电磁发射的初步研究

电磁发射的初步研究

摘要：该文介绍同步磁阻型线圈发射平台的工作原理，初步分析目前同步磁阻型线圈发射验证平台在储能电源小型化、位置触发、弹射体临界条件、线圈耦合、弹射体减速力（材料）及驱动线圈寿命等方面的技术瓶颈，得出同步磁阻型线圈炮更适用于中低初速载荷发射的结论。同时，研究同步磁阻型线圈发射平台在新概念电磁线圈能量武器、大质量载荷弹射（无人机、火箭）以及能量转换机构等方面的应用前景，为科学制定同步磁阻型线圈炮发展战略奠定了基础。

关键词：磁阻型电磁发射储能电源临界条件耦合位置笔者通过分析同步磁阻型线圈发射平台的技术瓶颈，结合未来相关技术的发展趋势，分析了同步磁阻型线圈发射平台未来时期的发展前景或方向，对科学制定同步感应线圈炮的发展战略提供了参考。

1 电磁发射系统的应用前景

电磁发射器使用电能作能源，发射过程中的可控可调性和安全性，也是化学发射器不可比拟的。电磁发射器有诸多优点，但最重要的有两条：一是它能把物体发射到超高速(>3?km/s)，甚至可达50?km/s；二是它发射的物体质量范围大，小至克级，大至吨级。因此，电磁发射技术在以下各个方面都能得以广泛的应用。

2 工作原理

磁阻型电磁发射平台主要由驱动线圈、弹射体（抛体）、储能电源（电容器）和触发开关组成，其工作原理如图2所示。弹射体的中心面初始位置位于第1级驱动线圈中心面的右侧。当闭合触发开关之后，储能电源向驱动线圈放电并激发脉冲磁场，弹射体在脉冲磁场作用下会产生感应电流，感应电流与脉冲磁场相互作用，从而使弹射体受到电磁力作用而加速运动。同理，当弹射体运动到第2级驱动线圈的某个合适位置时，第2级驱动线圈放电，使弹射体受到电磁力作用继续加速，依次类推，直到将弹射体加速到非常高的速度。

电磁发射系统的基本工作原理，概括起来就是弹射体(抛体)在通电的定子线圈所产生的磁场中受到洛仑兹力推进而受迫运动。弹射体中带有电流，在定子线圈被激励而产生磁场中，感应产生的轴向磁场力推动抛体做功，磁场内也会产生径向力，在整个发射过程中，径向力可以保持弹射体悬浮以减少与导管的摩擦。

当抛体处于定子线圈不同位置时，其所受的洛仑兹力可为正向加速力，也可为反向加速力。使弹射体尽可能保持正向加速力并使该力为最大。发射装置对实验初始条件的变化是敏感的，不同的实验初始条件，将引起实验效果的巨大差异。

以简化模型来分析弹体所获得的能量。实验采用81式子弹作弹体，且弹体弹芯为铁磁性物质，因此，在恒定外磁场的作用下，可将其视为一绕子弹中心轴为对称轴的圆电流体。子弹在螺线管所产生的磁场中的受力分析可简化为通电圆线圈之间的受力问题，此时子弹体

线圈模型中的圆电流的方向应该与螺线管中的圆电流的方向一致.

螺线管对子弹体做的总功为：

当弹体处于管中心时，控制电路切断电流,弹体依靠惯性发射出去。（图2-图5）

3 同步磁阻型线圈发射验证平台的技术瓶颈

3.1 储能电源小型化问题

线圈发射平台的初始能源为电能，要想把弹射体加速到非常高的速度，首先就需要有足够的储能.如果电源的储能密度低，就会造成

体积或重量的庞大，影响机动性能。一般可以采用脉冲交流发电机或储能电容器为线圈炮提供初始能源。前者的储能密度高，但尚没有成熟的产品；后者的储能密度低，但技术比较成熟。目前，线圈炮主要还是采用储能电容器作为能源，大量的储能电容器会占据较大空间，对系统集成带来不利影响。因此，储能电源小型化是制约同步磁阻型电磁发射平台工程化的技术瓶颈之一。

3.2 位置触发问题

单级驱动线圈对弹射体的加速能力有限，因此一般需要利用多个驱动线圈对弹射体迸行连续加速，以获得较高的炮口速度。从多级磁阻型线圈炮的工作原理可知，除了第1级驱动线圈的放电是手动控制外，其余各级驱动线圈的放电时机要根据弹射体的位置和弹射体进入驱动线圈时的初始速度来决定。研究表明，对于不同的弹射体初始速度，每级驱动线圈都存在与之对应的触发位置，可以使弹射体获得最大的发射效率。针对线圈炮发射过程中的强电磁干扰环境，主要采用的是光电位置触发口，即在2个相邻驱动线圈之间安装光电管，通过测量弹射体运动经过光电管的时间，求得弹射体进入驱动线圈时的速度.其数学表达式为：

线圈发射平台的触发控制系统通过测得电枢的初始速度自动计

算驱动线圈的放电时刻，然后发出触发控制指令，放电开关开始动作。在整个过程中，测速、计算、发出指令和开关动作都需要消耗一定的时间，该时间内电枢运动的位移可能比较大，甚至超过了驱动线圈自身的长度。例如：当弹射体运动到光电管安装位置时的速度为2000?m/s时，1?s内运动的位移为2?mm。如果触发响应时间总共消耗0.1?ms，则弹射体的运动位移为200?mm。通常为了使整个炮管的长度尽可能短，驱动线圈之间的级间距要比较小，就可能出现弹射体已经经过驱动线圈，而该级驱动线圈的触发系统还来不及响应的现象，从而不能满足高速运动的弹射体对响应时间的要求。

尽管目前的开关响应时间和微处理器的处理速度都得到大幅度提高，但仍然不能满足线圈炮超高初速发射的需求。

3.3 弹射体临界条件问题

在给定的磁阻驱动器结构条件下，弹丸的初始触发位置成为影响弹丸出口速度的一个重要因素，甚至可以通过控制触发位置来调整弹丸出口速度以方便实战应用。

磁阻驱动器是由一个驱动线圈和一个铁磁性弹丸以及附属部件构成。它利用驱动线圈与铁磁性弹丸组成的磁路的磁阻变化来吸引弹丸加速运动。其作用原理是磁阻最小原理。磁通总是趋向于经过磁阻最小的路径，铁磁性的弹丸具有比空气高的多的磁导率，因此弹丸放置在驱动线圈内部时，在弹丸与空气组成的磁路里，弹丸就会向磁阻

最小的方向运动。

3.4 磁阻型线圈发射减速力问题

发现磁阻型线圈发射在弹丸高速度、驱动线圈强磁场的发射条件下会出现较强作用的涡流减速力，弹丸速度不会增加反而减小。提出减小铁磁弹丸的电导率和对弹丸进行开槽处理。

磁阻型线圈发射出现减速力的原因主要是弹丸表面的涡流效应，涡流的产生由驱动线圈的磁场变化和弹丸的运动引起。由欧姆定律微分形式知，涡流值的大小与弹丸材料的电导率有关系，在相同电场的情况下，电导率越大，产生的涡流值也越大。因此，减小弹丸材料的电导率，能够减弱涡流产生。减小弹丸材料的电导率能够减弱涡流的产生，能够降低减速力的作用。因此，对于磁阻型线圈发射，应当选用磁导率高、电导率低的材料作为弹丸，例如铁氧体材料。

减小弹丸涡流减速力作用的另一种方法是对弹丸进行开槽，截断弹丸表面环向闭合回路，使感应电动势不闭合。这样，弹丸感应涡流效应减弱，涡流电磁力变小。

增大弹丸的初速度，或增大驱动线圈的电流(磁场)，都会增强弹丸受到的减速力作用，分析原因是感应涡流减速力效应。要降低磁阻型线圈发射的涡流减速力作用，可以减小弹丸材料的电导率值，还可以对弹丸结构进行开槽处理，这些措施都能减少涡流阻尼效应，增大初速度，提高效率。