基于激光制導(dǎo)的模擬曲射電磁炮設(shè)計

屈召貴，楊 睿，孫學(xué)斌，饒 蓉

（四川旅游學(xué)院，四川 成都 610100）

0 引 言

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統(tǒng)大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。電磁炮主要包括線圈電磁炮、軌道電磁炮、電熱炮和重接炮，主要由能源、加速器、開關(guān)三部分組成。

模擬實驗系統(tǒng)采用線圈電磁炮結(jié)構(gòu)，利用激光制導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)精確打耙。首先利用激光對前方一定范圍的目標進行掃描，確定耙標位置和距離。然后利用大容量電容器作為能源、利用電磁線圈作為彈丸發(fā)射軌道，當(dāng)電容放電產(chǎn)生的瞬時大電流加到線圈上時，纏繞在發(fā)射軌道上線圈炮管內(nèi)部就會產(chǎn)生巨大的洛倫茲力，彈丸受洛倫茲力的作用射出炮口，命中目標。模擬系統(tǒng)可實現(xiàn)4 m，60°范圍的精確打耙。

1 電磁炮理論分析

1.1 電磁炮力學(xué)分析

電磁炮推動金屬彈丸運動。根據(jù)洛倫茲力，將炮彈從軌道炮管里面發(fā)射出去，經(jīng)典計算公式為磁路的歐姆定律，如式（1）所示：

式中：為線圈中通過的電流；為線圈匝數(shù)；為磁通截面積；為磁導(dǎo)率；稱為磁阻，表示磁路對磁通阻礙的物理量；為磁動勢；為磁通量。

1.2 儲能計算公式

電磁炮的能源決定了射程長短，其能量儲存與磁阻、磁通量、線圈匝數(shù)相關(guān)。在空芯線圈中，為常量，與N的關(guān)系呈線性變化，儲存的磁場能如式（2）所示：

彈道分析：本系統(tǒng)彈道采用拋物線彈道。如圖1所示，云臺高度和炮彈落地距離滿足公式（3）、公式（4），與發(fā)射角度、速度等成線性關(guān)系。

圖1 拋體運動曲線

2 系統(tǒng)構(gòu)成

曲射電磁炮實驗系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、DC-DC升壓電路、高能電容儲能組件、高壓開關(guān)發(fā)射電路、2-DOF云臺組成炮架、炮管、線圈、激光測距傳感器和炮彈（鋼珠）組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)由炮座、U型安裝槽、炮管固定卡、舵機運動機構(gòu)、齒輪等組成。2個舵機控制炮管的運動方向，調(diào)整炮管發(fā)射角度。1個舵機用來控制水平方向軸的運動，1個舵機用來控制垂直方向軸的運動。炮架高度為29 cm，炮座長為20 cm，寬為15 cm，炮管長度為19 cm，如圖3所示。

圖3 機械系統(tǒng)組成

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由激光測距傳感器、DC-DC升壓電路、高壓開關(guān)發(fā)射電路、A/D模塊、二維自由度云臺（舵機）和人機交互電容觸摸TFT顯示屏等組成。在電容觸摸TFT顯示屏上輸入?yún)?shù)執(zhí)行相應(yīng)的程序。激光傳感器用于測量炮位與靶標之間的距離和角度。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)計算出彈著點。單片機控制舵機轉(zhuǎn)到指定水平角度和俯仰角度，同時控制DC-DC升壓電路為高能電容儲能組件充電。充電完成后，啟動高壓開關(guān)發(fā)射電路，線圈產(chǎn)生磁場，發(fā)射炮彈（鋼珠）。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

5 電路與程序設(shè)計

5.1 高壓開關(guān)電路設(shè)計

DC-DC高壓升壓電路通過單片機PD6控制繼電器啟動升壓模塊，升壓模塊升壓后，為高能電容組件充電，充電完成后，通過單片機PD4控制繼電器，再通過繼電器觸發(fā)可控硅，為線圈通電，發(fā)射炮彈。本系統(tǒng)采用5 V電源供電，如圖5所示。

圖5 電源管理電路

5.2 程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用觸摸屏控制參數(shù)，按照不同的要求設(shè)置相應(yīng)的指令，系統(tǒng)發(fā)出動作指令，數(shù)據(jù)反饋到與單片機相連的顯示屏。

系統(tǒng)初始化各功能模塊并自檢。炮管自動調(diào)整水平和垂直角度分別歸零。參數(shù)輸入后，自動調(diào)整炮管的水平角度和仰角角度，啟動升壓模塊。充電完成后，自動觸發(fā)高壓開關(guān)電路，發(fā)射炮彈（鋼珠）。

舵機是一種伺服控制機構(gòu)，采用脈寬調(diào)制信號控制舵機角度?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制流程

6 測試與結(jié)果分析

6.1 測試方案

測量方案1：固定電壓為174 V，調(diào)整炮管垂直仰角，測量炮彈發(fā)射的距離。通過調(diào)整炮管的水平位置，測量炮彈彈著點。測試6次求平均數(shù)據(jù)。

測量方案2：固定靶標的位置，用激光傳感器測量位置與實際的誤差。

6.2 測試儀器

儀器：萬用表、5 m卷尺、量角器、1 m鋼尺，測試系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 測試實物

分別從250 cm到350 cm處對激光測試距離數(shù)據(jù)和實際測試距離進行對比測試。測試示意如圖8所示，測試對比數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 測試原理

圖9 激光測試距離測試

分別將電磁線圈電源電壓、仰角和炮彈距離一一對應(yīng)。電磁線圈電壓為174 V，仰角變化范圍為11°～29°，測試平均距離范圍為200～300 cm，仰角與實際測量距離測試數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 仰角與實際測量距離測試

7 結(jié) 語

文中設(shè)計的基于激光制導(dǎo)的模擬曲射電磁炮實驗系統(tǒng)，能實現(xiàn)炮管水平180°自由轉(zhuǎn)動，垂直方向90°范圍調(diào)節(jié)，射程范圍在400 cm內(nèi)。可以通過實驗系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。