基于激光制导的模拟曲射电磁炮设计

屈召贵，杨 睿，孙学斌，饶 蓉

（四川旅游学院，四川 成都 610100）

0 引 言

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。电磁炮主要包括线圈电磁炮、轨道电磁炮、电热炮和重接炮，主要由能源、加速器、开关三部分组成。

模拟实验系统采用线圈电磁炮结构，利用激光制导技术实现精确打耙。首先利用激光对前方一定范围的目标进行扫描，确定耙标位置和距离。然后利用大容量电容器作为能源、利用电磁线圈作为弹丸发射轨道，当电容放电产生的瞬时大电流加到线圈上时，缠绕在发射轨道上线圈炮管内部就会产生巨大的洛伦兹力，弹丸受洛伦兹力的作用射出炮口，命中目标。模拟系统可实现4 m，60°范围的精确打耙。

1 电磁炮理论分析

1.1 电磁炮力学分析

电磁炮推动金属弹丸运动。根据洛伦兹力，将炮弹从轨道炮管里面发射出去，经典计算公式为磁路的欧姆定律，如式（1）所示：

式中：为线圈中通过的电流；为线圈匝数；为磁通截面积；为磁导率；称为磁阻，表示磁路对磁通阻碍的物理量；为磁动势；为磁通量。

1.2 储能计算公式

电磁炮的能源决定了射程长短，其能量储存与磁阻、磁通量、线圈匝数相关。在空芯线圈中，为常量，与N的关系呈线性变化，储存的磁场能如式（2）所示：

弹道分析：本系统弹道采用抛物线弹道。如图1所示，云台高度和炮弹落地距离满足公式（3）、公式（4），与发射角度、速度等成线性关系。

图1 抛体运动曲线

2 系统构成

曲射电磁炮实验系统由控制系统、DC-DC升压电路、高能电容储能组件、高压开关发射电路、2-DOF云台组成炮架、炮管、线圈、激光测距传感器和炮弹（钢珠）组成，如图2所示。

图2 系统结构

3 机械系统设计

机械系统由炮座、U型安装槽、炮管固定卡、舵机运动机构、齿轮等组成。2个舵机控制炮管的运动方向，调整炮管发射角度。1个舵机用来控制水平方向轴的运动，1个舵机用来控制垂直方向轴的运动。炮架高度为29 cm，炮座长为20 cm，宽为15 cm，炮管长度为19 cm，如图3所示。

图3 机械系统组成

4 控制系统设计

控制系统由激光测距传感器、DC-DC升压电路、高压开关发射电路、A/D模块、二维自由度云台（舵机）和人机交互电容触摸TFT显示屏等组成。在电容触摸TFT显示屏上输入参数执行相应的程序。激光传感器用于测量炮位与靶标之间的距离和角度。根据传感器采集的数据计算出弹着点。单片机控制舵机转到指定水平角度和俯仰角度，同时控制DC-DC升压电路为高能电容储能组件充电。充电完成后，启动高压开关发射电路，线圈产生磁场，发射炮弹（钢珠）。系统控制电路结构如图4所示。

图4 控制电路结构

5 电路与程序设计

5.1 高压开关电路设计

DC-DC高压升压电路通过单片机PD6控制继电器启动升压模块，升压模块升压后，为高能电容组件充电，充电完成后，通过单片机PD4控制继电器，再通过继电器触发可控硅，为线圈通电，发射炮弹。本系统采用5 V电源供电，如图5所示。

图5 电源管理电路

5.2 程序设计

本系统采用触摸屏控制参数，按照不同的要求设置相应的指令，系统发出动作指令，数据反馈到与单片机相连的显示屏。

系统初始化各功能模块并自检。炮管自动调整水平和垂直角度分别归零。参数输入后，自动调整炮管的水平角度和仰角角度，启动升压模块。充电完成后，自动触发高压开关电路，发射炮弹（钢珠）。

舵机是一种伺服控制机构，采用脉宽调制信号控制舵机角度。控制流程如图6所示。

图6 控制流程

6 测试与结果分析

6.1 测试方案

测量方案1：固定电压为174 V，调整炮管垂直仰角，测量炮弹发射的距离。通过调整炮管的水平位置，测量炮弹弹着点。测试6次求平均数据。

测量方案2：固定靶标的位置，用激光传感器测量位置与实际的误差。

6.2 测试仪器

仪器：万用表、5 m卷尺、量角器、1 m钢尺，测试系统实物如图7所示。

图7 测试实物

分别从250 cm到350 cm处对激光测试距离数据和实际测试距离进行对比测试。测试示意如图8所示，测试对比数据如图9所示。

图8 测试原理

图9 激光测试距离测试

分别将电磁线圈电源电压、仰角和炮弹距离一一对应。电磁线圈电压为174 V，仰角变化范围为11°～29°，测试平均距离范围为200～300 cm，仰角与实际测量距离测试数据如图10所示。

图10 仰角与实际测量距离测试

7 结 语

文中设计的基于激光制导的模拟曲射电磁炮实验系统，能实现炮管水平180°自由转动，垂直方向90°范围调节，射程范围在400 cm内。可以通过实验系统，训练学生的实践动手能力和创新能力。