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，對于電磁炮技術(shù)有些許了解也是在2019年電子設(shè)計大賽之時。在這之前，關(guān)于它的信息全部來自于新聞報道，對于它的認識也就是一個模糊的印象。

在2019年電子設(shè)計大賽之時，查閱了大量的期刊文獻，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)計對應(yīng)的控制器。

一、電磁炮簡介

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，采用普通直流電動機的原理，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，若有電流通過時將會產(chǎn)生一個強磁場，同時彈丸線圈中形成感應(yīng)電流，這樣炮彈就可用被由磁場和感應(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中受到電磁力的作用而被推動前進。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)裝置簡化等優(yōu)點，因此更適合發(fā)射初速度較低、容積和質(zhì)量更大的炮彈。

下圖線圈炮實物模型。

線圈炮實物模型

1.單級感應(yīng)線圈炮

單級線圈炮包含控制器、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，鐵質(zhì)導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，受電磁力作用，開始運動。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。然后進入電路狀態(tài)1。當然為了節(jié)省時間，可以讓電容在這個階段就開始充電。

單級線圈炮示意圖

上圖為單級線圈炮原理示意圖。

單級線圈炮工作

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為電磁炮拋體運動微分方程。