基于传感器控制的多级磁阻式电磁炮制作与研究

费付聪 李渊成 唐 勇 陆媛媛 倪广源 黄晓琴

（南京师范大学，江苏 南京 210046）

1 引言

由于现代科技飞速发展，尤其是材料生产工艺的进步，各种新型复合装甲、陶瓷装甲、反作用力装甲的出现，使武装车辆和舰船的战场生存能力日益提高，因而对穿破甲技术的要求日益提高.在这样的背景下，多种新概念破甲武器陆续被研发和投入试验，而在这些破甲武器当中，动能武器以其速度快、动能高、能量效率高和成本低等优点，越来越受到军火界的重视.其中电磁炮就是动能破甲武器中的一种，它利用电磁力对炮弹进行加速，可以把炮弹的速度加高至超音速.2012年4月，美国海军宣称成功进行了新型电磁炮试验，炮弹出口初速度超过5马赫，动能达33MJ，射程为370km［1］，标志着电磁炮这种武器已经从实验室开始逐渐走向战场.这也证明了电磁炮在未来的破甲作战中大有可为.

电磁炮根据其工作原理可分为导轨型、线圈型和重接型三种［2］，而磁阻式电磁炮属线圈型电磁炮的一种，由于其结构简单，可控性好，可靠性和抗破坏性高［2］，因此具有广阔的应用前景.本文在基本的磁阻式电磁炮基础上，提出了一种基于传感器控制的多级电磁炮的设计方案，并设计出一套电磁炮样品，通过对样品的发射实验得出实验结果.

2 工作原理

磁阻式线圈炮是利用线圈的铁磁磁路的磁阻变化，会吸引铁芯运动来加速铁芯炮弹的［2］.它由固定线圈、可动铁芯、储能装置以及开关等电路元件组成.闭合开关，固定线圈中会有电流通过，产生磁场，作用于铁芯，产生吸引力，将铁芯加速射出.

磁阻式电磁线圈炮与一般线圈炮主要不同在于，采用的炮弹是铁磁材料而不是可动线圈［2］.与可动线圈炮弹相比，铁磁材料炮弹具有体积小、结构简单的特点.

铁磁质炮弹受力分析如下［2］：假设固定线圈的匝数为N，长度为L，通过固定线圈的瞬时电流为I，线圈半径为R，x 轴方向为炮弹运动方向，则线圈中磁场强度为［3］

图1 线圈内部磁场强度分布［3］

铁磁材料炮弹受力F 的定量关系如下［4］：

V 为炮弹体积；μ 为铁磁质炮弹的磁导率；M为磁化强度.从公式可知，增加线圈匝数，增大通过固定线圈的电流，以及增大炮弹与线圈的耦合，可以增大铁磁材料炮弹的受力大小，从而弹射速度更快.

然而在高速情况下，铁磁体炮弹表面会产生涡流，将会阻碍炮弹的加速运动［4］，不利于炮弹速度的提升.同时，当炮弹射过线圈中点后，H 对x的导数为负值，若线圈中仍通有电流，炮弹受力将与速度方向相反，产生反拉，进一步减慢炮弹的速度.涡流效应和反拉效应使得磁阻式电磁炮的发射速度和能量利用效率受到限制.本装置通过多级的加速，使得炮弹逐步提高速度，再配合提前关断装置，减少过度放电造成的反拉作用，最终获得一个较高的速度.

3 电磁炮设计

结合文献［5］～［7］，设计出多级加速磁阻型电磁炮，通过光电传感器的控制，实现逐级导通，逐级加速，通过三级线圈的加速，使炮弹达到较高的速度.

图2 多级磁阻电磁炮框图

3.1 单级炮体电路设计

炮体主要由充电回路和放电回路构成.充电回路由220V 交流电源、桥式整流二极管、限流电阻、电解电容构成.将220V 交流电整流后，对电容充电，实测最高电压可充至约280V.放电回路由电解电容、线圈、发射开关（本装置初级采用空气开关，后级采用可控硅）、防反拉空气开关、吸收二极管构成（见图3）.线圈采用0.8mm 的漆包线绕制.通过电容对其放电，产生一个大电流脉冲.使得线圈产生强度大但持续时间短的变化磁场.铁磁质炮弹采用长度60mm，直径2.5mm 的钢钉，截去尾部制成.在磁场的吸引力下，炮弹向前运动.防反拉空气开关则是在炮弹经过线圈中点之后，及时断开放电回路，避免电容过度放电，减少对炮弹向后的反拉阻力.炮管用长500mm，直径8mm 的有机玻璃管制成，因其透明度高，使得光电传感器安装方便且无需在炮管上打洞，保证炮管的强度.而吸收二极管是为了保护可控硅，避免其被反向电压击穿.

图3 单级炮体电路

3.2 多级控制电路设计

控制电路主要工作原理如图4所示.

图4 多级控制原理框图

炮弹经过光电传感器，红外二极管发出的红外线被炮弹遮挡，光敏二极管截止，输出由低电平转为高电平，比较器的作用是对输出波形进行整形，有利于控制射击.图腾柱则增加控制电路的驱动力，使之有效地控制可控硅.

4 电磁炮发射试验与结果分析

4.1 一级线圈炮发射电压与炮弹速度关系测试

图5 多级控制电路

图6 光电传感器输出Vo1与电压比较器输出Vo2波形比较

先启动单级线圈炮，初始位置为零，调节电压大小，测试电压与炮弹速度的关系.表1和图7结果表明电压与炮弹速度呈现线性函数关系.

表1 线圈炮发射电压与炮弹速度测试结果

续表

4.2 一级线圈炮发射初始位置与炮弹速度关系测试

充电电压调至定值250V，测试发射初始位置与炮弹速度关系.

图7 一级线圈炮电压U/V 与速度v/m·s－1关系图

数据如表2和图8（初始位置为炮弹尾端距离炮管尾端的距离）.

表2 发射初始位置与速度测试结果

图8 一级线圈炮初始位置s/cm 与速度v/m·s－1关系图

4.3 多级线圈炮炮弹速度

基于上述一级线圈炮实验结果，启动多级线圈炮，将初始位置设为零，充电电压为250V.数据如表3.

表3 多级线圈炮炮弹速度测试结果

4.4 极速测试

最后我们将电压调至电磁炮所能达到的最高电压280V，启动3级，测出炮弹所能达到的最大速度.

试射结果：本电磁炮的极速为27.52m/s.

4.5 效率计算

通过4.3节速度的测算，可计算每级线圈的能量使用效率（以250V 为例），结果见表4.

表4 各级线圈能量使用效率计算

4.6 结果分析

1）在一定范围内，提高电压可以成比例地提高炮弹速度.但可以预计，如在其他参数不变的情况下，电压升至很高，根据电容放电特性可知，炮弹在通过线圈中点后，线圈中仍有大电流通过，将产生严重的反拉，降低炮弹速度，并使得能量利用率降低.

2）炮弹的初始位置对炮弹的出膛速度有一定的关系，存在一个出膛速度最快的初始位置（本装置为初始位置s＝0处）.若炮弹距离线圈太远，放电时炮弹与线圈耦合不佳，炮弹受力小，导致炮弹速度慢；若炮弹距离线圈太近，则在放电电流较大时，炮弹已经通过线圈中点，产生较大的反拉阻力，减慢炮弹的速度.总之，若炮弹偏离最佳初始位置较大，将对炮弹出膛速度产生很大的影响.

3）加速级数的增加对提高炮弹出膛速度有明显的作用，通过增加级数来提高磁阻式线圈炮炮弹的速度是切实有效的.但增加级数意味着需要更多的电能储存，因此总体能量使用效率仍然很低.

4）在装置试射过程中，曾出现过可控硅被烧毁的情况，说明电磁炮对于放电过程的控制要求极高，需要载流大且延迟速度极短的大功率开关器件.因此大功率开关器件将是模型大型化、投入实际应用过程中的一个“瓶颈”.

5 结语

本文设计和改进了多级磁阻式电磁炮的控制系统，提出了电磁炮的设计方案并制成了模型，通过对该套电磁炮模型的单级试射和多级协同加速试射，和对炮弹初始位置的不同试验，得出了模型的最优化射击方案.试验结果表明，在280V 的电压下，样品炮弹经过三级加速后的的出口速度达到27.52m/s.

试验结果证明，本文提出的电磁炮设计方案切实可行，为后续的研究工作打下了坚实的基础.但其能量利用效率低，空气开关作为防止放电过度装置的不精确性，以及大功率开关等问题仍有待解决，需要进一步的研究.

［1］张龙霞，李碧清，霍敏.国外电磁炮发展概述［J］.飞航导弹，2011，（11）：23～27

［2］王莹，肖峰.电炮原理［M］.北京：国防工业出版社，1995.174

［3］赵凯华，陈熙谋.电磁学［M］.北京：高等教育出版社，2006.117～118

［4］朱英伟，严仲明，谢晓芳等.磁阻型线圈发射减速力研究［J］.电工电能新技术，2010，29（2）：62～66

［5］贵培炎.多级电磁枪基本原理与实验模拟［J］.工业技术，2011，（38）：15

［6］贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术［M］.南京：东南大学出版社，2007，117～200

［7］王松德，王晨炳.红外光电开关的制作［J］.电工技术，2004，（3）：60