虛感應(yīng)式線圈炮設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的控制器

線圈式電磁炮

電磁炮這一未來的軍事武器，本就是一件小眾的事情。于我而言，對(duì)于電磁炮技術(shù)有些許了解也是在2019年電子設(shè)計(jì)大賽之時(shí)。在這之前，關(guān)于它的信息全部來自于新聞報(bào)道，對(duì)于它的認(rèn)識(shí)也就是一個(gè)模糊的印象。

在2019年電子設(shè)計(jì)大賽之時(shí)，查閱了大量的期刊文獻(xiàn)，從見到了電磁炮發(fā)展的歷史、演變的方向。也開始關(guān)注各國電磁炮技術(shù)的進(jìn)展。作為大型軍事武器，電磁炮大多采用電樞和軌道組成電磁軌道炮；作為手持玩具，一些愛好者采用線圈制作感應(yīng)線圈炮。在這類我將介紹感應(yīng)式線圈炮的原理，推導(dǎo)它的數(shù)學(xué)表達(dá)式、分析其中的物理含義。以及，介紹制作虛感應(yīng)式線圈炮的方法以及設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制器。

一、電磁炮簡(jiǎn)介

目前，電磁發(fā)生器存在三種不同的形式，分別為軌道炮、線圈炮、重接炮。三者的性能對(duì)比如下。

三種電磁發(fā)生器的比較

下面介紹線圈炮。 線圈炮是由固定線圈和彈丸線圈兩部分組成，采用普通直流電動(dòng)機(jī)的原理，電磁力是靠同軸線圈作用的互感梯度產(chǎn)生。其中固定線圈作為炮管，若有電流通過時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，同時(shí)彈丸線圈中形成感應(yīng)電流，這樣炮彈就可用被由磁場(chǎng)和感應(yīng)電流間產(chǎn)生的電磁力以超高的速度發(fā)射出去。其基本原理概括起來就是帶電導(dǎo)體或磁性物體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用而被推動(dòng)前進(jìn)。如下圖。

線圈炮原理圖

線圈炮中的彈丸與炮膛不直接接觸，因而兩者之間無摩擦，能量利用率高；此外還有加速度大、需要的電流更小，從而使開關(guān)裝置簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，因此更適合發(fā)射初速度較低、容積和質(zhì)量更大的炮彈。

下圖線圈炮實(shí)物模型。

線圈炮實(shí)物模型

1.單級(jí)感應(yīng)線圈炮

單級(jí)線圈炮包含控制器、能量轉(zhuǎn)換電路兩部分。能量轉(zhuǎn)換電路指的是能夠存儲(chǔ)大容量電能的電容元件以及定子線圈和鐵質(zhì)拋體。工作基本原理如下，

電路狀態(tài)1：電容元件充電儲(chǔ)能、開關(guān)K斷開，定子線圈中無電流、拋體裝備在預(yù)定位置。

電路狀態(tài)2：開關(guān)K打開，電路導(dǎo)通，電容放電，定子線圈電流瞬間增大、周圍產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，鐵質(zhì)導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，受電磁力作用，開始運(yùn)動(dòng)。直至射出炮口。

電磁狀態(tài)3：拋體射出，關(guān)斷開關(guān)K。電路續(xù)流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管支路電阻消耗能量，直至消耗結(jié)束。然后進(jìn)入電路狀態(tài)1。當(dāng)然為了節(jié)省時(shí)間，可以讓電容在這個(gè)階段就開始充電。

單級(jí)線圈炮示意圖

上圖為單級(jí)線圈炮原理示意圖。

單級(jí)線圈炮工作

電路圖

一般開關(guān)選擇晶閘管或者IGBT元件。電路圖中給電容充電部分電路未畫出來。

式4為電磁炮電路微分方程、式5為電磁炮拋體運(yùn)動(dòng)微分方程。