模擬電磁曲射炮的設(shè)計(jì)

尤麗萍

（泉州信息工程學(xué)院，福建泉州，362000）

0 引言

模擬電磁曲射炮是運(yùn)用電磁發(fā)射技術(shù)的曲射炮，其本質(zhì)是一種電磁炮。模擬電磁曲射炮是兼具電磁炮和曲射炮優(yōu)勢(shì)的新型武器，利用電磁能驅(qū)動(dòng)，發(fā)射彈丸對(duì)目標(biāo)進(jìn)行曲線射擊，目前世界上對(duì)電磁曲射炮的研究基本上以電磁軌道式曲射炮和電磁線圈式曲射炮居多。

相較于傳統(tǒng)火炮，電磁炮的優(yōu)勢(shì)具有更高的能量、更好的可控性、更清潔的能源等優(yōu)點(diǎn)。曲射炮并非發(fā)射結(jié)構(gòu)彎曲，而是指對(duì)打擊目標(biāo)實(shí)施曲線射擊的火炮，其彈道為曲線，與之相對(duì)的是彈道幾乎呈直線的直射炮。曲射炮具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，射擊盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，還因其機(jī)動(dòng)性優(yōu)良而常常作為隨步兵作戰(zhàn)的武器之一。[1]

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1 電磁發(fā)射的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

目前世界上所有的發(fā)射方式都可以歸結(jié)為三類：即機(jī)械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射以及電磁能發(fā)射。機(jī)械能發(fā)射實(shí)質(zhì)上就是早期人類所使用的投擲器或是冷兵器時(shí)代的投石車及弓箭，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，將具有彈性的繩索或竹片等物體擰緊或拉緊，使之具有彈性勢(shì)能，之后靠瞬間釋放的彈性勢(shì)能來發(fā)射物體。[2]但機(jī)械能發(fā)射最大的限制就在于被發(fā)射物體的質(zhì)量無法做到很高，射速和射程也通常不過幾百米。[3]火藥發(fā)明之后，化學(xué)能長(zhǎng)期統(tǒng)治著人類文明歷史中的發(fā)射技術(shù)，它能夠?qū)⒈话l(fā)射物體的射程提高到數(shù)公里至數(shù)十公里，發(fā)射速度也能達(dá)到幾十公里每小時(shí)的量級(jí)，這是機(jī)械能發(fā)射技術(shù)所望塵莫及的。但化學(xué)燃料的爆燃也存在很多不可控因素，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，對(duì)存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用都提出了嚴(yán)苛的要求；同時(shí)化學(xué)爆燃所產(chǎn)生的氣體對(duì)環(huán)境造成了污染，爆燃產(chǎn)生的炮口火焰以及后坐力，也對(duì)被發(fā)射物體打擊目標(biāo)的精確度產(chǎn)生了極大地影響。[4]而相較于化學(xué)能發(fā)射，電磁能發(fā)射在許多方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，從環(huán)境角度來說，電磁能源更加清潔，發(fā)射時(shí)幾乎無煙塵、無炮口火焰；從改善發(fā)射性能來看，電磁發(fā)射后坐力更小，有利于提高發(fā)射精度，就目前研究成果來看，電磁能發(fā)射可以承載質(zhì)量更大的物體，也能使其發(fā)射速度提高到幾公里每秒的量級(jí)，射程也可以更遠(yuǎn)。[5]

1.2 功能要求

本設(shè)計(jì)選用線圈式電磁炮為研究對(duì)象，就改善目前現(xiàn)有電磁炮的不足，設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)小型線圈式電磁炮[6]。其將具有以下功能：

（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)模擬電磁曲射炮，炮管水平方位及垂直仰角方向可調(diào)節(jié)。

（2）用電磁力射出彈丸，擊中目標(biāo)環(huán)形靶，發(fā)射周期不得超過30秒。

（3）電磁炮由直流穩(wěn)壓電源供電，電磁炮系統(tǒng)內(nèi)允許使用容性儲(chǔ)能元件。

（4）電磁炮放置在定標(biāo)點(diǎn)處，炮管初始水平方向與中軸線夾角為 0°、垂直方向仰角為 0°。

（5）環(huán)形靶水平放置在地面，靶心位置在與定標(biāo)點(diǎn)距離200cm≤d≤300cm，與中心軸線夾角a≤±30°的范圍內(nèi)。

（6）環(huán)形靶放置在靶心距離定標(biāo)點(diǎn) 200～300cm 間，且在中心軸線上的位置處，鍵盤輸入距離d值，電磁炮將彈丸發(fā)射至該位置，距離偏差的絕對(duì)值不大于50cm。

（7）用鍵盤給電磁炮輸入環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離 d及與中心軸線的偏離角度a，一鍵啟動(dòng)后，電磁炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊，按擊中環(huán)形靶環(huán)數(shù)計(jì)分；若脫靶則不計(jì)分。

（8）在指定范圍內(nèi)任意位置放置環(huán)形靶，一鍵啟動(dòng)后，電磁炮自動(dòng)搜尋目標(biāo)并炮擊環(huán)形靶，按擊中環(huán)形靶環(huán)數(shù)計(jì)分，完成時(shí)間≤30s。

（9）環(huán)形靶與引導(dǎo)標(biāo)識(shí)一同放置在距離定標(biāo)點(diǎn)d=250cm的弧線上（以靶心定位），引導(dǎo)標(biāo)識(shí)處于最遠(yuǎn)位置；電磁炮放置在定標(biāo)點(diǎn)，炮管水平方向與中軸線夾角a=-30°、仰角0°；一鍵啟動(dòng)電磁炮，炮管在水平方向與中軸線夾角a從-30°至30°、再返回-30°做往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中（中途不得停頓）電磁炮自動(dòng)搜尋目標(biāo)并炮擊環(huán)形靶，按擊中環(huán)形靶環(huán)數(shù)計(jì)分，啟動(dòng)至擊發(fā)完成時(shí)間≤10s。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路組成

根據(jù)所述方案設(shè)計(jì)，硬件電路由主控芯片、陀螺儀、TFmini、測(cè)速光耦、超聲波、微動(dòng)開關(guān)、激光準(zhǔn)直、12864液晶、裝彈舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、5110液晶、發(fā)射控制電路、系統(tǒng)電源電路幾部分構(gòu)成,硬件電路組成結(jié)構(gòu)圖1如下。

圖1 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

主控電路芯片采用STC15F2K60S2芯片，因?yàn)槠鋬?nèi)部資源豐富且剛好滿足設(shè)計(jì)需求。采用貼片的LQFP44引腳封裝，具有較多的IO口，且焊接方便。在數(shù)據(jù)采集電路中，用TFmini激光測(cè)距傳感器采集距離數(shù)據(jù)；用LTH30132槽型光耦，配合驅(qū)動(dòng)電路來采集彈丸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；用六軸MPU6050陀螺儀來采集炮管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；采用微動(dòng)開關(guān)和激光準(zhǔn)直來獲取初始化狀態(tài)。發(fā)射電路采用JQF38F40A大功率繼電器控制高壓電容充放電狀態(tài)切換，大功率繼電器通過驅(qū)動(dòng)電路由主控芯片控制。機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，負(fù)責(zé)炮管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的是42系列步進(jìn)電機(jī)，由雷賽TB6600驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，主控芯片連接TB6600驅(qū)動(dòng)器。自動(dòng)裝彈結(jié)構(gòu)由SG90舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，SG90直接由主控芯片輸出PWM波控制。顯示模塊采用5110及12864共同實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)口直接連接主控芯片。設(shè)定輸入所需的編碼器也直接連接主控芯片。因系統(tǒng)有多種電壓，故而采用線性穩(wěn)壓電路進(jìn)行電壓變換，上部電源板采用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電路、L7805CV穩(wěn)壓電路，ASM1117穩(wěn)壓電路等，將12V轉(zhuǎn)為4到8V可調(diào)電源、5V穩(wěn)壓電源、3.3V穩(wěn)壓電源等等。下部電源主要是LM2596可調(diào)電路輸出5V控制供電，以及升壓電路產(chǎn)生的400V左右的發(fā)射供電。

2.2 機(jī)械方案設(shè)計(jì)

為能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，滿足結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)總體分為兩大部分，下部為底座和水平角度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，上部為垂直方向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用步進(jìn)電機(jī)加同步輪傳動(dòng)的方式連接旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)水平結(jié)構(gòu)件的方式作為水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；垂直角度旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)皮帶輪，帶動(dòng)具有軸承結(jié)構(gòu)的工字型支架來實(shí)現(xiàn)，發(fā)射炮管固定于工字型支架中心線上。該設(shè)計(jì)能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及符合機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范，發(fā)射炮管的運(yùn)動(dòng)位置處于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心，不存在水平偏角問題，各個(gè)電機(jī)受力也均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，以確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。裝配示意圖詳見圖2所示。

圖2 裝配示意圖

2.3 主程序設(shè)計(jì)

為能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，主體程序設(shè)計(jì)以及功能流程圖如圖3所示。

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

自動(dòng)搜尋目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)控制、發(fā)射判斷、自動(dòng)打靶程序控制思路流程圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)打靶程序流程圖

3 調(diào)試測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

硬件測(cè)試：如圖5所示，手動(dòng)將炮管的仰角θ固定為30°，多次測(cè)量彈著點(diǎn)與定標(biāo)點(diǎn)的距離，驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 測(cè)試示意圖

硬件軟件聯(lián)調(diào)：根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求配置好電磁炮，分別完成要求（1）～（4），測(cè)試穩(wěn)定后完成（5）～（9）的內(nèi)容，多次測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：經(jīng)過多次檢查，硬件電路與所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路原理圖不存在差錯(cuò)，而且器件安裝與PCB圖一致。確認(rèn)無誤后，檢查程序代碼是否完善，程序編譯通過后，給系統(tǒng)燒寫程序。在距離定標(biāo)點(diǎn)2 m～3m、正負(fù) 30°的范圍內(nèi)，除靶標(biāo)外無其他干擾物體。[7]

測(cè)試儀器：220V交流電源，數(shù)字萬用表，卷尺，量角器，模擬靶標(biāo)，自制電磁炮。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

（1）硬件測(cè)試結(jié)果

以30°仰角發(fā)射時(shí)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 30度發(fā)射距離

該角度下，發(fā)射距離是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，但由于實(shí)際測(cè)量時(shí)的不可控因素，例如線圈溫度的變化、后坐力導(dǎo)致的炮口抖動(dòng)、彈丸的銹蝕等都有可能造成射程的改變。由表中數(shù)據(jù)可知，相鄰兩次的距離差值也遠(yuǎn)小于50cm，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）聯(lián)合調(diào)試分析與結(jié)論

將環(huán)形靶放在距定標(biāo)點(diǎn)2.5m處時(shí)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 2.5米處命中環(huán)數(shù)

將環(huán)形靶放置在距定標(biāo)點(diǎn)2.7m且與中心軸線的偏離角度為+20°處，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 偏角20度距離2.7米命中環(huán)數(shù)

自動(dòng)識(shí)別打靶在不同角度值和不同距離值的情況下命中環(huán)數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 多角度多距離命中環(huán)數(shù)

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

（1）環(huán)形靶在中心軸線時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，命中環(huán)數(shù)高，受環(huán)境影響小，精度高。

（2）環(huán)形靶與軸線有一定角度時(shí)，命中環(huán)數(shù)開始波動(dòng)，精度下降。

（3）系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別打靶時(shí)，命中環(huán)數(shù)波動(dòng)較大，但仍能擊中靶心。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，按照方案設(shè)計(jì)、方案論證、硬件電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件程序的順序展開工作。本文按照該順序，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中所用到的電路以及程序，以模擬電磁曲射炮為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)目標(biāo)追蹤及打擊，設(shè)計(jì)精度除能滿足設(shè)計(jì)題目要求外還有所提高，解決了設(shè)計(jì)當(dāng)中的技術(shù)難點(diǎn)，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，最后經(jīng)過調(diào)試測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，證明符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。