枢轨道炮绝缘材料寿命问题的关键．b．在C形铝电枢轨道炮内膛环境中，熔融铝喷射、金属污染及电枢冲刷是故障发生的主要原因，同时炮口电弧回流烧蚀也不能忽略．Al2O3陶瓷韧度较低，试验后易出现裂纹，增韧后寿命也远不能满足需求．玻璃纤维增强复合材料绝缘体易出现机械磨损、熔融铝侵蚀损伤、金属污染及炮口区域的烧蚀碳化等故障；但复合材料韧度、抗热冲击性能优异、易加工及改性可以较好地适应C形铝电枢工作环境．优化结构设计、改变复合材料成分、改进复合材料的制备工艺及表面喷涂工艺或将是解决C形铝电枢轨道炮绝缘材料寿命问题的关键．