电磁炮物理模型构建与系统实现

2015-05-30孙韩白秀军

智能计算机与应用 2015年4期

孙韩白秀军

摘要：本文以电磁感应原理为基础，研究了以铁磁质小球为抛体的单级电磁炮和多级电磁炮，构建了电磁炮物理模型。实验中采用大电容充放电，获得较大的瞬时脉冲电流，磁化抛体，使其加速。研究了抛体初始相对位置、电容器充电电压、放电时序选择与控制等对抛体出射速度的影响，实现了电磁炮系统设计。

关键词：电磁炮；物理模型；放电时序与控制

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：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

快速打击已成为现代军事斗争的新常态，导弹在其中扮演越来越重要的作用。从突防和反导的两个角度看，如何在极短时间内发射高速、高能、高发射精度的抛体，已成为一项重要的任务。

电磁发射具有储能密度高，初速度大、射程远，动力来源简单、成本低，无烟无光、隐蔽性好，易于调整发射角度、精度高，工作稳定、重复性好等的优点，是一种快速、高效的发射手段。不仅如此，电磁发射在舰载机起飞中也具有重要的应用。

电磁炮又称为脉冲能量电磁炮，设计中是根据电磁感应原理展开并实现的发射技术，就是通过电磁相互作用，使抛体具有极高的发射初速度，再利用其动能杀伤目标的武器系统。按照结构不同，电磁炮可分为轨道电磁炮、线圈电磁炮和此力线重接炮三种。本文研究的电磁炮则为线圈电磁炮[1]。

1 电磁炮物理模型构建

线圈电磁炮主要由炮筒、激励能源、放电触发控制开关和抛体等部分组成。炮筒上密绕单级或多级励磁线圈，激励能源为大电容电容器。控制放电触发控制开关，使放电电路接通，有瞬时脉冲大电流通过线圈，线圈产生磁场。抛体又分为线圈抛体和铁磁质抛体两种。励磁线圈产生的瞬态变化磁场使线圈或铁磁质抛体产生感应电流或磁化，进而形成相互吸引的磁力，从而驱动线圈或铁磁质抛体运动。综上可知，励磁线圈产生的磁场在空间的分布研究，和线圈或铁磁质抛体所受磁力及运动方程分析等内容，即是电磁炮物理模型构建的核心内容。

1.1励磁线圈激发磁场的空间分布

设充当励磁线圈的螺线管内径为，长度为，单位长度上的匝数为，如图1所示。图中上下阴影矩形表示螺线管，以螺线管的中心对称轴为轴，螺线管中点记为轴的坐标原点。轴上任意一点的磁感应强度如式（1）所示：[2]

图1 螺线管激发的磁场

Fig.1 Magnetic field of solenoid excitation

（1）

当且在螺线管内部，近似有：

螺线管两端附近磁场发散。端口处的磁感应强度：

端口外侧靠近端口附近点的磁感应强度则如式（2）、（3）所示：[3]

（2）

（3）

其中，是磁感应强度的轴向分量，是磁感应强度的径向分量；是点到螺线管中心点的轴向距离，是点到轴线的径向距离。

1.2 线圈或铁磁质抛体磁力计算

设铁磁质抛体在螺线管端口外侧，距离为（抛体初始位置），若远小于螺线管的长度，则抛体处磁场强度可近似为：

（4）

穿过抛体截面的磁通量：

（5）

根据磁通连续定理和电感的定义，螺线管的电感为：

（6）

系统总能量为：

（7）

根据虚功原理，抛体沿轴向的相互作用力为：[4]

（8）

负号表示抛体所受的力为吸引力。

磁场在螺线管中心点处取极大值。如果将抛体放在螺线管中心，存在：

（9）

说明抛体在螺线管中心时，所受轴向力为0。

1.3 运动学分析

根据牛顿第二定律，可得线圈或铁磁质抛体的运动学微分方程为：

（10）

2 单级电磁炮设计与实现

单级电磁炮结构示意图如图2所示。

图2 单级电磁炮结构示意图

Fig.2 Structure diagram of single-stage electromagnetic gun

单级电磁炮等效电路如图3所示。

图3单级电磁炮等效电路图

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

通过外触发控制继电器开关右接通，电容器与励磁线圈构成闭合回路，电容器放电。瞬时脉冲大电流流过线圈，产生强磁场，磁化并吸引抛体，使抛体获得向前运动的速度。

单级电磁加速器电路中与线圈并联的续流二极管的作用是，当电容放电到电压为零时，由于电磁感应，线圈中的电流不会立刻消失，反向电流会给电容充电，续流二极管可全部分担次反向电流，保护电容器的安全。

实验发现，抛体相对励磁线圈的初始相对位置不同，励磁线圈对抛体的吸引力和所做的功均不同，线圈的加速效果也不同。

研究抛体相对励磁线圈相对位置与抛体获得的初速度之间的关系，实验结果如表1所示。对单级电磁炮而言，可以获得最大的出射速度。对多级电磁炮而言，可以设计控制时序关系，选择恰当的放电时机，获得最大的二级线圈能量转换效率。

表1 单级电磁炮抛体出射初速度与初始位置关系

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

单级线圈电磁加速器电容器充电电压与抛体出射速度的实验数据如表2所示。

表2 单级电磁炮抛体出射初速度与充电电压关系

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

充电电压/V 75 145 215 285

出射速度/m/s 2.33 4.82 7.23 9.83

相对转换效率 81.2% 93.0% 95.2% 100%

3 多级电磁炮设计与实现

+从表2可得，在放电电容器给定的情况下，电容充电电压越高，电容器储存的电磁能越高，抛体出射的初速度越大。

电容器电容和线圈、回路电阻构成LCR回路。改变电容器的电容值，会改变放电电路的时间常数，进而影响能量转换效率。受电容器耐压值的限制，增大放电电压也存在一个上限。因此，抛体要获得尽可能高的出射速度，选择多级电磁炮接力加速，是一个技术上可行且有效的办法。

图4 多级电磁炮结构示意图

Fig.4 Structure diagram of multistage electromagnetic gun

图4是二级电磁炮结构示意图。图5是多级电磁炮控制原理逻辑框图。与单级电磁炮相比，除了有2个励磁线圈外，核心部分是红外传感器和单片机控制电路。初级电磁炮加速的抛体在进入二级电磁炮之前，到达位置时，被红外探测器接收，进而通过单片机控制，触发二级电磁炮继电器开关接通，电容器放电，实现多级电磁炮接力加速，使抛体获得更高的出射速度。

图5 多级电磁炮控制原理逻辑框图

Fig.5 Structure diagram of multistage electromagnetic gun

考虑到红外探测器具有响应时间短，便于时序设计和单片机控制实现等因素，实验中选择红外探测器进行第二级励磁线圈放电电容的外触发开关控制。该探测器小巧精致，可紧贴炮筒放置，能克服其探测精度偏低的缺点。

单片机居于本系统的核心，基于系统要求的瞬时放电响应时间短、功耗低、抗干扰性能好等特点，本设计选择了STM32F103C8T6单片机。该型单片机除满足上述特点外，还进一步表现出资源配置丰富灵活、数据处理快、供电时引脚电平不跳变、运行稳定、性价比高等一系列优点。

红外探测器到次级电磁炮励磁线圈端口的距离的计算公式为：

（11）

其中，是抛体经过第级线圈加速后具有的出射速度，是第级线圈红外传感器的探测时间和电磁继电器的驱动相应时间之和。

多级（二级）电磁炮电容器充电电压（实验中两级励磁线圈放电电容的充电电压相等）与抛体出射速度的实验数据如表3所示。

表3 二级电磁炮抛体出射初速度与充电电压关系

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