胡德志 李海军 王玉鑫 卢义发 吕 军 黄东昌

(华北科技学院基础部,北京东燕郊 101601)

三级同轴线圈电磁炮模型的设计与制作①

胡德志②李海军 王玉鑫 卢义发 吕 军 黄东昌

(华北科技学院基础部,北京东燕郊 101601)

重点介绍了新一类的同轴线圈电磁炮的发展过程及特点,引入了涡流的原理改进了炮弹的设计,节约了相应的制作成本,提高了炮弹的发射速度。同时,通过制作电磁炮的科技活动培养了学生的创新能力。关键词：电磁炮;涡流;同轴线圈;创新能力

随着材料科学的发展,复合装甲、高强度陶瓷装甲、贫铀装甲的使用,以及爆炸反应装甲的出现,大大提高了装甲的抗毁能力,对破甲技术提出更高的要求。为此,人们在相继研制出一系列新型破、穿甲战斗武器的同时,也注重开发研究某些新概念超高速动能穿甲武器,电磁炮就是其中一种。本文重点研究了三级同轴线圈电磁炮的特点,在实际制作中引入了涡流的原理改进了炮弹的设计,节约了相应的制作成本,提高了炮弹的发射速度。

1 电磁炮的由来发展

利用电磁力发射炮弹的历史已有近百年。1917年,一位法国人首先提出利用电磁发射有翼炮弹的设想,但材料技术上存在很多瓶颈,一直未能实现。后来随着脉冲功率技术学科的诞生和发展,与该领域相关的电磁发射技术才有了重大突破。70年代,澳大利亚国立大学的R ·A马歇尔(Marshall)等人,用550MJ的单极发电机作电源和使用了等离子体电枢,在5m长的导轨上把3.3克重的聚碳酸酯炮弹加速到5.9 km/s[1][2]。从实验上证明了电磁力能将较重的物体推进到超高速的可能性。这一实验为电磁发射技术的发展开创了新纪元,为电磁炮武器的发展做出了划时代的贡献。现在,各国都相继开始研制属于自己的电磁炮,对它的研究热度不亚于当年对原子弹的研究。当前,美国已研制出舰艇载式电磁炮,预计在十年内逐步推广到舰艇上使用。

2 电磁炮的基本原理

电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力(洛伦兹力)作用的来加速弹丸的。根据加速方式,电磁炮可细分为轨导炮、线圈炮和重接炮。其中,线圈炮的特点尤为突出。它无接触发射,可以克服轨道炮面临的导轨烧蚀问题,可以加速炮弹,加速力施加在整个弹体长度上能量转换率高。其关键技术在于保证激励电流与导体的运动同步。设计制作的困难之处在于整个电路较为复杂。

线圈炮的结构如图1所示[3],主要是感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。固定线圈安置在炮身上,可动线圈安装在炮弹内。固定线圈相当于炮身,可动线圈相当于弹丸。利用固定线圈与可动线圈之间互感时产生的电磁力作为弹丸的加速力。当固定线圈接通电源时,可动线圈会产生相应的感应电流,这时两个线圈相当于两个电磁铁,他们相互排斥,通过这个排斥力推动可动弹丸线圈加速射出。

图1 一级线圈炮的结构

由线圈的互感知识可知：弹丸所受的力可表示为：F=If＊Ip＊dM/dx,其中为洛伦兹力(N)、If为固定线圈中的电流强度(A)、Ip为弹丸线圈中的电流强度(A)、dM/dx为固定线圈与可动线圈的互感(H)、为互感梯度(H/m)。由上式可知,固定线圈中的感应电流强度越大,弹丸线圈中的感应电流强度就越大,弹丸所受的电磁力就越大。

通过多次实验我们发现使用常规三相交流电作为激励电源,使用一级或二级的线圈炮发射速度较低没有实用价值。因此,我们设计了三级线圈炮,其结构原理图如图2所示[4]。炮筒上固定有三个线圈,依次将380 V的三相交变电流引进这些固定线圈中,在其内部形成强大的磁场。具体步骤如下：先给一级线圈加交变电流,其他线圈不通电。由电磁感应定律可知,在炮弹表面上产成强大的感生电流,该电流与一级线圈内部电流的相位相反,产生互斥作用,推动弹体前进。作用力随着距离的加大而迅速减小,当炮弹离一级线圈距离超过电磁力作用范围时,一级线圈对炮弹几乎没有推力作用,但这时炮弹正好进入二级线圈的作用范围,再次获得二级线圈施与的电磁力作用进一步加速,依次当经过三级线圈的加速后炮弹便获得了较高的发射速度[5]。

3 电磁炮整体设计

3.1 炮身的设计

电磁炮的材料极为重要,主要因为电磁炮发射是在强脉冲电源条件下加速炮弹的,这就是的它的工作条件极为恶劣。所选材料要耐高温、耐烧蚀。电磁炮舍去了传统的炮管,炮筒用无缝钢管,内部采用超导线圈,通脉冲电流产生电磁感应加速炮弹。外部用绝缘有机玻璃作屏障,起到绝缘作用,安全性得到保障。另外,我们在炮身底部还安装数显时间继电器,可以大大提高系统的发射效率,增加系统的精确度(见图2)。

图2 电磁炮炮身

3.2 炮弹的设计

改变炮弹以往用线圈制作的常规理念,我们改用铁磁质来制作炮弹。由于加速线圈中电磁场的变化率较大,铁磁质表面会感应产生强大的涡流Ip,大大提高了炮弹与加速线圈之间的作用力。同时,一般的铁磁质价格低廉,又降低我们的制作成本。我们设计的炮弹长为4.5cm,直径为1.5cm,将中间挖空,形成一个子弹型圆柱体,重 40克。

3.3 底座的设计

使用钢制底座支架。要求可以承载炮身的重量,保障其平稳性、安全性,样式美观。底座的高度设计为1m。

3.4 炮靶的设计

炮靶是橡胶钢板双层靶,能有效防止炮弹因能量过大带来的穿透现象,保证安全。用钢管做成支架,支撑上面用双层橡胶做的长方形靶。

4 实验

4.1 实验步骤

接通380V交变电流,把弹丸从炮身后端推入炮筒中,按下开关,炮弹能顺利发射出去。在无障碍物的条件下发射炮弹,测量炮弹发射的最远射程。在电磁炮前方放置炮靶。不断改变炮靶的位置和炮筒的仰角,测试不同的距离炮弹的飞行高度。

4.2 实验结果

验证了炮筒的仰角影响着炮弹的飞行速度及射程。根据实验数据拟合得到轨迹图(如图3所示),仰角由28.6度变化到32.4度的过程中,炮弹的射程明显提高,发现在32.4度时射程最远为6.8米。

5 结语

通过对电磁炮这一新型军事武器的探索,不仅提高了学生们对电磁发射技术的认识,还更深入的学习了电磁学的知识。在制作中学会了如何利用现有的知识大胆的创新,培养了学生的创新能力和动手能力。同时该电磁炮可以作为科技馆或科技活动场所的展示产品,从而激发大众学习科学技术的热情,是提升大众科学素养的一种有效手段。现在,它作为我院物理教学的演示仪器,为低年级的学生学习电磁学提供了模型,同时也为他们提供了进一步开发的平台。

图3 炮弹飞行轨迹模拟

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

[2] 贾浩,沈金华.轨道炮：超高压研究的一种新工具[C].第一届全国高压会议论文集,成都：1984：1-16

[3] 黄强,郭东桥,卞光荣.电磁炮的原理与技术发展[J].现代物理知识,2007,19(1)：43

[4] 黄莹,赵佳.电磁炮的基本原理及在军事上的应用[J].现代物理知识,2004,16(6)：38

[5] 刘廷贤.发展中的电磁炮[J].大学物理, 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,湖北潜江人,华北科技学院基础部讲师,长期从事大学物理和物理实验的教学及科研工作。