一种轻小型电磁推射装置设计与研制

于德江，马偃亳，陈 帅，陈 东

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

发射技术伴随人类的产生经历了上千年的发展和演变。早期原始社会，在人类不会借助外力时，就采用手抛的形式进行投送发射，比如投送石头和树枝用于捕杀猎物、防御威胁等；到了奴隶社会和封建社会，人类慢慢开始知道借助外力和机械原理来提高投掷物体的速度和射程来增强物体的杀伤力，比如弓箭、投石车的发明；封建社会后期，火药的发明使人类认识到：人不用使用蛮力就可以借助化学能的转换，使物体达到很高速度和射程，这一认识对人类影响深远，直到现在，各种火炮、导弹、火箭、汽车、火车、飞机大部分都是借助不同化学能燃料来实现物体的高速运动。然而，随着电的出现，一种新型能源在可以提高速度和射程的同时，还使各种设备向着无人化、智能化发展；近些年，随着动力电池和综合电力系统的发展，新能源汽车、高速铁路已深入人类生活，而作为新质作战武器的电磁轨道炮也在全世界范围内飞速发展，发射方式从机械能发射、化学能发射变革为电磁能发射已是必然趋势[1]。电磁轨道发射弹丸的主要毁伤机理是动能毁伤，作战精度高，作用范围小，杀伤隐蔽[2]，而火炮和导弹，由于弹丸携带大量化学燃料，作用范围大，杀伤区域广，在大规模作战时，又有电磁轨道炮无法替代的威力[3]，两种武器各有优劣。结合两类武器的优点，采用电磁线圈发射技术来发射携带化学燃料的炮弹，既能达到发射的高精度、隐秘性又能发挥炮弹的作战威力。本文设计并研制了一种一体化轻小型电磁推射装置来验证系统结合的可行性。

1 电磁线圈发射技术原理

电磁线圈发射技术利用驱动线圈和电枢之间的电磁耦合机制工作，当驱动线圈通过脉冲大电流，电枢内部感应电流与驱动线圈电流相互作用产生电磁力，推动电枢在线圈中沿轴向运动[4]。驱动线圈和电枢无接触，推力大，寿命高，尤其适合发射大质量的载荷。电磁线圈发射技术包括同步感应线圈发射技术和异步线圈发射技术。

1.1 同步感应线圈发射技术

同步感应线圈发射，是利用同步放电和抛体线圈内磁通变化感应加速，一般采用多个线圈同轴排列在一起作为初级驱动线圈，驱动线圈采用脉冲电源分离激励，电枢线圈感应电流作为电枢。多级同步感应电磁线圈发射原理如图1所示，利用多个脉冲电源对各级线圈同步放电和电枢线圈内的磁通交变感应加速载荷运动[5]。

图1 电磁线圈发射工作原理

1.2 异步感应线圈发射技术

异步感应线圈发射技术（工作原理如图2所示）利用多相线圈产生磁场，耦合产生磁行波牵引电枢沿线圈轴向运动。将驱动线圈分为若干段，通过增加激励电源的频率，每段使用一定频率，逐段增频，实现抛体的加速。

图2 异步感应型电磁线圈发射工作原理

电磁推力分布于电枢全部，电枢感应涡流和推进力、发热分布均匀（图3），使得电枢具有自动对中的特点，适合于发射大质量、高速载荷[6]。

图3 线圈推进磁场分布图

2 系统设计

2.1 设计需求

对于20 kg的载荷，推射速度不低于6 m/s，过载不超过300 g，推射装置重量不超过100 kg。

2.2 技术体制选取

由于本文对系统有轻小型要求，下面从几个方面对单级同步线圈与单级异步线圈进行对比，由此来确定本文技术体制。

（1）单级同步感应线圈只需要一个线圈，而异步感应线圈至少需要6个线圈才能构成单段发射器，因此单级同步感应线圈的推射器在结构上比异步感应线圈简单，重量轻，体积小。

（2）单级同步感应线圈只需要1个脉冲电源模块，而异步感应线圈至少需要3个脉冲电源模块；单级同步感应线圈的脉冲电源模块只需要单向充放电，而异步感应线圈的电源模块需要具备正反向充放电，且反充比接近1，单向脉冲电源的电容器储能密度可以超过2.0 MJ/m3，而双向脉冲电源的电容器储能密度只能做到0.6 MJ/m3左右。因此，不管从脉冲电源的数量，还是单模块体积重量，单级同步感应线圈体制均为最佳技术体制。

（3）单级同步感应线圈只需要控制单个模块触发放电，而异步感应线圈需要对多个线圈分时序放电，因此单级同步感应线圈控制方式简单。

（4）单级同步感应线圈的唯一缺点是效率较低，只有10%左右，而异步感应线圈第一段的效率在15%左右。

综上：本文采用单级同步感应线圈作为电磁推射系统的技术体制。单级同步感应线圈，不用考虑多级同步触发控制问题，而且能够大大降低系统的体积和重量，系统只需要1台充电机、1个电源模块，通过加入大容量高速供输装置或是采用多管方式，利用系统高重频发射特性，可在短时间内实现大量载荷的快速释放。

2.3 系统设计

电磁推射装置由推射器、脉冲电源、充电机、控制系统、电枢、集成框架等组成。工作时，初级储能储存的电能通过充电机快速给脉冲电源充电，脉冲电源在总控系统控制下，实现对不同载荷以不同的出口速度释放。单级电磁感应线圈推射系统组成如图4所示。

图4 电磁推射系统组成

系统整体设计参数见表1。

表1 系统整体设计参数

系统总体设计结构如图5。

图5 系统总体设计图

3 仿真分析

针对上述推射器设计参数，在Ansoft Maxwell中建立有限元仿真模型，如图6所示。

图6 有限元仿真模型

工作电压3.2 kV，运行时间20 ms，电枢初始位置42.5 mm，运行步长50μs，仿真结果如图7、图8所示。

图7 速度曲线

图8 受力曲线

由上述仿真结果可知。

（1）载荷最大速度6.58 m/s，出口速度6.24 m/s，满足不低于6 m/s的速度要求。

（2）载荷最大受力45.738 kN，模拟载荷重量20 kg，电枢及连接机构重2.42 kg，全载荷最大重量22.42 kg，由此计算得到载荷最大过载208 g，满足过载不超过300 g的指标要求。

4 试验验证

根据系统设计和仿真结果，本文在研制出的一体化轻小型单级同步感应线圈推射器上进行模拟载荷发射试验验证。样机实物图如图9。

图9 样机实物图

电枢、连接块及模拟载荷实物图如图10。

图10 电枢、连接块及模拟载荷

本文采用基恩士公司的反射型光纤位移传感器FS-V31M和FU-44TZ光纤来实现对载荷的速度测量。光纤位移传感器测速原理：当有物体经过光纤时，传感器输出高电平（2～5 V）信号；当没有物体经过时，传感器输出低电平（1 V）信号。

本文采用圆柱形尼龙块来模拟载荷，模拟载荷外径180 mm，长度370 mm，重量19.97 kg。为了增加反射信号的强度，通常在其表面涂上一层发射率高的涂料，在其表面缠上一层薄的铝箔胶带，同样可以增强反射信号强度。如图11所示。

图11 模拟载荷表面处理

电压3.2 kV，初始位置42.5 mm下进行发射试验，当模拟载荷经过光纤时，采集到的信号如图12所示。

图12 速度信号

从示波器采集的信号可以看出：电枢经过光纤的时间59.6 ms，电枢长370 mm，计算可得电枢速度为6.21 m/s，与仿真速度6.24 m/s基本一致，误差约为0.5%。

整个系统重量实测91.8 kg，不超过100 kg的指标需求。

5 结束语

本文采用单级同步电磁线圈推射技术，设计了一种一体化轻小型电磁线圈推射装置，通过仿真和试验，验证了该装置推射大质量载荷的可行性：对于不超过20 kg的载荷，推射速度不低于6 m/s，过载不超过300 g，系统重量不超过100 kg。该试验装置搭载装填装置和初级能源后可实现快速连续发射，这在某些特定载荷的快速释放和部署方面有广阔的应用前景。