費(fèi)付聰 李淵成 唐 勇 陸媛媛 倪廣源 黃曉琴

（南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046）

1 引言

由于現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，尤其是材料生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，各種新型復(fù)合裝甲、陶瓷裝甲、反作用力裝甲的出現(xiàn)，使武裝車輛和艦船的戰(zhàn)場生存能力日益提高，因而對穿破甲技術(shù)的要求日益提高.在這樣的背景下，多種新概念破甲武器陸續(xù)被研發(fā)和投入試驗(yàn)，而在這些破甲武器當(dāng)中，動(dòng)能武器以其速度快、動(dòng)能高、能量效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到軍火界的重視.其中電磁炮就是動(dòng)能破甲武器中的一種，它利用電磁力對炮彈進(jìn)行加速，可以把炮彈的速度加高至超音速.2012年4月，美國海軍宣稱成功進(jìn)行了新型電磁炮試驗(yàn)，炮彈出口初速度超過5馬赫，動(dòng)能達(dá)33MJ，射程為370km［1］，標(biāo)志著電磁炮這種武器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室開始逐漸走向戰(zhàn)場.這也證明了電磁炮在未來的破甲作戰(zhàn)中大有可為.

電磁炮根據(jù)其工作原理可分為導(dǎo)軌型、線圈型和重接型三種［2］，而磁阻式電磁炮屬線圈型電磁炮的一種，由于其結(jié)構(gòu)簡單，可控性好，可靠性和抗破壞性高［2］，因此具有廣闊的應(yīng)用前景.本文在基本的磁阻式電磁炮基礎(chǔ)上，提出了一種基于傳感器控制的多級(jí)電磁炮的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)出一套電磁炮樣品，通過對樣品的發(fā)射實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2 工作原理

磁阻式線圈炮是利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化，會(huì)吸引鐵芯運(yùn)動(dòng)來加速鐵芯炮彈的［2］.它由固定線圈、可動(dòng)鐵芯、儲(chǔ)能裝置以及開關(guān)等電路元件組成.閉合開關(guān)，固定線圈中會(huì)有電流通過，產(chǎn)生磁場，作用于鐵芯，產(chǎn)生吸引力，將鐵芯加速射出.

磁阻式電磁線圈炮與一般線圈炮主要不同在于，采用的炮彈是鐵磁材料而不是可動(dòng)線圈［2］.與可動(dòng)線圈炮彈相比，鐵磁材料炮彈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn).

鐵磁質(zhì)炮彈受力分析如下［2］：假設(shè)固定線圈的匝數(shù)為N，長度為L，通過固定線圈的瞬時(shí)電流為I，線圈半徑為R，x 軸方向?yàn)榕趶椷\(yùn)動(dòng)方向，則線圈中磁場強(qiáng)度為［3］

圖1 線圈內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布［3］

鐵磁材料炮彈受力F 的定量關(guān)系如下［4］：

V 為炮彈體積；μ 為鐵磁質(zhì)炮彈的磁導(dǎo)率；M為磁化強(qiáng)度.從公式可知，增加線圈匝數(shù)，增大通過固定線圈的電流，以及增大炮彈與線圈的耦合，可以增大鐵磁材料炮彈的受力大小，從而彈射速度更快.

然而在高速情況下，鐵磁體炮彈表面會(huì)產(chǎn)生渦流，將會(huì)阻礙炮彈的加速運(yùn)動(dòng)［4］，不利于炮彈速度的提升.同時(shí)，當(dāng)炮彈射過線圈中點(diǎn)后，H 對x的導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，若線圈中仍通有電流，炮彈受力將與速度方向相反，產(chǎn)生反拉，進(jìn)一步減慢炮彈的速度.渦流效應(yīng)和反拉效應(yīng)使得磁阻式電磁炮的發(fā)射速度和能量利用效率受到限制.本裝置通過多級(jí)的加速，使得炮彈逐步提高速度，再配合提前關(guān)斷裝置，減少過度放電造成的反拉作用，最終獲得一個(gè)較高的速度.

3 電磁炮設(shè)計(jì)

結(jié)合文獻(xiàn)［5］～［7］，設(shè)計(jì)出多級(jí)加速磁阻型電磁炮，通過光電傳感器的控制，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)導(dǎo)通，逐級(jí)加速，通過三級(jí)線圈的加速，使炮彈達(dá)到較高的速度.

圖2 多級(jí)磁阻電磁炮框圖

3.1 單級(jí)炮體電路設(shè)計(jì)

炮體主要由充電回路和放電回路構(gòu)成.充電回路由220V 交流電源、橋式整流二極管、限流電阻、電解電容構(gòu)成.將220V 交流電整流后，對電容充電，實(shí)測最高電壓可充至約280V.放電回路由電解電容、線圈、發(fā)射開關(guān)（本裝置初級(jí)采用空氣開關(guān)，后級(jí)采用可控硅）、防反拉空氣開關(guān)、吸收二極管構(gòu)成（見圖3）.線圈采用0.8mm 的漆包線繞制.通過電容對其放電，產(chǎn)生一個(gè)大電流脈沖.使得線圈產(chǎn)生強(qiáng)度大但持續(xù)時(shí)間短的變化磁場.鐵磁質(zhì)炮彈采用長度60mm，直徑2.5mm 的鋼釘，截去尾部制成.在磁場的吸引力下，炮彈向前運(yùn)動(dòng).防反拉空氣開關(guān)則是在炮彈經(jīng)過線圈中點(diǎn)之后，及時(shí)斷開放電回路，避免電容過度放電，減少對炮彈向后的反拉阻力.炮管用長500mm，直徑8mm 的有機(jī)玻璃管制成，因其透明度高，使得光電傳感器安裝方便且無需在炮管上打洞，保證炮管的強(qiáng)度.而吸收二極管是為了保護(hù)可控硅，避免其被反向電壓擊穿.

圖3 單級(jí)炮體電路

3.2 多級(jí)控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要工作原理如圖4所示.

圖4 多級(jí)控制原理框圖

炮彈經(jīng)過光電傳感器，紅外二極管發(fā)出的紅外線被炮彈遮擋，光敏二極管截止，輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平，比較器的作用是對輸出波形進(jìn)行整形，有利于控制射擊.圖騰柱則增加控制電路的驅(qū)動(dòng)力，使之有效地控制可控硅.

4 電磁炮發(fā)射試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 一級(jí)線圈炮發(fā)射電壓與炮彈速度關(guān)系測試

圖5 多級(jí)控制電路

圖6 光電傳感器輸出Vo1與電壓比較器輸出Vo2波形比較

先啟動(dòng)單級(jí)線圈炮，初始位置為零，調(diào)節(jié)電壓大小，測試電壓與炮彈速度的關(guān)系.表1和圖7結(jié)果表明電壓與炮彈速度呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系.

表1 線圈炮發(fā)射電壓與炮彈速度測試結(jié)果

續(xù)表

4.2 一級(jí)線圈炮發(fā)射初始位置與炮彈速度關(guān)系測試

充電電壓調(diào)至定值250V，測試發(fā)射初始位置與炮彈速度關(guān)系.

圖7 一級(jí)線圈炮電壓U/V 與速度v/m·s－1關(guān)系圖

數(shù)據(jù)如表2和圖8（初始位置為炮彈尾端距離炮管尾端的距離）.

表2 發(fā)射初始位置與速度測試結(jié)果

圖8 一級(jí)線圈炮初始位置s/cm 與速度v/m·s－1關(guān)系圖

4.3 多級(jí)線圈炮炮彈速度

基于上述一級(jí)線圈炮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，啟動(dòng)多級(jí)線圈炮，將初始位置設(shè)為零，充電電壓為250V.數(shù)據(jù)如表3.

表3 多級(jí)線圈炮炮彈速度測試結(jié)果

4.4 極速測試

最后我們將電壓調(diào)至電磁炮所能達(dá)到的最高電壓280V，啟動(dòng)3級(jí)，測出炮彈所能達(dá)到的最大速度.

試射結(jié)果：本電磁炮的極速為27.52m/s.

4.5 效率計(jì)算

通過4.3節(jié)速度的測算，可計(jì)算每級(jí)線圈的能量使用效率（以250V 為例），結(jié)果見表4.

表4 各級(jí)線圈能量使用效率計(jì)算

4.6 結(jié)果分析

1）在一定范圍內(nèi)，提高電壓可以成比例地提高炮彈速度.但可以預(yù)計(jì)，如在其他參數(shù)不變的情況下，電壓升至很高，根據(jù)電容放電特性可知，炮彈在通過線圈中點(diǎn)后，線圈中仍有大電流通過，將產(chǎn)生嚴(yán)重的反拉，降低炮彈速度，并使得能量利用率降低.

2）炮彈的初始位置對炮彈的出膛速度有一定的關(guān)系，存在一個(gè)出膛速度最快的初始位置（本裝置為初始位置s＝0處）.若炮彈距離線圈太遠(yuǎn)，放電時(shí)炮彈與線圈耦合不佳，炮彈受力小，導(dǎo)致炮彈速度慢；若炮彈距離線圈太近，則在放電電流較大時(shí)，炮彈已經(jīng)通過線圈中點(diǎn)，產(chǎn)生較大的反拉阻力，減慢炮彈的速度.總之，若炮彈偏離最佳初始位置較大，將對炮彈出膛速度產(chǎn)生很大的影響.

3）加速級(jí)數(shù)的增加對提高炮彈出膛速度有明顯的作用，通過增加級(jí)數(shù)來提高磁阻式線圈炮炮彈的速度是切實(shí)有效的.但增加級(jí)數(shù)意味著需要更多的電能儲(chǔ)存，因此總體能量使用效率仍然很低.

4）在裝置試射過程中，曾出現(xiàn)過可控硅被燒毀的情況，說明電磁炮對于放電過程的控制要求極高，需要載流大且延遲速度極短的大功率開關(guān)器件.因此大功率開關(guān)器件將是模型大型化、投入實(shí)際應(yīng)用過程中的一個(gè)“瓶頸”.

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和改進(jìn)了多級(jí)磁阻式電磁炮的控制系統(tǒng)，提出了電磁炮的設(shè)計(jì)方案并制成了模型，通過對該套電磁炮模型的單級(jí)試射和多級(jí)協(xié)同加速試射，和對炮彈初始位置的不同試驗(yàn)，得出了模型的最優(yōu)化射擊方案.試驗(yàn)結(jié)果表明，在280V 的電壓下，樣品炮彈經(jīng)過三級(jí)加速后的的出口速度達(dá)到27.52m/s.

試驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的電磁炮設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，為后續(xù)的研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).但其能量利用效率低，空氣開關(guān)作為防止放電過度裝置的不精確性，以及大功率開關(guān)等問題仍有待解決，需要進(jìn)一步的研究.

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