微型电磁线圈炮的设计与实现

蔡冬如 毛桂平 曹靖伟 张珂 张鹏

摘要：本文通过对电磁线圈炮原理的分析以及电磁线圈炮工作过程的解析，系统阐述现阶段微型电磁线圈炮的理论发展等，并在此基础上，研究微型线圈炮的具体制作方法，展望微型电磁线圈炮在未来战场上的应用。

Abstract： Based on the analysis of the principle of electromagnetic coil gun and the analysis of the working process of electromagnetic coil gun， this paper systematically expounds the theoretical development of micro-electromagnetic coil gun at the present stage， and on this basis， studies the specific manufacturing method of micro-coil gun， and looks into the application of micro electromagnetic coil guns in the future battlefield.

关键词：电磁炮；小型化；高新技术；新概念武器装备

Key words： electromagnetic gun；miniaturization；high-tech；new concept weapon equipment

中图分类号：TM89 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0156-03

0 引言

随着世界高新技术的蓬勃发展，武器的更新换代越来越快，其发展趋势已经从普通的热武器向新概念武器转化。面对世界格局的新变化，我军建设迈进了一个新的历史时期，发展现代技术和装备是历史赋予我们的使命和责任。

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，它利用电磁场产生的洛伦兹力对金属弹丸进行加速，使其获得打击目标所需的动能。与传统的火药推动的发射器相比，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。

而作为新概念武器装备，在实现其预定功能后，将电磁炮实现小型化，最终成为一种单兵武器的构想逐渐受到重视。本文将从原理、工作过程和应用构想等方面系统阐述微型电磁线圈炮的设计与实现。

1 同轴电磁线圈炮的原理及工作过程

广义上讲，所有驱动部分由线圈构成的电磁发射器都可称为线圈炮。所谓的线圈炮，一般是指使用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有线圈的弹丸或磁性材料弹丸的发射装置，它利用驱动线圈和弹丸间的磁耦合机制工作，本质上是一台直线电动机。

1.1 同轴线圈炮的原理

其中0真空磁导率是常数，其值为？滋0=4？仔×10-7N·A-2，n为线圈的匝数，I为流过线圈的电流（图1中为单向电流流过螺线圈内部磁场）。

而弹丸受到的电磁力

F=（B÷5000）2×S

其中B为磁通密度，S为与磁通密度正交的面积，可见磁场密度越强，弹丸垂直于磁场的面积越大，弹丸受到的磁力就越大。

但如果线圈中只有持续的恒定电流通过，弹丸只会在线圈中作往复运动，需要在弹丸减速前切断或减弱对线圈的供电，这就涉及到电路的控制问题，最简洁有效的方法是计算合适的电容量，使电容的放电时间接近弹丸运动到线圈中点的时间，弹丸就会在惯性的作用下继续运动发射出去。

1.2 同轴线圈炮的设计与工作过程

同轴线圈炮是国内最受欢迎的电磁炮。按充电方法分有电池供电和市电供电两种，按级数分有单级和多级两种，考虑到便携性、制作的简易性和安全性，这里选用电池供电。

1.2.1 同轴电磁炮的结构

如图2所示，同轴线圈炮主要由电源，升压模块，储能电容，同轴线圈，控制开关，击发装置等组成。电源是电磁炮的供能装置，可以使用市电等交流电，也可以使用电池等直流电源。升压模块将电源较低的电压转换为高电压并整流用以给储能电容充电，如果是市电供电可以不升压，但任然需要整流。储能电容用以储存电能和向线圈释放电能，可以并联来增加容量。控制开关控制充电与击发的时机，可以选用手动开关，也可以是光电开关等自动开关。击发装置用以储存弹丸并将弹丸推至发射初始位置，提供初始动能，如果是手动放置弹丸，此装置可以省略。

1.2.2 单级线圈炮的设计与工作过程

如图3所示，当电源开关K1向下接通升压模块正极，充能电容开始充电，首次充电电容相当于短路，电流较大，可以采取断续充电，防止击穿。充电时间不宜过长，控制电容电压在420V以下为宜，否则容易烧坏升压模块。当K1向上接通，电路处于待发状态，由于可控硅开关的阻碍，电容不能向線圈放电。将弹丸置于线圈进入端，按下击发开关K2，电池通过保护电阻给予可控硅开关触发级正电势，可控硅开关被激发接通，电容开始给线圈通电击发弹丸。

升压模块选用共地型DC--DC升压器（如图4），用来将7.5V-12V的直流低压转换成450V的直流高压，连续使用时需要注意散热问题，切不可使输出端短路。这里必须注意升压器额定的输入和输出电压必须与直流电源和电容的额定电压匹配，否则容易损坏。可以利用微型继电器添加高压关断功能提高安全性，防止持续充电损坏升压器和电容。

1.2.3 多级线圈炮的设计与工作过程

多级线圈炮是在单级基础上增加了额外的线圈和电容，它们共用升压模块的输出端，升压模块选用共阴极也是方便为多级拓展提供标准接口。弹丸将在多级线圈中逐级加速，第一级开关由手动触发，之后的每一级则需要自动触发。可以利用延时电路计算好弹丸到达时间来启动，但这样对延时时间精度要求较高，这里选用光电开关来控制。光电开关位于每一级线圈之前，当弹丸通过时接通击发电路实现加速，这要求弹丸长度不能过短，否则光电开关难以识别。

2 同轴线圈炮的实现

2.1 材料选择

考虑安全因素与所需功率因素，建议采用如下主要材料进行制作：电源开关，击发开关（自复位开关）、整流二极管（IN4007）、储能电容（330-450V，200-2000UF铝电解电容）3组、共阴极升压器一个（自带整流，7.5-12V转450V）、可控硅开关（70TPS12或70TPS16）、光电开關、漆包线线圈、电源（12V，10A）、发射管1根（内径4-10毫米，管壁薄、硬，不导电的为宜，长度根据级数适度）、电阻若干、导线若干。

由于电容对线圈放电时电流可以达到几百至上千安培，用普通的空气开关作为启动开关是危险的，所以这里选用可控硅开关，利用低压电路来控制高压电路，也因此需要设计额外的触发电路。

2.2 线圈的制作

在制作线圈时，匝数的选择决定着威力和精度的大小，但这并不意味着单位长度内匝数越多磁场越强，因为必须要考虑电阻的问题，匝数越多电阻越大，电流也随之减小，需要找到一个合适的平衡点。

同时必须注意到线圈实际上是一种电感，作为一种储能元件，需要考虑它的电感。空心线圈的电感量是一个经验公式：■

其中R为线圈半径，n为线圈匝数，S为线圈的截面积，h为线圈的长度。可见如果线圈长度过长，电感将迅速减小，影响线圈的储能。但弹丸加速路程是线圈长度的一半，h过短将影响弹丸的初速。因此线圈匝数及长度的选择需要仔细考虑。

从实践结果来看，第一级线圈前5层每层35圈，第6层15圈，之后的每一级线圈层数逐渐减小，匝数逐渐增多，这样的线圈效果比较良好，但由于材料等的不同，这个方案并不绝对，需要自行探索。每级线圈之间间隔大约为2cm，这个距离并不绝对，根据每一级的弹丸初速与电容的放电时间可作调整，中间用一个光电开关作为下一级的触发开关。

2.3 注意事项

制作时注意导线、管脚、焊接点等裸露在外的导电部分，用绝缘胶带加以包裹或用胶枪加以保护，使其尽量不外露、不相互接触，确保安全。

线圈属于电感元件，在电容放电后线圈会产生感应电动势阻碍原电流的减小，这是很危险的，因此需要利用二极管单向导通的特点回收部分感应电动势的能量，最好串联一个电阻保护二极管。

线圈炮的威力不可小觑，在实验时切不可炮口对人和玻璃等脆弱物体，防止受伤。在出现击发失败等情况电容电压较大且不可释放时，切不可盲目触碰防止触电，最好静置等待其电压自然下降。

2.4 改进思路

在射击精度方面，可采用将微型红外激光发射器固定在炮管上的形式进行瞄准，通过校靶的方式调整瞄准点的位置。但这种方法精度依然不高。如果改进子弹弹型，射击精度会有较大提升，比如用宽胶布在子弹上面缠一个尾翼，就像一个管子套在一个柱体上。通过实验后发现，平头弹最标准，效率也最高，稳定性优于尖头。可以考虑在炮管内增加膛线的方式使弹丸旋转，让弹丸在飞行过程中保持稳定的飞行姿态，以便提高射击精度。

3 电磁线圈炮的应用构想

大型的电磁炮在现实中已经在导弹发射等方面表现出卓越的性能，而微型线圈电磁炮毫无疑问在单兵手持武器方面有较大的潜能。便携式手持电磁炮如果可以研发作为一种单兵武器，广泛应用于战场，凭借其体积小、能量大、高效能等特点，相信会给战争带来别样的影响。

参考文献：

[1]王莹，肖峰.电炮原理[M].北京：国防工业出版社，1995.

[2]赵凯华.电磁学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3]王莹，马富学.新概念武器原理[M].北京：兵器工业出版社，1997.

[4]李三群.多级同步感应线圈炮的动态特性仿真[J].北京：高电压技术，2009.

[5]张朝伟.感应线圈炮的电枢受力分析[J].北京：高电压技术，2005.

[6]赵科义，李治源.单级感应线圈炮工作过程的动态仿真[J].北京：高电压技术，2008.

[7]王德满，谢慧才，刘亮，等.线圈炮（电磁同轴发射器）综述[J].西安：西安电子科技大学学报，1992（3）.