車載電磁炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹靖偉 張珂 毛桂平 蔡冬如 張鵬

摘要：在分析理解電磁線圈炮的原理及工作過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今武器裝備發(fā)展現(xiàn)狀，通過車載方式使電磁線圈炮實(shí)現(xiàn)移動(dòng)打擊與快速機(jī)動(dòng)。本文從設(shè)計(jì)、制作和性能三個(gè)方面介紹如何實(shí)現(xiàn)電磁炮射擊、移動(dòng)與遠(yuǎn)程操控，從而更好應(yīng)用在戰(zhàn)場上。

Abstract： Based on the analysis and understanding of the principle and working process of the electromagnetic coil gun， combined with the present situation of the development of weapon equipment， the electromagnetic coil gun can be used to realize mobile strike and fast maneuver. This paper introduces how to achieve electromagnetic gun shooting， moving and remote control from three aspects of design， production and performance， so as to better apply to the battlefield.

關(guān)鍵詞：電磁炮；車載；高新技術(shù)；武器裝備

Key words： electromagnetic artillery；vehicle；high technology；weaponry

中圖分類號(hào)：U671.91+6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）27-0160-05

0 引言

隨著世界新技術(shù)革命的蓬勃發(fā)展，高新技術(shù)越來越多的融入到武器運(yùn)用中。現(xiàn)階段武器裝備的更新?lián)Q代越來越快，其發(fā)展趨勢已經(jīng)從普通的熱武器向高技術(shù)兵器轉(zhuǎn)化。面對(duì)世界格局的新變化，各國都展開對(duì)新概念武器裝備的軍備競賽。電磁發(fā)射是一種全新概念的發(fā)射方式，電磁線圈炮在軍事領(lǐng)域有著巨大的潛在優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。電磁炮作為新概念武器之一，具有能量高、無污染、性能好等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注。電磁線圈炮是指通過電磁感應(yīng)原理，利用電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，進(jìn)而利用安培力加速載荷并發(fā)射的技術(shù)。與傳統(tǒng)依靠工質(zhì)膨脹做工驅(qū)動(dòng)載荷運(yùn)動(dòng)的發(fā)射方式相比，電磁軌道炮可將載荷加速至極高速度，加速過程更加平穩(wěn)，且速度和加速度可任意調(diào)控，而且它使用的能源從火藥轉(zhuǎn)變?yōu)楦忧鍧嵖煽康碾娔?，大大降低了成本和維護(hù)難度，提高了安全性和機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)還具有能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、安全性高等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的軍事應(yīng)用潛力。

本文采用車載的方式實(shí)現(xiàn)電磁線圈炮的移動(dòng)，同時(shí)增加遠(yuǎn)程終端控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載的移動(dòng)和電磁線圈炮的遠(yuǎn)程操作以及部分附加功能，使其具備更加完善的性能。

1 車載同軸電磁線圈炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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)線圈和彈丸線圈間的磁耦合機(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

在電磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度，其中0真空磁導(dǎo)率是個(gè)常數(shù)，其值為，n為線圈的匝數(shù)，I為流過線圈的電流（圖1中為單向電流流過螺線圈內(nèi)部磁場）。

炮彈受到的電磁力，其中B為磁通密度，S為與磁通密度正交的面積，可見磁場密度越強(qiáng)，炮彈垂直于磁場的面積越大，炮彈收到的磁力越大。

如果線圈有持續(xù)的恒定電流通過，炮彈只會(huì)在線圈中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要計(jì)算合適的電容量，使電容的放電時(shí)間接近炮彈運(yùn)動(dòng)到線圈重點(diǎn)的時(shí)間，炮彈才能在慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 同軸線圈炮的設(shè)計(jì)和工作過程

本文采用二級(jí)同軸線圈炮作為車載武器模型（圖2為二級(jí)同軸線圈炮的電路圖），這是綜合考量線圈炮的威力要求以及小車載重要求所得到的比較合適的級(jí)數(shù)。單級(jí)電磁炮對(duì)于彈丸的選擇彈性較但威力較小，射程不過1-2米；三級(jí)及以上級(jí)數(shù)的電磁線圈炮由于電容等配件的增加，重量已經(jīng)影響到了小車的機(jī)動(dòng)性，如果有性能更加優(yōu)秀的小車可以考慮增加級(jí)數(shù)來增加射程及威力。

電磁線圈炮擁有與小車電源獨(dú)立的直流電源，電壓以7.5V-12V為宜，可通過DC--DC升壓模塊將其升壓至450V給電容模塊充電，注意首次充電相當(dāng)于短路，需要斷續(xù)充電防止電流過大燒壞升壓模塊，電容電壓最好不超過420V以保證安全性和穩(wěn)定性，每一級(jí)線圈有獨(dú)立的電容模塊。線圈通過可控硅開關(guān)并聯(lián)在電容兩端，可控硅開關(guān)的激發(fā)級(jí)分別由繼電器開關(guān)K2和光電開關(guān)控制連接在直流電源正極，光電開關(guān)位于第二級(jí)線圈之前。

通過遠(yuǎn)程控制繼電器開關(guān)K1閉合，升壓模塊開始工作給電容充電，達(dá)到一定電壓關(guān)閉K1，此時(shí)線圈炮處于待發(fā)狀態(tài)?？刂评^電器開關(guān)K2閉合，第一級(jí)線圈回路中的可控硅開關(guān)被接通，電容開始對(duì)線圈放電將線圈中的彈丸加速打出。彈丸經(jīng)過光電開關(guān)兩個(gè)二極管之間時(shí)光電開關(guān)被接通，使得第二級(jí)線圈回路中的可控硅開關(guān)接通，電容模塊對(duì)第二級(jí)線圈放電使彈丸繼續(xù)加速射出。

由于線圈實(shí)際上是一種電感，在電容放電后線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢阻礙原電流的減小，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)勢的能量，最好串聯(lián)一個(gè)電阻保護(hù)二極管。

本文利用電磁原理、單片機(jī)技術(shù)以及各種驅(qū)動(dòng)裝置制作一臺(tái)可以移動(dòng)的電磁炮（如圖3、圖4）。下面將著重講解其原理與構(gòu)造。

2 同軸線圈炮的實(shí)現(xiàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用兩級(jí)線圈炮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，介于考慮安全因素與所需功率因素，采用如下材料進(jìn)行設(shè)計(jì)制作：電源開關(guān)（繼電器開關(guān)）2個(gè)、整流二極管（IN4007）3個(gè)、儲(chǔ)能電容（330～450V，200～2000UF鋁電解電容）2組、共陰極升壓器一個(gè)（自帶整流）、可控硅（70TPS12或70TPS16）2個(gè)、光電開關(guān)1個(gè)、漆包線線圈（2個(gè)）、電源（12V 10A）、發(fā)射管（內(nèi)徑4-10毫米，管壁薄，硬，不導(dǎo)電的為宜）20厘米左右1根、100Ω電阻若干、導(dǎo)線若干。

由于導(dǎo)線、漆包線等部分裸露在外，用絕緣膠帶加以包裹，使其不漏點(diǎn)，確保安全（如圖5電磁炮實(shí)物圖）。

電容對(duì)線圈放電時(shí)電流可以達(dá)到幾百至上千安培，用普通的空氣開關(guān)作為啟動(dòng)開關(guān)是危險(xiǎn)的，這里選用可控硅開關(guān)，但需要設(shè)計(jì)額外的觸發(fā)電路。

在制作線圈時(shí)，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)光電開關(guān)作為下一級(jí)的觸發(fā)開關(guān)。

在射擊精度方面，采用將紅外激光固定在炮管上的形式進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過校靶的方式調(diào)整瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置。但這種方法的電磁炮精度不高，如果改進(jìn)一下子彈彈型后，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。通過實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：平頭彈最標(biāo)準(zhǔn)，效率也最高，均優(yōu)于尖頭其次。下一步將在炮管內(nèi)增加膛線的方式使彈丸旋轉(zhuǎn)，讓彈丸在飛行過程中保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，以便提高射擊精度。

3 車載部分材料與模塊型號(hào)選擇和設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于小車設(shè)計(jì)而言，采用五大部分設(shè)計(jì)，其中包括有最小控制系統(tǒng)、上位機(jī)、無線路由、驅(qū)動(dòng)模塊、電源電路等（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示）。

通過圖6可以看出，電源為系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電，單片機(jī)最小控制系統(tǒng)通過接收路由器模塊發(fā)來的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)各個(gè)模塊的控制，單片機(jī)最小控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)控制中心使各個(gè)模塊進(jìn)行相互協(xié)調(diào)工作。

3.2 核心模塊的選擇與設(shè)計(jì)

通過對(duì)比研究各單片機(jī)的性能，最終選用STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)是由我國宏晶科技公司自行生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，其具有高速、低功耗、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，是新一代8051單片機(jī)。其指令代碼、管腳不但完全兼容傳統(tǒng)8051系列單片機(jī)，而且其片內(nèi)具有基于FLASH工藝的大容量程序存儲(chǔ)器，用戶可以直接用電的方法瞬間擦除、改寫。運(yùn)行速度要比傳統(tǒng)單片機(jī)塊8-12倍。雖然其功能簡單，對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求也很低，但是基本上可以達(dá)到本課題的功能要求。

本設(shè)計(jì)下位機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片為STC12C5A60S2，最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖7所示，整個(gè)最小系統(tǒng)電路由上電復(fù)位電路、晶振電路和STC12C5A60S2芯片組成。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

本實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)電機(jī)交叉使用，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的控制。通過研究對(duì)比，采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。L298N芯片是意法半導(dǎo)體公司（全世界最大半導(dǎo)體公司之一）生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其內(nèi)部集成有兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，L298N是15跟引腳的直插型芯片。采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，其主要特點(diǎn)有：工作電壓高，一般在3-46V；額定功率為25W，輸出電流大，電流峰值瞬間可達(dá)到3A；每個(gè)H橋可以持續(xù)的提供2A工作電流。該芯片不僅可以作為一臺(tái)兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，還能夠直接驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的需要要求。

本次設(shè)計(jì)底部采用履帶式支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)用四個(gè)直流電機(jī)為整個(gè)小車提供動(dòng)力，并讓左邊兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)共同驅(qū)動(dòng)，右邊兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)共同驅(qū)動(dòng)，減少模塊的使用，加強(qiáng)小車的平穩(wěn)性。

3.4 路由器的選擇

對(duì)于路由器的選擇，考慮到價(jià)格、體積以及負(fù)載等方面因素，最終決定采用Robot-LinkWIFI模塊。Robot-LinkWIFI模塊是深圳市小二極客科技有限公司自行研發(fā)的WIFI產(chǎn)品。該模塊采用高通AR9331作為主控芯片，其內(nèi)置有廠家專有固件，支持視頻傳輸及數(shù)據(jù)指令的雙向傳送功能。最大無線傳輸率可以達(dá)到150Mpbs，模塊使用協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11n/g/b協(xié)議。采用5V外部電壓供電并提供USB數(shù)據(jù)線和手機(jī)適配器兩種供電模式，其配備有32M的內(nèi)存，4M的FLASH內(nèi)存，調(diào)試接口齊全，大大滿足了電子愛好者、DIY愛好者的需求。接口：1USB2.0、1MicroUSB（電源接口），可用排針引出的內(nèi)置TTL端口及一個(gè)Reset按鍵。

路由器模塊主要用來接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)指令，并把數(shù)據(jù)指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再以TTL電平的方式傳送給單片機(jī)。

3.5 電源電路的選擇

STC12C5A60S2最小系統(tǒng)的正常工作電壓在3.5-5.5V之間，無線路由器在正常運(yùn)行時(shí)需要5V的電源供電，直流電機(jī)則需要5-10V之間的電源供電，根據(jù)這些模塊的供電需求，決定采用兩個(gè)串聯(lián)單節(jié)3.7V的二次鋰電池通過XL4015降壓輸出穩(wěn)定5V電壓為他們供電，而無線路由器則單獨(dú)采用5V移動(dòng)電源經(jīng)過USB為其供電。

本設(shè)計(jì)把供電電源分為兩部分，一個(gè)是兩節(jié)3.7V鋰電池的串聯(lián)組合，另一個(gè)是移動(dòng)電源。其中兩節(jié)串聯(lián)3.7V鋰電池經(jīng)過XL4015降壓模塊輸出穩(wěn)定5V電壓，為單片機(jī)、舵機(jī)以及直流電機(jī)進(jìn)行供電，移動(dòng)電源通過USB獨(dú)立為路由器模塊進(jìn)行供電。XL4015可調(diào)降壓電路圖如圖8所示。

3.6 上位機(jī)開發(fā)語言的選擇

根據(jù)所學(xué)知識(shí)與運(yùn)用情況，決定選擇C#語言，，它秉承了C和C++的強(qiáng)大功能同時(shí)優(yōu)化它們存在的復(fù)雜性，并結(jié)合運(yùn)用了VB的可視化圖形操作用戶界面和C++的高速運(yùn)行效率的優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)選擇在C#語言框架下的Windows窗體應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。在Windows應(yīng)用程序窗體中添加本設(shè)計(jì)所需的控件，設(shè)計(jì)好控件的分布結(jié)構(gòu)，然后在各個(gè)控件中編寫相應(yīng)的代碼，設(shè)定好通信串口和與下位機(jī)的通信協(xié)議。這樣基本完成上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。

3.7 其他附件的選擇

在本課題設(shè)計(jì)中，攝像頭模塊主要負(fù)責(zé)采集高清視頻圖像信息，通過路由器的SOCKET服務(wù)將采集到的高清視頻圖像信息進(jìn)行打包，并傳到上位機(jī)上。點(diǎn)擊提前設(shè)置好的“開啟攝像頭”控件，上位機(jī)界面上的視頻窗口就會(huì)顯示攝像頭采集到的視頻畫面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸功能。最終采用USB無驅(qū)高清攝像頭。

在舵機(jī)云臺(tái)的選擇中，使用SG90小型舵機(jī)，采用兩個(gè)舵機(jī)疊加的方式實(shí)現(xiàn)二自由度轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主函數(shù)流程圖

本次程序設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)兩大部分，每部分又由各個(gè)子程序模塊組成。上位機(jī)軟件程序需要基于車載小車的功能進(jìn)行開發(fā)，以C#語言為基礎(chǔ)，主要包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)、視頻傳輸?shù)取?/p>

單片機(jī)軟件程序大致分為三大部分：主函數(shù)、串口接收中斷函數(shù)和數(shù)據(jù)指令解碼。主函數(shù)流程圖如圖9所示。

4.2 上位機(jī)C#程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)是在Visual Studio 2012集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的，并采用 C#語言結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行編程的，大致的編程設(shè)計(jì)過程如下：第一步：先在VS2012集成環(huán)境下創(chuàng)建一個(gè)基于C#框架上的窗體開發(fā)項(xiàng)目。第二步：在Form窗體中添加本設(shè)計(jì)所用到的控件。第三步：在每個(gè)控件中編寫相應(yīng)的指令代碼。第四步：設(shè)定好與WiFi模塊的通信協(xié)議。第五步：聯(lián)合調(diào)試。

5 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)測量及誤差分析

5.1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)測量

在實(shí)驗(yàn)中，分別在距離胸環(huán)靶靶心1米、5米、10米、15米處各射擊10枚炮彈，看擊中胸環(huán)靶的環(huán)數(shù)，測量精確度并繪制表格（如表1所示）。

第二次實(shí)驗(yàn)中，讓小車以0.3m/s的速度前進(jìn)，以同樣方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量精確度并繪制表格（如表2所示）。

第三次實(shí)驗(yàn)中，讓小車以0.3m/s的速度后退，以同樣方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量精確度并繪制表格（如表3所示）。

5.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在擊發(fā)后的彈丸是以縱向旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)向前運(yùn)動(dòng)，這是影響射擊精度的原因之一；其次，在校靶后的射擊中，彈丸多集中在靶紙下方且彈丸大多橫向打到靶紙；第三，射擊五次左右需要重新校靶才能保證原有射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)在靶心處；在移動(dòng)射擊中，射擊精度會(huì)降低很多，但向前運(yùn)動(dòng)時(shí)精度高于向后運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度。

由于彈膛內(nèi)沒有膛線，無法使彈丸賦旋，導(dǎo)致彈丸射出后運(yùn)動(dòng)不規(guī)則；彈丸射出后，由于重力影響，會(huì)使彈丸向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致彈丸大多集中在瞄準(zhǔn)點(diǎn)下方；由于彈丸后坐力較大，射出后炮管會(huì)有輕微抖動(dòng)，導(dǎo)致激光偏離原來瞄準(zhǔn)位置，所以在射擊一定次數(shù)后，要重新進(jìn)行校靶。

6 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)已初步實(shí)現(xiàn)電磁炮的移動(dòng)射擊和遠(yuǎn)程操控，并能夠以視頻傳輸?shù)姆绞綌[脫傳統(tǒng)射擊方法，但在實(shí)驗(yàn)中存在炮彈初速不足，易損失射速等缺陷，擬在下次實(shí)驗(yàn)中，在炮管中增加膛線來解決類似問題。在車載電磁炮的整體設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)考慮不足，無法實(shí)現(xiàn)炮彈的自動(dòng)進(jìn)彈和連續(xù)射擊，在以后實(shí)驗(yàn)中望能夠加以彌補(bǔ)，使實(shí)驗(yàn)更加完善。

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