電磁炮物理模型構建與系統(tǒng)實現(xiàn)

孫韓 白秀軍

摘 要：本文以電磁感應原理為基礎，研究了以鐵磁質(zhì)小球為拋體的單級電磁炮和多級電磁炮，構建了電磁炮物理模型。實驗中采用大電容充放電，獲得較大的瞬時脈沖電流，磁化拋體，使其加速。研究了拋體初始相對位置、電容器充電電壓、放電時序選擇與控制等對拋體出射速度的影響，實現(xiàn)了電磁炮系統(tǒng)設計。

關鍵詞：電磁炮；物理模型；放電時序與控制

中圖分類號：TN702 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2015）04-

Physical Model Construction and System Implementation of Electromagnetic Gun

SUN Han1， BAI Xiujun2

（1 Communication engineering excellence class 2012 major School of Electronic Information Engineering，Anhui University， Hefei 230601，China；

2 Department of Fundamental Science， Electronic Engineering Institute， Hefei 230037，China）

Abstract： Based on the principle of electromagnetic induction， the paper researches on ferromagnetic metal ball for projectile multistage electromagnetic gun. Physical model of electromagnetic gun is constructed. Experiments using large capacitor charging and discharging can obtain larger instantaneous current ， magnetic ball and make it faster. The influence of initial relative position of the projectile， the charge voltage of capacitor， the choice of discharge sequence and the control of the discharge rate on the projectile velocity are also studied. Therefore， multistage electromagnetic gun is realized.

Keyword： Electromagnetic Gun， Physical Model， Timing Selection and Control

0 引 言

快速打擊已成為現(xiàn)代軍事斗爭的新常態(tài)，導彈在其中扮演越來越重要的作用。從突防和反導的兩個角度看，如何在極短時間內(nèi)發(fā)射高速、高能、高發(fā)射精度的拋體，已成為一項重要的任務。

電磁發(fā)射具有儲能密度高，初速度大、射程遠，動力來源簡單、成本低，無煙無光、隱蔽性好，易于調(diào)整發(fā)射角度、精度高，工作穩(wěn)定、重復性好等的優(yōu)點，是一種快速、高效的發(fā)射手段。不僅如此，電磁發(fā)射在艦載機起飛中也具有重要的應用。

電磁炮又稱為脈沖能量電磁炮，設計中是根據(jù)電磁感應原理展開并實現(xiàn)的發(fā)射技術，就是通過電磁相互作用，使拋體具有極高的發(fā)射初速度，再利用其動能殺傷目標的武器系統(tǒng)。按照結構不同，電磁炮可分為軌道電磁炮、線圈電磁炮和此力線重接炮三種。本文研究的電磁炮則為線圈電磁炮[1]。

1 電磁炮物理模型構建

線圈電磁炮主要由炮筒、激勵能源、放電觸發(fā)控制開關和拋體等部分組成。炮筒上密繞單級或多級勵磁線圈，激勵能源為大電容電容器?？刂品烹娪|發(fā)控制開關，使放電電路接通，有瞬時脈沖大電流通過線圈，線圈產(chǎn)生磁場。拋體又分為線圈拋體和鐵磁質(zhì)拋體兩種。勵磁線圈產(chǎn)生的瞬態(tài)變化磁場使線圈或鐵磁質(zhì)拋體產(chǎn)生感應電流或磁化，進而形成相互吸引的磁力，從而驅動線圈或鐵磁質(zhì)拋體運動。綜上可知，勵磁線圈產(chǎn)生的磁場在空間的分布研究，和線圈或鐵磁質(zhì)拋體所受磁力及運動方程分析等內(nèi)容，即是電磁炮物理模型構建的核心內(nèi)容。

1.1勵磁線圈激發(fā)磁場的空間分布

設充當勵磁線圈的螺線管內(nèi)徑為 ，長度為 ，單位長度上的匝數(shù)為 ，如圖1所示。圖中上下陰影矩形表示螺線管，以螺線管的中心對稱軸為 軸，螺線管中點記為 軸的坐標原點 。軸上任意一點 的磁感應強度如式（1）所示：[2]

圖1 螺線管激發(fā)的磁場

Fig.1 Magnetic field of solenoid excitation

（1）

當 且在螺線管內(nèi)部，近似有：

螺線管兩端附近磁場發(fā)散。端口處的磁感應強度：

端口外側靠近端口附近 點的磁感應強度則如式（2）、（3）所示：[3]

（2）

（3）

其中， 是磁感應強度的軸向分量， 是磁感應強度的徑向分量； 是 點到螺線管中心點的軸向距離， 是 點到軸線的徑向距離。

1.2 線圈或鐵磁質(zhì)拋體磁力計算

設鐵磁質(zhì)拋體在螺線管端口外側，距離為 （拋體初始位置），若 遠小于螺線管的長度 ，則拋體處磁場強度可近似為：

（4）

穿過拋體截面的磁通量：

（5）

根據(jù)磁通連續(xù)定理和電感的定義，螺線管的電感為：

（6）

系統(tǒng)總能量為：

（7）

根據(jù)虛功原理，拋體沿軸向的相互作用力為：[4]

（8）

負號表示拋體所受的力為吸引力。

磁場在螺線管中心點處取極大值。如果將拋體放在螺線管中心，存在：

（9）

說明拋體在螺線管中心時，所受軸向力為0。

1.3 運動學分析

根據(jù)牛頓第二定律，可得線圈或鐵磁質(zhì)拋體的運動學微分方程為：

（10）

2 單級電磁炮設計與實現(xiàn)

單級電磁炮結構示意圖如圖2所示。

圖2 單級電磁炮結構示意圖

Fig.2 Structure diagram of single-stage electromagnetic gun

單級電磁炮等效電路如圖3所示。

圖3單級電磁炮等效電路圖

Fig.3 Equivalent circuit diagram of single-stage electromagnetic gun

通過外觸發(fā)控制繼電器開關右接通，電容器與勵磁線圈構成閉合回路，電容器放電。瞬時脈沖大電流流過線圈，產(chǎn)生強磁場，磁化并吸引拋體，使拋體獲得向前運動的速度。

單級電磁加速器電路中與線圈并聯(lián)的續(xù)流二極管的作用是，當電容放電到電壓為零時，由于電磁感應，線圈中的電流不會立刻消失，反向電流會給電容充電，續(xù)流二極管可全部分擔次反向電流，保護電容器的安全。

實驗發(fā)現(xiàn)，拋體相對勵磁線圈的初始相對位置不同，勵磁線圈對拋體的吸引力和所做的功均不同，線圈的加速效果也不同。

研究拋體相對勵磁線圈相對位置與拋體獲得的初速度之間的關系，實驗結果如表1所示。對單級電磁炮而言，可以獲得最大的出射速度。對多級電磁炮而言，可以設計控制時序關系，選擇恰當?shù)姆烹姇r機，獲得最大的二級線圈能量轉換效率。

表1 單級電磁炮拋體出射初速度與初始位置關系

Tab.1 Relationship between initial velocity and initial position of the projectile in a single-stage electromagnetic gun

初始位置/cm -7 -6 -5 -4

出射速度/m/s 0.82 2.04 5.90 5.22

初始位置/cm -3 -2 -1 0

出射速度/m/s 3.02 2.04 0.82 0

初始位置/cm 1 2 3 4

出射速度/m/s -0.81 -1.98 -3.00 -5.20

單級線圈電磁加速器電容器充電電壓與拋體出射速度的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單級電磁炮拋體出射初速度與充電電壓關系

Tab.2 Relationship between initial velocity and charge voltage of the projectile in a single stage electromagnetic gun

充電電壓/V 75 145 215 285

出射速度/m/s 2.33 4.82 7.23 9.83

相對轉換效率 81.2% 93.0% 95.2% 100%

3 多級電磁炮設計與實現(xiàn)

+從表2可得，在放電電容器給定的情況下，電容充電電壓越高，電容器儲存的電磁能越高，拋體出射的初速度越大。

電容器電容和線圈、回路電阻構成LCR回路。改變電容器的電容值，會改變放電電路的時間常數(shù)，進而影響能量轉換效率。受電容器耐壓值的限制，增大放電電壓也存在一個上限。因此，拋體要獲得盡可能高的出射速度，選擇多級電磁炮接力加速，是一個技術上可行且有效的辦法。

圖4 多級電磁炮結構示意圖

Fig.4 Structure diagram of multistage electromagnetic gun

圖4是二級電磁炮結構示意圖。圖5是多級電磁炮控制原理邏輯框圖。與單級電磁炮相比，除了有2個勵磁線圈外，核心部分是紅外傳感器和單片機控制電路。初級電磁炮加速的拋體在進入二級電磁炮之前，到達位置 時，被紅外探測器接收，進而通過單片機控制，觸發(fā)二級電磁炮繼電器開關接通，電容器放電，實現(xiàn)多級電磁炮接力加速，使拋體獲得更高的出射速度。

圖5 多級電磁炮控制原理邏輯框圖

Fig.5 Structure diagram of multistage electromagnetic gun

考慮到紅外探測器具有響應時間短，便于時序設計和單片機控制實現(xiàn)等因素，實驗中選擇紅外探測器進行第二級勵磁線圈放電電容的外觸發(fā)開關控制。該探測器小巧精致，可緊貼炮筒放置，能克服其探測精度偏低的缺點。

單片機居于本系統(tǒng)的核心，基于系統(tǒng)要求的瞬時放電響應時間短、功耗低、抗干擾性能好等特點，本設計選擇了STM32F103C8T6單片機。該型單片機除滿足上述特點外，還進一步表現(xiàn)出資源配置豐富靈活、數(shù)據(jù)處理快、供電時引腳電平不跳變、運行穩(wěn)定、性價比高等一系列優(yōu)點。

紅外探測器到次級電磁炮勵磁線圈端口的距離 的計算公式為：

（11）

其中， 是拋體經(jīng)過第 級線圈加速后具有的出射速度， 是第 級線圈紅外傳感器的探測時間和電磁繼電器的驅動相應時間之和。

多級（二級）電磁炮電容器充電電壓（實驗中兩級勵磁線圈放電電容的充電電壓相等）與拋體出射速度的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 二級電磁炮拋體出射初速度與充電電壓關系

Tab.3 Relationship between initial velocity and charge voltage of the projectile in a two-stage electromagnetic gun

初始位置/cm 75 145 215 285

出射速度/m/s 3.28 6.75 9.96 13.32

二級轉換效率 0.982 0.961 0.898 0.836

從表3可以得，由于細致研究了拋體出射速度與初始位置的關系，系統(tǒng)時序選擇正確，控制精細，二級轉換效率高，達到系統(tǒng)設計目標。

4 結束語

（1）根據(jù)電流激發(fā)磁場和電磁感應原理，進行了電磁炮物理模型構建。

（2）實驗研究了單級電磁炮拋體出射速度與電容器充電電壓的關系。

（3）實驗研究了單級電磁炮拋體初始位置與出射速度之間的關系，為多級電磁炮時序控制奠定了理論基礎。

（4）實驗研究了二級電磁炮拋體出射速度與電容器充電電壓的關系。

（5）二級電磁加速器時序控制科學合理，二級勵磁加速線圈轉換效率高。其研究結果可用于多級電磁炮設計。

參考文獻：

[1] 王瑩，肖峰. 電炮原理[M]. 北京：攻防工業(yè)出版社，1995

[2] 梁燦彬，秦光戎，梁竹建. 電磁學[M]. 北京：高等教育出版社，1985

[3] 潘彩娟，覃煥昌，黃紅強. 電磁炮基本原理的教學與實驗模擬[J]. 廣西民族學院學報（自然科學版），2002，8（4）：74-76.

[4] 張海燕，魏新勞，王永紅，陳慶國. 磁性拋體電樞單級線圈炮電感梯度的計算[J]. 哈爾濱理工大學學報，2005，10（3）：121-124.