自控式电磁线圈炮

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1、万方数据第24卷第lO期2004年10月物理实验PHYSICSEXPERIMENTATIONV01．24No．10oct．．2004自控式电磁线圈炮王京1，肖华1，何焰蓝2(1．图防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073；2．国防科学技术大学理学院，湖南长沙410073)摘要：以交流电驱动电磁场为动力t结合直流电机与磁力天平理论的新成果．设计了线圈型电磁炮关薯词：自控电磁炮}定位控流；多级加速中圈分类号：0441文献标识码：A文章编号：1005·4642(2004)10-0043"051引言随着科技的

2、不断发展，各种新概念武器层出不穷，现代战争理念发生了巨大的改变．例如隐形飞机、电子干扰机以及反雷达导弹等．目前许多国家正在研制的威力大、射程远的新动能武器——电磁炮也是其中一例，已公开成果中主要有2类：一类是双轨加速，如图1所示．以轨道作为导线，使用磁鼓技术激发的强电流脉冲产生强磁场．炮弹在安培力(F=B／L)作用下产生加速度tT2一J-．．安培力的实际大小为F一弓}In等}(J为轨道电oⅡ，流，a为弹体半径，r为导轨半径)．虽然此种方法研制出的炮弹出膛速度较大，但缺点较多．要求电流为106A以上，炮膛长度近10m

3、，无法投入正式使用．圈1日制的轨道炮原理图另一类是线圈加速炮，利用线圈磁场给弹体加速．美国一直在积极研制电磁炮项目．国防部计划到2005财年演示的时候，要求制出样品的长度不超过6m，产生的脉冲能量可使质量为3．5kg的弹头达到2．5km／s的速度．在第一阶段中，先后使用了磁鼓和磁盘技术来产生脉冲电源，但其中没有一项技术能达到相应的要求．2自控式电磁线圈炮设计原理2．I磁动力加速原理加速度的产生原理如图2所示线圈日fI＼＼＼＼＼＼l／电源图2线圈加速原理图当螺线管通电时，螺线管的内外就有了磁感应线分布，其磁势分布为出

4、人口高内部低，管外的弹体(铁磁芯)被拉向中心．图3所示为线圈中弹体受力和磁势的分布图．线圈中心弹体受力最大，但磁势最低．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收稿日期：2003—04-22}修改日期：2004‘06。23作者简介：王京(1982--)，男，辽宁锦州人，国防科学技术大学电子科学与工程学院本科生

5、．指导教师：何焰蓝(1962一)，女，四川南充人，国防科学技术大学理学院剐教授，博士，研究方向为光学工程万方数据44物理实验第24卷／＼、厂图3线圈磁势分布示意罔电流的方向应该与螺线管中的圆电流的方向一致，如图4所示．螵线管模型瑙吒第i圈图4简化模型首先考虑螺线管(半径为n)中第i圈电流环对弹体(半径为r2)产生的作用．子弹体中心距螺线管第i豳电流环中心的距离为R·t现考虑第i圈电流环在弹体M：(O，0，r2)处并垂直于L方向所产生的磁场分量，为简化设M-(rlco$口，一R。，r，sin8)为第i圈电流环上的一点

6、，见图5．由毕奥一萨伐尔定律可得B魄。一『2。出鱼毛掣(1)“以j<心I≯卜y图5电流方向示意图其中s=v，弓忑磊百严干霹干石磊石百哥，则第i圈电流环对整个弹体的作用力可由下式得到F，一n。BM0r。∥(2)JO’当子弹由原点运动到螺线管时，第i圈电流环对子弹所做的功，或者此时子弹所获得的动能为rR=E．一IRdy(3)J0螺线管对子弹体做的总功为ⅣⅣ=PE(4)蒿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．因此解决电流通断时机是本实验的关键．2．2加速的自发控制原理由于单级线圈通电过长时会产生大量

7、的热，如果单级线圈工作电流为J，线圈电阻为R，电流作用时间为T，生成的热量Q=J2RT．当f=2．5A，R=80n，T一200ms．则Q=100J，很可能击穿线圈绝缘漆．若改为2级加速，i=2．5A，R=40n，T=100ms．则Q=25J．热量大大减小了，能量利用率相对上升．实验中采用多级亥姆霍兹线圈加速装置，如图6所示．但当加速级超过2级时，由于电压、阻力等因素，速度增加会有随机误差伴随，定时控流很难达到要求，故而采用定位控流．定位控流是采用双轨炮中的自发性地控制电流通断模式，加速电路的连接如图7所示．线圈1线

8、圈2线圈3图6加速级联原理图螺线管图7加速电路的连接导轨连接控制电路，当弹体加速至线圈中心时，即磁势最低的位置，如图8所示，触发控制开关使线圈断电，导轨起了触发器的作用．弹体依靠万方数据第10期王京．等：自控式电磁线圈炮惯性进入下级线圈．由于控流方案简化，可轻易实现多级加速．在各个线圈中部为轨道过渡带，弹体到此位置时，由控制电路对加速作控制，建立起连续的加速