三級同軸線圈電磁炮模型的設(shè)計與制作①

胡德志 李海軍 王玉鑫 盧義發(fā) 呂 軍 黃東昌

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部,北京東燕郊 101601)

三級同軸線圈電磁炮模型的設(shè)計與制作①

胡德志②李海軍 王玉鑫 盧義發(fā) 呂 軍 黃東昌

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部,北京東燕郊 101601)

重點介紹了新一類的同軸線圈電磁炮的發(fā)展過程及特點,引入了渦流的原理改進了炮彈的設(shè)計,節(jié)約了相應(yīng)的制作成本,提高了炮彈的發(fā)射速度。同時,通過制作電磁炮的科技活動培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。關(guān)鍵詞：電磁炮;渦流;同軸線圈;創(chuàng)新能力

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,復(fù)合裝甲、高強度陶瓷裝甲、貧鈾裝甲的使用,以及爆炸反應(yīng)裝甲的出現(xiàn),大大提高了裝甲的抗毀能力,對破甲技術(shù)提出更高的要求。為此,人們在相繼研制出一系列新型破、穿甲戰(zhàn)斗武器的同時,也注重開發(fā)研究某些新概念超高速動能穿甲武器,電磁炮就是其中一種。本文重點研究了三級同軸線圈電磁炮的特點,在實際制作中引入了渦流的原理改進了炮彈的設(shè)計,節(jié)約了相應(yīng)的制作成本,提高了炮彈的發(fā)射速度。

1 電磁炮的由來發(fā)展

利用電磁力發(fā)射炮彈的歷史已有近百年。1917年,一位法國人首先提出利用電磁發(fā)射有翼炮彈的設(shè)想,但材料技術(shù)上存在很多瓶頸,一直未能實現(xiàn)。后來隨著脈沖功率技術(shù)學(xué)科的誕生和發(fā)展,與該領(lǐng)域相關(guān)的電磁發(fā)射技術(shù)才有了重大突破。70年代,澳大利亞國立大學(xué)的R ·A馬歇爾(Marshall)等人,用550MJ的單極發(fā)電機作電源和使用了等離子體電樞,在5m長的導(dǎo)軌上把3.3克重的聚碳酸酯炮彈加速到5.9 km/s[1][2]。從實驗上證明了電磁力能將較重的物體推進到超高速的可能性。這一實驗為電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了新紀元,為電磁炮武器的發(fā)展做出了劃時代的貢獻?，F(xiàn)在,各國都相繼開始研制屬于自己的電磁炮,對它的研究熱度不亞于當(dāng)年對原子彈的研究。當(dāng)前,美國已研制出艦艇載式電磁炮,預(yù)計在十年內(nèi)逐步推廣到艦艇上使用。

2 電磁炮的基本原理

電磁炮是利用物理學(xué)中運動電荷或載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力(洛倫茲力)作用的來加速彈丸的。根據(jù)加速方式,電磁炮可細分為軌導(dǎo)炮、線圈炮和重接炮。其中,線圈炮的特點尤為突出。它無接觸發(fā)射,可以克服軌道炮面臨的導(dǎo)軌燒蝕問題,可以加速炮彈,加速力施加在整個彈體長度上能量轉(zhuǎn)換率高。其關(guān)鍵技術(shù)在于保證激勵電流與導(dǎo)體的運動同步。設(shè)計制作的困難之處在于整個電路較為復(fù)雜。

線圈炮的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3],主要是感應(yīng)耦合的固定線圈、可動線圈、儲能器以及開關(guān)等組成。固定線圈安置在炮身上,可動線圈安裝在炮彈內(nèi)。固定線圈相當(dāng)于炮身,可動線圈相當(dāng)于彈丸。利用固定線圈與可動線圈之間互感時產(chǎn)生的電磁力作為彈丸的加速力。當(dāng)固定線圈接通電源時,可動線圈會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流,這時兩個線圈相當(dāng)于兩個電磁鐵,他們相互排斥,通過這個排斥力推動可動彈丸線圈加速射出。

圖1 一級線圈炮的結(jié)構(gòu)

由線圈的互感知識可知：彈丸所受的力可表示為：F=If＊Ip＊dM/dx,其中為洛倫茲力(N)、If為固定線圈中的電流強度(A)、Ip為彈丸線圈中的電流強度(A)、dM/dx為固定線圈與可動線圈的互感(H)、為互感梯度(H/m)。由上式可知,固定線圈中的感應(yīng)電流強度越大,彈丸線圈中的感應(yīng)電流強度就越大,彈丸所受的電磁力就越大。

通過多次實驗我們發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)三相交流電作為激勵電源,使用一級或二級的線圈炮發(fā)射速度較低沒有實用價值。因此,我們設(shè)計了三級線圈炮,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示[4]。炮筒上固定有三個線圈,依次將380 V的三相交變電流引進這些固定線圈中,在其內(nèi)部形成強大的磁場。具體步驟如下：先給一級線圈加交變電流,其他線圈不通電。由電磁感應(yīng)定律可知,在炮彈表面上產(chǎn)成強大的感生電流,該電流與一級線圈內(nèi)部電流的相位相反,產(chǎn)生互斥作用,推動彈體前進。作用力隨著距離的加大而迅速減小,當(dāng)炮彈離一級線圈距離超過電磁力作用范圍時,一級線圈對炮彈幾乎沒有推力作用,但這時炮彈正好進入二級線圈的作用范圍,再次獲得二級線圈施與的電磁力作用進一步加速,依次當(dāng)經(jīng)過三級線圈的加速后炮彈便獲得了較高的發(fā)射速度[5]。

3 電磁炮整體設(shè)計

3.1 炮身的設(shè)計

電磁炮的材料極為重要,主要因為電磁炮發(fā)射是在強脈沖電源條件下加速炮彈的,這就是的它的工作條件極為惡劣。所選材料要耐高溫、耐燒蝕。電磁炮舍去了傳統(tǒng)的炮管,炮筒用無縫鋼管,內(nèi)部采用超導(dǎo)線圈,通脈沖電流產(chǎn)生電磁感應(yīng)加速炮彈。外部用絕緣有機玻璃作屏障,起到絕緣作用,安全性得到保障。另外,我們在炮身底部還安裝數(shù)顯時間繼電器,可以大大提高系統(tǒng)的發(fā)射效率,增加系統(tǒng)的精確度(見圖2)。

圖2 電磁炮炮身

3.2 炮彈的設(shè)計

改變炮彈以往用線圈制作的常規(guī)理念,我們改用鐵磁質(zhì)來制作炮彈。由于加速線圈中電磁場的變化率較大,鐵磁質(zhì)表面會感應(yīng)產(chǎn)生強大的渦流Ip,大大提高了炮彈與加速線圈之間的作用力。同時,一般的鐵磁質(zhì)價格低廉,又降低我們的制作成本。我們設(shè)計的炮彈長為4.5cm,直徑為1.5cm,將中間挖空,形成一個子彈型圓柱體,重 40克。

3.3 底座的設(shè)計

使用鋼制底座支架。要求可以承載炮身的重量,保障其平穩(wěn)性、安全性,樣式美觀。底座的高度設(shè)計為1m。

3.4 炮靶的設(shè)計

炮靶是橡膠鋼板雙層靶,能有效防止炮彈因能量過大帶來的穿透現(xiàn)象,保證安全。用鋼管做成支架,支撐上面用雙層橡膠做的長方形靶。

4 實驗

4.1 實驗步驟

接通380V交變電流,把彈丸從炮身后端推入炮筒中,按下開關(guān),炮彈能順利發(fā)射出去。在無障礙物的條件下發(fā)射炮彈,測量炮彈發(fā)射的最遠射程。在電磁炮前方放置炮靶。不斷改變炮靶的位置和炮筒的仰角,測試不同的距離炮彈的飛行高度。

4.2 實驗結(jié)果

驗證了炮筒的仰角影響著炮彈的飛行速度及射程。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到軌跡圖(如圖3所示),仰角由28.6度變化到32.4度的過程中,炮彈的射程明顯提高,發(fā)現(xiàn)在32.4度時射程最遠為6.8米。

5 結(jié)語

通過對電磁炮這一新型軍事武器的探索,不僅提高了學(xué)生們對電磁發(fā)射技術(shù)的認識,還更深入的學(xué)習(xí)了電磁學(xué)的知識。在制作中學(xué)會了如何利用現(xiàn)有的知識大膽的創(chuàng)新,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。同時該電磁炮可以作為科技館或科技活動場所的展示產(chǎn)品,從而激發(fā)大眾學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的熱情,是提升大眾科學(xué)素養(yǎng)的一種有效手段?，F(xiàn)在,它作為我院物理教學(xué)的演示儀器,為低年級的學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)提供了模型,同時也為他們提供了進一步開發(fā)的平臺。

圖3 炮彈飛行軌跡模擬

[1] Rashleigh S C,Marshall R,A.Electromagnetic acceleration of macroparticles to high velocities. J.Appl.Phys,1978,49(4)：2540-2543

[2] 賈浩,沈金華.軌道炮：超高壓研究的一種新工具[C].第一屆全國高壓會議論文集,成都：1984：1-16

[3] 黃強,郭東橋,卞光榮.電磁炮的原理與技術(shù)發(fā)展[J].現(xiàn)代物理知識,2007,19(1)：43

[4] 黃瑩,趙佳.電磁炮的基本原理及在軍事上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識,2004,16(6)：38

[5] 劉廷賢.發(fā)展中的電磁炮[J].大學(xué)物理, 1998,17(4)：44

The Design and Process of the coaxial coil gun in the three stages

HU Dezhi,L I Haijun,WANG Yuxing,LU Yifa,LV Jun,HUANG Dongchang

(Depar tment of basic Courses,North China Institute of science and technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

This paper introduced the development history of the electromagnetic gun and the characters of the novel coil gun.It imports the eddy currentmechanis m in the design of gun that decreased the production cost.However,it t increased the launch speed.Bymaking the model,the students improve their innovation ability.

Electromagnetic gun;Eddy current;Coaxial coil;Innovation ability

T M153+.3

A

1672-7169(2010)01-0085-03

2009-12-01

胡德志(1980-),男,湖北潛江人,華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部講師,長期從事大學(xué)物理和物理實驗的教學(xué)及科研工作。