电磁质量驱动器的创作研究

研究者：江苏省天一中学高一（2）班项国陈劭彬李非池

指导教师：江苏省天一中学冯丹沁

【摘要】 电磁发射技术自上世纪以来已经有了很大的发展，电磁炮是其中的重要一员，可以应用于天基反导系统、防空系统、反装甲武器和改装常规火炮等方面。电磁发射技术分两种，其中一种完全依赖磁力驱动，完全电力供能。传统的线圈炮，也即电磁同轴发射器由固定的定子线圈（驱动线圈）和被驱动的电枢（弹丸线圈）构成，效率高但体积庞大。结合高斯枪和电磁同轴发射器之后，线圈炮的体积大大减小，内径减为5.5mm，同时炮管中的磁感线更加密集，效率约为10%，在体积减小的基础上效率并未有很大衰减，对电压要求也大大降低。而传统的轨道炮，在炮弹初始位置烧蚀严重，组合线圈炮和轨道炮之后，烧蚀问题大大改善。本文，为作者合作研究一种灵巧、方便电磁质量驱动器的研究收获。

【关键词】 电磁发射；线圈炮；感应炮；轨道炮

在21世纪，电磁发射技术将取代传统反射方式，在炮弹发射、导弹发射、鱼雷发射、火箭弹发射、飞机弹射及航天发射等技术领域得到广泛应用，使武器装备的性能和技术指标大幅度提高，从而在新军事技术的变革中扮演重要角色[1]。电磁发射技术由于不受空气膨胀声速的限制，是新兴枪械的理想发展方向，现今大型的电磁驱动器已经初步投入使用，而对于单兵的近战枪械，电磁发射的前景也相当可观，主要优势是价格低廉，发射成本低及初速度大。然而，电磁技术对于工作环境的要求较为苛刻，本项研究方向，就是要改进小型电磁炮的加速方式、稳定性、可靠性和机动性，提高其发射的效率，降低其发射电压。

一、发射设计

电磁发射在枪械中的应用，也即电磁炮，有两大主流类型，一是线圈型，一是轨道型。相比于轨道炮，线圈炮的优点在于对子弹的兼容性高、稳定性强、安全性好、效率高、隐蔽性强，而轨道炮的优势在于结构简单。

线圈炮：

线圈炮本质上是一台直流电动机，经典的线圈炮利用定子线圈（驱动线圈）和弹丸线圈之间的磁耦合机制工作，也就是将两个电感之间的互感转化为炮弹的动能（见图1）。这种线圈炮可以双向加速炮弹。本作品选择的线圈炮类型为磁阻式线圈炮。磁阻式线圈炮的优点在于对炮弹的要求极低，只要是铁磁材质的弹丸都可发射。由于炮弹为铁磁材质，所以磁阻式线圈炮相当于一个有铁芯的电动机，这样提高了效率和灵活机动性。

图1 结构图

磁阻线圈炮有螺线管驱动线圈和铁磁材质的磁轭铁芯组成。当铁芯运动时，环绕线圈周围的磁路的磁阻将发生变化，于是就对铁芯弹丸产生了作用力[2]。

在驱动线圈内输入直流电时，线圈包围的空间内会产生密集的磁场，吸引此时在线圈一头的铁磁材料炮弹被磁场吸引，获得一个进入线圈方向的加速力，加速炮弹。

当炮弹在磁场中前进时，由于距离磁极越来越远，这个加速力会逐渐减小。当炮弹达到线圈中央时，加速力减小为零。此时炮弹继续前进，会受到一个反向的加速力，所以当炮弹到达线圈中央时，将电流截断，尽可能减少这个反拉作用。所以可以使用电容来供电，通过控制电容的电压及电量来保证在炮弹通过线圈中央时停止放电，以保证最大的效率和初速。

根据楞次定律[3]，当铁磁材料的子弹在通电线圈内部经过时，会对电流有阻碍作用，在线圈中产生磁阻，这样这时被磁化的炮弹与通电线圈间产生电磁感应，从而加速炮弹。但这样一来，给加速力的计算带来很大困难。

二、开关设计

实现多级加速间的分级触发，有两种方法。一是用Arduino板一类的微型计算机来记录时间，触发开关；一是用极间电控检测炮弹位置触发开关。为了保证电磁炮的兼容性和机动性，我们选择了极间电控来控制电路。电控有多种选择，如石墨刷、光电开关等。为了减小炮管中的摩擦阻力，我们选择了光电开关类型的极间电控。

电控的电路有两种选择，一是数字电路，一是模拟电路。考虑到实战中有可能出现的电场和磁场干扰，作品选择了模拟电路。图2为电路图设计。

图2 电路图

三、电源设计

由于电流的截止装置较为复杂，为了保证电磁炮的环境适应能力（即结构尽量简单），作品没有设置电流的截断装置，而是用电容作为电源，调节电容容量以达到截断电流的目的。整个供电系统为4节锂电池逆变升压至420V充电电容，关闭充电装置，触发开关，电容放电。

四、发射模拟及计算

对于炮弹加速力的计算无外乎两种算法：安培力方法和电感方法。首先考虑安培力方法。由于在线圈内炮弹受横向和纵向两个分力，所以对通电导体元dl分析时，炮弹也应受横向和纵向两个分力，即

于是一个线圈产生的磁场就需要用微积分（有限椭圆积分）来计算，这时就需要电脑软件的帮助了。但是对于表达式中的B，表达成关于dt和dl径向解析式也有很大的困难，所以这一方法的探究也只能告一段落，作一个对原理的简单理解。

下面探讨另一种方法，也就是所使用的计算方法——电感方法。用电感方法分析作用在径向的加速力是一种更为简单，计算更加便捷的分析方法。计算的依据是：力是储存能量在运动中的变化率，即在运动方向上的能量梯度。显然，历史能量关于位移的导数，这样一来，就给通电线圈中的加速力计算带来了极大的便捷。储存在炮弹中的动能与系统中的磁能和系统的电感有关，在炮弹和线圈构成的系统的电感包括两项：驱动线圈自感和线圈、炮弹间的互感（将炮弹看作一个单匝线圈）。于是利用系统整体的能量守恒可得

由于炮弹仅沿x方向运动，所以炮弹在x方向的加速力为

这样的话，要想计算炮弹在x方向的速度只需要模拟一下驱动线圈和炮弹间的互感梯度即可，利用电子或者电感的模拟器即可轻松解决。

当然，也可以直接使用功能关系来分析。假设炮弹所在位置为x，此时整个系统的点胆量为L（x），如果给驱动线圈接通一个电流I，则整个系统的磁场能量为

在非常短的时间dt内，炮弹受电磁力作用而移动了距离dx，根据能量守恒原理，并注意到I不随位置的变化而变化，可以求得炮弹所受的力为

当然I是一个变量，但假定它在达到峰值（即炮弹通过）的一瞬间是一个常量，又因为

则可得到单级线圈中炮弹运动的微分方程

而对于初速不为0的重接线圈，也可以用同样的方法依次计算。

以上的两种方法适合粗略的定性计算，由于没有考虑铁磁材料的炮弹在线圈中产生的磁阻，所以计算结果有较大误差。由于考虑磁阻影响的计算较为复杂，基本使用电脑软件完成，所以这里只作简单说明。

电流通过线圈时，磁能储存在线圈周围的磁场中，设线圈匝数为N，磁阻为Rm则有

在线圈空心时，有

磁阻的通常表达式为

其中Lm——磁路长度

Am——磁路截面面积

注意到磁阻是受炮弹速度和位置影响的量，而炮弹又受磁场和本身位置影响，磁场受线圈内电流影响，电流受磁阻影响，所以使用非线性有限元软件Maxwell模拟得到各个有关参数。

五、磁阻式线圈炮较传统火炮优点

（1）由于电磁加速的效率高，功率大且不受空气膨胀声速影响，所以电磁发射初速度大，炮口动能高。

（2）电磁炮的发射所需能源简易，成本低廉。

（3）磁阻式线圈炮有无声、无烟、有利于隐蔽的优点。

（4）对子弹要求极低，可以发射各种铁磁材质的弹丸，只需其质量在一定范围内，以免造成效率损失。当然也可以根据炮弹类型调整电容容量。

六、后期改进方向

（1）电子原件在高功率、高强度的长期工作下，必然会因为烧毁和击穿而寿命短。如果要应用于实战，就必须要实现晶闸管和光电开关模块化，以便可快速无阻碍拆卸更换。

（2）为了应用于实战，必须要配备装弹功能。对于目前功率下的射速，手动填弹可以接受，但还需要设计弹夹及如何上膛。

（3）在高功率的连续工作下，晶闸管、光电开关及驱动线圈都会严重发热，然后影响电磁炮性能甚至损坏炮体，散热是一个重要的研究课题。

（4）电磁炮现今主要作为动能武器，巨大的动能及质量令其不必苛求空气阻力的影响，但缩小为手持式之后，空气阻力对其弹道的影响就颇为可怕了。由于塑料材质的炮管不易于加工膛线，因此如何优化弹道还需要进一步创新。

（5）虽然在选择开关上，已经考虑到干扰问题而没有使用数字电路，但电场和磁场对其影响仍然没有彻底解决。由于每级加速之间电控都至关重要，其受干扰的情况必须深究。

（6）设计连发装置。

七、项目总结

本作品创新改进了下列问题：

（1）电磁炮高压不适合手持；

（2）普通线圈炮结构复杂，环境适应能力差；

（3）普通线圈炮炮弹成本高；

（4）线圈加速效率较低。

解决方法：

（1）创新设计多级线圈分级加速，减小了驱动线圈的质量，提高加速效率，降低发射电压；

（2）以磁阻为原理，提高效率，大幅降低炮弹成本；

（3）使用电容为电源，取消了电流截断装置，使装置更加简易，提高了其环境适应能力。

八、研究收获

这是本小组第一次比较系统地进行科学创作和研究。通过这次研究，我们的自主科学研究水平从初级的入门阶段，达到可以基本合格地做一项较复杂科学创新研究的水准。在这一研究过程中，我们从对电磁炮一无所知开始，一边学习讨论，一边构建模型，尝试制作，不断地尝试、失败、再尝试，通过近半年时间的知识和经验积累，终于制作出了一台较为成熟、稳定的磁阻式多级加速电磁炮的原型机。在这一过程中，我们收获了以下科研经验：

（1）要有挑战精神。在开始这一项目之前，我们对电磁炮几乎一无所知，也知道如何我们就能做好，是一个自主的创新过程，我们没有被一个一个困难吓退。

（2）背景调查很重要。在我们初步完成了第一台简易模型机后，遇到一系列问题，花费很大的精力才解决。可后来，偶然在网上发现这些问题已经有前人遇到过，而且已经解决。所以背景调查很重要，做好背景、文献调查，就是站在了巨人的肩膀上。

（3）理论是实践的基础。在项目一开始时，我们急于开始制作而绕了很多弯路，后来积累一定经验后，才知道理论分析的重要性。建立一个正确的模型，是研究最核心的部分，一个错误模型可能就会造成量级上的误差。后来我们先进行理论分析，电脑模拟数据，然后再进行制作，既提高了研究效率，也提高了成品质量。

参考文献

[1]古刚，向阳，张建革.国际电磁发射技术研究现状[J].船舶科学技术，2007（9）.

[2]王莹，肖峰.电炮原理[M].北京：国防工业出版社.1995.

[3]王莹，肖峰.电炮原理[M].北京：国防工业出版社.1995.

[1] 古刚，向阳，张建革.国际电磁发射技术研究现状.郑州机电工程研究所

[2] 王莹，肖峰.电炮原理[M].北京：国防工业出版社.1995

[3] 楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化