自控式电磁线圈炮

第24卷第lO期 2004年10月 物理实验 PHYSICSEXPERIMENTATION V01．24No．10 oct．．2004 自控式电磁线圈炮 王京1，肖 华1，何焰蓝2 (1．图防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073； 2．国防科学技术大学理学院，湖南长沙410073) 摘要：以交流电驱动电磁场为动力t结合直流电机与磁力天平理论的新成果．了线圈型电磁炮 关薯词：自控电磁炮}定位控流；多级加速 中圈分类号：0441 文献标识码：A 文章编号：1005·4642(2004)10-0043"05 1引言 随着科技的不断发展，各种新概念武器层出 不穷，现代战争理念发生了巨大的改变．例如隐形 飞机、电子干扰机以及反雷达导弹等．目前许多国 家正在研制的威力大、射程远的新动能武器—— 电磁炮也是其中一例，已公开成果中主要有2类： 一类是双轨加速，如图1所示．以轨道作为 导线，使用磁鼓技术激发的强电流脉冲产生强磁 场．炮弹在安培力(F=B／L)作用下产生加速度t T2 一J-．． 安培力的实际大小为F一弓}In等}(J为轨道电 oⅡ ， 流，a为弹体半径，r为导轨半径)．虽然此种方法 研制出的炮弹出膛速度较大，但缺点较多．要求电 流为106A以上，炮膛长度近10m，无法投入正式 使用． 圈1日制的轨道炮原理图 另一类是线圈加速炮，利用线圈磁场给弹体 加速． 美国一直在积极研制电磁炮项目．国防部计 划到2005财年演示的时候，要求制出样品的长度 不超过6m，产生的脉冲能量可使质量为3．5kg 的弹头达到2．5km／s的速度．在第一阶段中，先 后使用了磁鼓和磁盘技术来产生脉冲电源，但其 中没有一项技术能达到相应的要求． 2自控式电磁线圈炮设计原理 2．I磁动力加速原理 加速度的产生原理如图2所示 线圈 日f I＼＼＼＼＼＼l／ 电源 图2线圈加速原理图 当螺线管通电时，螺线管的内外就有了磁感 应线分布，其磁势分布为出人口高内部低，管外的 弹体(铁磁芯)被拉向中心．图3所示为线圈中弹 体受力和磁势的分布图．线圈中心弹体受力最大， 但磁势最低． 以简化模型来弹体所获得的能量．实验 采用81式子弹作弹体，且弹体弹芯为铁磁性物 质，因此，在恒定外磁场的作用下，可将其视为一 绕子弹中心轴为对称轴的圆电流体．子弹在螺线 管所产生的磁场中的受力分析可简化为通电圆线 圈之间的受力问题，此时子弹体线圈模型中的圆 收稿日期：2003—04-22}修改日期：2004‘06。23 作者简介：王京(1982--)，男，辽宁锦州人，国防科学技术大学电子科学与工程学院本科生． 指导教师：何焰蓝(1962一)，女，四川南充人，国防科学技术大学理学院剐教授，博士，研究方向为光学工程 万方数据 44 物理实验 第24卷 ／＼ 、厂 图3线圈磁势分布示意罔 电流的方向应该与螺线管中的圆电流的方向一 致，如图4所示． 螵线管模型瑙吒 第i圈 图4简化模型 首先考虑螺线管(半径为n)中第i圈电流环 对弹体(半径为r2)产生的作用．子弹体中心距螺 线管第i豳电流环中心的距离为R·t现考虑第i 圈电流环在弹体M：(O，0，r2)处并垂直于L方向 所产生的磁场分量，为简化设M-(rlco$口，一R。， r，sin8)为第i圈电流环上的一点，见图5．由毕奥 一萨伐尔定律可得B魄。一『2。出鱼毛掣(1) “以 j< 心I≯卜 y 图5电流方向示意图 其中s=v，弓忑磊百严干霹干石磊石百哥，则第i 圈电流环对整个弹体的作用力可由下式得到 F，一n。BM0r。∥ (2) JO ’ 当子弹由原点运动到螺线管时，第i圈电流 环对子弹所做的功，或者此时子弹所获得的动能 为 rR= E．一IRdy (3) J0 螺线管对子弹体做的总功为 Ⅳ Ⅳ=PE (4) 蒿 当弹体处于管中心时，控制电路切断电流，弹 体依靠惯性发射出去．因此解决电流通断时机是 本实验的关键． 2．2加速的自发控制原理 由于单级线圈通电过长时会产生大量的热， 如果单级线圈工作电流为J，线圈电阻为R，电流 作用时间为T，生成的热量Q=J2RT． 当f=2．5A，R=80n，T一200ms．则Q= 100J，很可能击穿线圈绝缘漆．若改为2级加速， i=2．5A，R=40n，T=100ms．则Q=25J．热量 大大减小了，能量利用率相对上升． 实验中采用多级亥姆霍兹线圈加速装置，如 图6所示．但当加速级超过2级时，由于电压、阻 力等因素，速度增加会有随机误差伴随，定时控流 很难达到要求，故而采用定位控流．定位控流是采 用双轨炮中的自发性地控制电流通断模式，加速 电路的连接如图7所示． 线圈1 线圈2 线圈3 图6加速级联原理图 螺线管 图7加速电路的连接 导轨连接控制电路，当弹体加速至线圈中心 时，即磁势最低的位置，如图8所示，触发控制开 关使线圈断电，导轨起了触发器的作用．弹体依靠 万方数据 第10期 王京．等：自控式电磁线圈炮 惯性进入下级线圈．由于控流简化，可轻易实 现多级加速．在各个线圈中部为轨道过渡带，弹体 到此位置时，由控制电路对加速作控制，建立起连 续的加速模式，控制电路如图9所示，流程图如图 10所示． n raill 、＼一乏∑厂＼——__r／ 中心控制点 图8加速定位控制图 笔≤E掣≥姜 ‰ n—————工——一工rail4 rail5 图10加速控制流程图 3 自控式电磁线圈炮设计计算 3．1几点假设 图9控稍电路图 1)子弹的磁化效应迅速到达饱磁性； 2)由于有限长度的线圈磁场在线圈外的分布 衰减很快，所以等效子弹从无穷远处来l 3)设弹体处于由螺线管产生的稳恒磁场中， 并被该磁场设为B，磁化，而由弹体磁化后产生 的磁感应强度为B：，应与B。等值反向[“． 3．2计算 设N。为螺线管线圈单位匝数，J·为螺线管 线圈内的电流。螺线管半径rl=O．015m，N1=20 000／m；子弹的有效半径r2—0．0045m，j2为子 弹磁化后的有效电流，由前面假设3)可知 B2=Bl=,uNl／2 可得 L=NI／2p。≈2I=10A 式中m一5000． 利用Matlab软件包源程序进行计算，核心源 万方数据 46 物理实验 第24卷 程序如下： functionf=fun(sita，1，r2，rl，i2，il) s=sqrt((sin(sita))．‘2+(r2。COSfsita)一 r1)．‘2+I．‘2)I f=rl*il*(r2一rl*sin(sita))．／s．‘3； functionres—cal(r2，rl，i2，il) T01=le--4； res=dblquad(@fun，0，2。pi，0。0．1。Tol。 []，r2，rl，i2，il)； disp(I-结果是：’，num2str(res)'1)； cal(0．005，0．01。5，lo) ans=0．399 单级线圈传输的动能为0．399J，由于假设弹 体与线圈的半径近似相等，实际传输动能数值比 此结果大．4级6线圈传输能量为2．394J，折合 为速度23．06m／s． 4实验分析 目前初级试验已完成4级加速线圈的设计制 作，这4级加速线圈可将81颗子弹以23m／s速 度射出(理论值)，线圈发热较低，并可实现连续发 射．目前共计试射2000余次，性能发挥稳定．线 圈外套有发射天线，加强电磁辐射．理论计算可产 生宽频谱的一定功率的电磁脉冲．我们在2000 多次的试射数据中任选了200多次试射数据用 Matlab软件进行统计分析得到图11，其中图11 (a)为线圈电压为50V时子弹出射速度的分布曲 线，平均速度大约为9m／s、图11(b)为线圈电压 为85V时子弹出射速度的分布曲线，平均速度大 约为12m／s．实验装置如图12所示．图13为子 弹穿透的铁板和泡沫． § 卜 0 5 lo i5 (a)U=50V 噙f 图11线圈电压为50V和85V时的稳定度曲线 图12整机实物膪 图13穿透的铁板和泡沫 如果用大型线圈组作为供电电源，并解决多 级线圈匹配问题，可制作成高速电磁炮，由于效率 较高，在同样电源条件下速度应超过5000m／s， 有望达到8000～9000m／s，可用于攻击卫星或 高速飞机．为解决导轨过长问题，可采用环行加 速．弹体在环形线圈中加速．速度达到最大时射 出．同样，也可制作小型线豳组，成为单兵武器．由 于不使用火药，因此可以长期使用(只需充电或更 换电池)．同时也大大提高了枪手的隐蔽性：无声。 无火光．杀伤力大，可成为良好的狙击枪，还可能 作为火箭的初级发射装置，为火箭节省大量燃料． 参考文献： [13HanitsehR，HameyerK．JournalofMagnetismand MagneticMaterials[M]．AmsterdamlNorth-Hol- land，1992．104～107． E23KrausJ D，FleisehD九EleetromagneticawithAp- plications[M]．BeiiiagtTsinghuaUniversityPressl NewYorktMcGraw-Hill，2001．178～181． E33张三慧．电磁学[M]．北京：清华大学出版杜，1999． 206～211． 7 6 5 4 3 2，O 万方数据 第10期 王京，等t自控式电磁线圈炮 47 Cybernationelectromagneticcanno WANGJin91，XIAOHual，HEYan-lan2 (I．ElectronicScienceCollege，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，Chinal 2．ScienceCollege，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China) Abstract：BasedolltheforceofelectromagneticfielddrivenbyAC，combinedwiththenewa— ehievementofDCengineandtheelectromagneticbalancetheory，thecybernationelectromagneticcan— noisdesigned，whiehhastheadvantagesofbetterefficiencyandreliableness，andwillbeusedasthe kineticenergyofnewconceptinwidefield． Keywords：cybernationelectromagneticcanno；fixationpositioncontrol；multilevelaccelarate (上接第42页) Effectsofauxiliaryprismonthehalf-shadowfieldofview CHENJin-xing，WANGChun-hua (DepartmentofPhysics，ChangshuInstituteofTechnology，Changshu215500，China) Abstract：Intheexperimentofmeasuringtherefractiveindexofliquidbyglancingincidence，aux— iliaryprismcanbeusedtoimprovetheclarityofthehalf-shadowfieldofview，andsoastoraisethe accuracyoftheexperiment．Theeffectsofdifferentauxiliaryprismonthefieldofviewareanalyzed anddiscussed． Keywords：refractiveindex；prism；half-shadowfieldofview 欢迎订阅欢迎投稿 《物理实验》创刊于1980年，是教育部主管、东北师范大学主办的学术期刊，是教育部物理学与天文 学教学指导委员会的会刊。 《物理实验》主要刊载物理实验成果，交流物理实验教学改革的新思想、新方法、新动态。开设的栏 目有：实验教学，物理实验与应用，数据处理与误差分析，仪器设计与使用，实验教学研究，基础教育研 究，实验技术与技巧，集锦，问题讨论，国外实验教学介绍等。适合于物理实验工作者，大、中学校的物理 教师、理工科的本科生、研究生及教学仪器研制人员阅读。 《物理实验》愿为广大作者提供交流信息的窗口，展示成果的园地，为广大读者提供丰富的精神食 粮。为广大仪器生产厂家提供展示成果的舞台。 《物理实验》杂志为月刊，全国各地邮局均可订阅，邮发代号12—44。若错过邮局订阅时间，可与编 辑部联系。 《物理实验'编辑部 万方数据 自控式电磁线圈炮 作者： 王京， 肖华， 何焰蓝 作者单位： 王京,肖华(国防科学技术大学,电子科学与工程学院,湖南,长沙,410073)， 何焰蓝(国防科 学技术大学,理学院,湖南,长沙,410073) 刊名： 物理实验 英文刊名： PHYSICS EXPERIMENTATION 年，卷(期)： 2004，24(10) 引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.Hanitsch R.Hameyer K Journalof Magnetism and Magnetic Materials 1992 2.Kraus J D.Fleisch D A Electromagnetics with Applications 2001 3.张三慧 电磁学 1999 相似文献(0条) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlsy200410015.aspx 下载时间：2010年3月20日