微型電磁線圈炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡冬如 毛桂平 曹靖?jìng)? 張珂 張鵬

摘要：本文通過(guò)對(duì)電磁線圈炮原理的分析以及電磁線圈炮工作過(guò)程的解析，系統(tǒng)闡述現(xiàn)階段微型電磁線圈炮的理論發(fā)展等，并在此基礎(chǔ)上，研究微型線圈炮的具體制作方法，展望微型電磁線圈炮在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)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.

關(guān)鍵詞：電磁炮；小型化；高新技術(shù)；新概念武器裝備

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0156-03

0 引言

隨著世界高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，武器的更新?lián)Q代越來(lái)越快，其發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)從普通的熱武器向新概念武器轉(zhuǎn)化。面對(duì)世界格局的新變化，我軍建設(shè)邁進(jìn)了一個(gè)新的歷史時(shí)期，發(fā)展現(xiàn)代技術(shù)和裝備是歷史賦予我們的使命和責(zé)任。

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)動(dòng)能殺傷武器，它利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力對(duì)金屬?gòu)椡柽M(jìn)行加速，使其獲得打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能。與傳統(tǒng)的火藥推動(dòng)的發(fā)射器相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

而作為新概念武器裝備，在實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能后，將電磁炮實(shí)現(xiàn)小型化，最終成為一種單兵武器的構(gòu)想逐漸受到重視。本文將從原理、工作過(guò)程和應(yīng)用構(gòu)想等方面系統(tǒng)闡述微型電磁線圈炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 同軸電磁線圈炮的原理及工作過(guò)程

廣義上講，所有驅(qū)動(dòng)部分由線圈構(gòu)成的電磁發(fā)射器都可稱為線圈炮。所謂的線圈炮，一般是指使用脈沖或交變電流產(chǎn)生磁行波來(lái)驅(qū)動(dòng)帶有線圈的彈丸或磁性材料彈丸的發(fā)射裝置，它利用驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸間的磁耦合機(jī)制工作，本質(zhì)上是一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)。

1.1 同軸線圈炮的原理

其中0真空磁導(dǎo)率是常數(shù)，其值為？滋0=4？仔×10-7N·A-2，n為線圈的匝數(shù)，I為流過(guò)線圈的電流（圖1中為單向電流流過(guò)螺線圈內(nèi)部磁場(chǎng)）。

而彈丸受到的電磁力

F=（B÷5000）2×S

其中B為磁通密度，S為與磁通密度正交的面積，可見(jiàn)磁場(chǎng)密度越強(qiáng)，彈丸垂直于磁場(chǎng)的面積越大，彈丸受到的磁力就越大。

但如果線圈中只有持續(xù)的恒定電流通過(guò)，彈丸只會(huì)在線圈中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要在彈丸減速前切斷或減弱對(duì)線圈的供電，這就涉及到電路的控制問(wèn)題，最簡(jiǎn)潔有效的方法是計(jì)算合適的電容量，使電容的放電時(shí)間接近彈丸運(yùn)動(dòng)到線圈中點(diǎn)的時(shí)間，彈丸就會(huì)在慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)發(fā)射出去。

1.2 同軸線圈炮的設(shè)計(jì)與工作過(guò)程

同軸線圈炮是國(guó)內(nèi)最受歡迎的電磁炮。按充電方法分有電池供電和市電供電兩種，按級(jí)數(shù)分有單級(jí)和多級(jí)兩種，考慮到便攜性、制作的簡(jiǎn)易性和安全性，這里選用電池供電。

1.2.1 同軸電磁炮的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，同軸線圈炮主要由電源，升壓模塊，儲(chǔ)能電容，同軸線圈，控制開(kāi)關(guān)，擊發(fā)裝置等組成。電源是電磁炮的供能裝置，可以使用市電等交流電，也可以使用電池等直流電源。升壓模塊將電源較低的電壓轉(zhuǎn)換為高電壓并整流用以給儲(chǔ)能電容充電，如果是市電供電可以不升壓，但任然需要整流。儲(chǔ)能電容用以儲(chǔ)存電能和向線圈釋放電能，可以并聯(lián)來(lái)增加容量。控制開(kāi)關(guān)控制充電與擊發(fā)的時(shí)機(jī)，可以選用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，也可以是光電開(kāi)關(guān)等自動(dòng)開(kāi)關(guān)。擊發(fā)裝置用以儲(chǔ)存彈丸并將彈丸推至發(fā)射初始位置，提供初始動(dòng)能，如果是手動(dòng)放置彈丸，此裝置可以省略。

1.2.2 單級(jí)線圈炮的設(shè)計(jì)與工作過(guò)程

如圖3所示，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)K1向下接通升壓模塊正極，充能電容開(kāi)始充電，首次充電電容相當(dāng)于短路，電流較大，可以采取斷續(xù)充電，防止擊穿。充電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，控制電容電壓在420V以下為宜，否則容易燒壞升壓模塊。當(dāng)K1向上接通，電路處于待發(fā)狀態(tài)，由于可控硅開(kāi)關(guān)的阻礙，電容不能向線圈放電。將彈丸置于線圈進(jìn)入端，按下?lián)舭l(fā)開(kāi)關(guān)K2，電池通過(guò)保護(hù)電阻給予可控硅開(kāi)關(guān)觸發(fā)級(jí)正電勢(shì)，可控硅開(kāi)關(guān)被激發(fā)接通，電容開(kāi)始給線圈通電擊發(fā)彈丸。

升壓模塊選用共地型DC--DC升壓器（如圖4），用來(lái)將7.5V-12V的直流低壓轉(zhuǎn)換成450V的直流高壓，連續(xù)使用時(shí)需要注意散熱問(wèn)題，切不可使輸出端短路。這里必須注意升壓器額定的輸入和輸出電壓必須與直流電源和電容的額定電壓匹配，否則容易損壞?？梢岳梦⑿屠^電器添加高壓關(guān)斷功能提高安全性，防止持續(xù)充電損壞升壓器和電容。

1.2.3 多級(jí)線圈炮的設(shè)計(jì)與工作過(guò)程

多級(jí)線圈炮是在單級(jí)基礎(chǔ)上增加了額外的線圈和電容，它們共用升壓模塊的輸出端，升壓模塊選用共陰極也是方便為多級(jí)拓展提供標(biāo)準(zhǔn)接口。彈丸將在多級(jí)線圈中逐級(jí)加速，第一級(jí)開(kāi)關(guān)由手動(dòng)觸發(fā)，之后的每一級(jí)則需要自動(dòng)觸發(fā)?？梢岳醚訒r(shí)電路計(jì)算好彈丸到達(dá)時(shí)間來(lái)啟動(dòng)，但這樣對(duì)延時(shí)時(shí)間精度要求較高，這里選用光電開(kāi)關(guān)來(lái)控制。光電開(kāi)關(guān)位于每一級(jí)線圈之前，當(dāng)彈丸通過(guò)時(shí)接通擊發(fā)電路實(shí)現(xiàn)加速，這要求彈丸長(zhǎng)度不能過(guò)短，否則光電開(kāi)關(guān)難以識(shí)別。

2 同軸線圈炮的實(shí)現(xiàn)

2.1 材料選擇

考慮安全因素與所需功率因素，建議采用如下主要材料進(jìn)行制作：電源開(kāi)關(guān)，擊發(fā)開(kāi)關(guān)（自復(fù)位開(kāi)關(guān)）、整流二極管（IN4007）、儲(chǔ)能電容（330-450V，200-2000UF鋁電解電容）3組、共陰極升壓器一個(gè)（自帶整流，7.5-12V轉(zhuǎn)450V）、可控硅開(kāi)關(guān)（70TPS12或70TPS16）、光電開(kāi)關(guān)、漆包線線圈、電源（12V，10A）、發(fā)射管1根（內(nèi)徑4-10毫米，管壁薄、硬，不導(dǎo)電的為宜，長(zhǎng)度根據(jù)級(jí)數(shù)適度）、電阻若干、導(dǎo)線若干。

由于電容對(duì)線圈放電時(shí)電流可以達(dá)到幾百至上千安培，用普通的空氣開(kāi)關(guān)作為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)是危險(xiǎn)的，所以這里選用可控硅開(kāi)關(guān)，利用低壓電路來(lái)控制高壓電路，也因此需要設(shè)計(jì)額外的觸發(fā)電路。

2.2 線圈的制作

在制作線圈時(shí)，匝數(shù)的選擇決定著威力和精度的大小，但這并不意味著單位長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù)越多磁場(chǎng)越強(qiáng)，因?yàn)楸仨氁紤]電阻的問(wèn)題，匝數(shù)越多電阻越大，電流也隨之減小，需要找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。

同時(shí)必須注意到線圈實(shí)際上是一種電感，作為一種儲(chǔ)能元件，需要考慮它的電感?？招木€圈的電感量是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：■

其中R為線圈半徑，n為線圈匝數(shù)，S為線圈的截面積，h為線圈的長(zhǎng)度?？梢?jiàn)如果線圈長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，電感將迅速減小，影響線圈的儲(chǔ)能。但彈丸加速路程是線圈長(zhǎng)度的一半，h過(guò)短將影響彈丸的初速。因此線圈匝數(shù)及長(zhǎng)度的選擇需要仔細(xì)考慮。

從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，第一級(jí)線圈前5層每層35圈，第6層15圈，之后的每一級(jí)線圈層數(shù)逐漸減小，匝數(shù)逐漸增多，這樣的線圈效果比較良好，但由于材料等的不同，這個(gè)方案并不絕對(duì)，需要自行探索。每級(jí)線圈之間間隔大約為2cm，這個(gè)距離并不絕對(duì)，根據(jù)每一級(jí)的彈丸初速與電容的放電時(shí)間可作調(diào)整，中間用一個(gè)光電開(kāi)關(guān)作為下一級(jí)的觸發(fā)開(kāi)關(guān)。

2.3 注意事項(xiàng)

制作時(shí)注意導(dǎo)線、管腳、焊接點(diǎn)等裸露在外的導(dǎo)電部分，用絕緣膠帶加以包裹或用膠槍加以保護(hù)，使其盡量不外露、不相互接觸，確保安全。

線圈屬于電感元件，在電容放電后線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙原電流的減小，這是很危險(xiǎn)的，因此需要利用二極管單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)回收部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能量，最好串聯(lián)一個(gè)電阻保護(hù)二極管。

線圈炮的威力不可小覷，在實(shí)驗(yàn)時(shí)切不可炮口對(duì)人和玻璃等脆弱物體，防止受傷。在出現(xiàn)擊發(fā)失敗等情況電容電壓較大且不可釋放時(shí)，切不可盲目觸碰防止觸電，最好靜置等待其電壓自然下降。

2.4 改進(jìn)思路

在射擊精度方面，可采用將微型紅外激光發(fā)射器固定在炮管上的形式進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過(guò)校靶的方式調(diào)整瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置。但這種方法精度依然不高。如果改進(jìn)子彈彈型，射擊精度會(huì)有較大提升，比如用寬膠布在子彈上面纏一個(gè)尾翼，就像一個(gè)管子套在一個(gè)柱體上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，平頭彈最標(biāo)準(zhǔn)，效率也最高，穩(wěn)定性優(yōu)于尖頭。可以考慮在炮管內(nèi)增加膛線的方式使彈丸旋轉(zhuǎn)，讓彈丸在飛行過(guò)程中保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，以便提高射擊精度。

3 電磁線圈炮的應(yīng)用構(gòu)想

大型的電磁炮在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)在導(dǎo)彈發(fā)射等方面表現(xiàn)出卓越的性能，而微型線圈電磁炮毫無(wú)疑問(wèn)在單兵手持武器方面有較大的潛能。便攜式手持電磁炮如果可以研發(fā)作為一種單兵武器，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，憑借其體積小、能量大、高效能等特點(diǎn)，相信會(huì)給戰(zhàn)爭(zhēng)帶來(lái)別樣的影響。

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