胡德志 李海軍 王玉鑫 盧義發(fā) 呂 軍 黃東昌

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部,北京東燕郊 101601)

三級(jí)同軸線(xiàn)圈電磁炮模型的設(shè)計(jì)與制作①

胡德志②李海軍 王玉鑫 盧義發(fā) 呂 軍 黃東昌

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部,北京東燕郊 101601)

重點(diǎn)介紹了新一類(lèi)的同軸線(xiàn)圈電磁炮的發(fā)展過(guò)程及特點(diǎn),引入了渦流的原理改進(jìn)了炮彈的設(shè)計(jì),節(jié)約了相應(yīng)的制作成本,提高了炮彈的發(fā)射速度。同時(shí),通過(guò)制作電磁炮的科技活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。關(guān)鍵詞：電磁炮;渦流;同軸線(xiàn)圈;創(chuàng)新能力

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,復(fù)合裝甲、高強(qiáng)度陶瓷裝甲、貧鈾裝甲的使用,以及爆炸反應(yīng)裝甲的出現(xiàn),大大提高了裝甲的抗毀能力,對(duì)破甲技術(shù)提出更高的要求。為此,人們?cè)谙嗬^研制出一系列新型破、穿甲戰(zhàn)斗武器的同時(shí),也注重開(kāi)發(fā)研究某些新概念超高速動(dòng)能穿甲武器,電磁炮就是其中一種。本文重點(diǎn)研究了三級(jí)同軸線(xiàn)圈電磁炮的特點(diǎn),在實(shí)際制作中引入了渦流的原理改進(jìn)了炮彈的設(shè)計(jì),節(jié)約了相應(yīng)的制作成本,提高了炮彈的發(fā)射速度。

1 電磁炮的由來(lái)發(fā)展

利用電磁力發(fā)射炮彈的歷史已有近百年。1917年,一位法國(guó)人首先提出利用電磁發(fā)射有翼炮彈的設(shè)想,但材料技術(shù)上存在很多瓶頸,一直未能實(shí)現(xiàn)。后來(lái)隨著脈沖功率技術(shù)學(xué)科的誕生和發(fā)展,與該領(lǐng)域相關(guān)的電磁發(fā)射技術(shù)才有了重大突破。70年代,澳大利亞國(guó)立大學(xué)的R ·A馬歇爾(Marshall)等人,用550MJ的單極發(fā)電機(jī)作電源和使用了等離子體電樞,在5m長(zhǎng)的導(dǎo)軌上把3.3克重的聚碳酸酯炮彈加速到5.9 km/s[1][2]。從實(shí)驗(yàn)上證明了電磁力能將較重的物體推進(jìn)到超高速的可能性。這一實(shí)驗(yàn)為電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新紀(jì)元,為電磁炮武器的發(fā)展做出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在,各國(guó)都相繼開(kāi)始研制屬于自己的電磁炮,對(duì)它的研究熱度不亞于當(dāng)年對(duì)原子彈的研究。當(dāng)前,美國(guó)已研制出艦艇載式電磁炮,預(yù)計(jì)在十年內(nèi)逐步推廣到艦艇上使用。

2 電磁炮的基本原理

電磁炮是利用物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)電荷或載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力(洛倫茲力)作用的來(lái)加速?gòu)椡璧?。根?jù)加速方式,電磁炮可細(xì)分為軌導(dǎo)炮、線(xiàn)圈炮和重接炮。其中,線(xiàn)圈炮的特點(diǎn)尤為突出。它無(wú)接觸發(fā)射,可以克服軌道炮面臨的導(dǎo)軌燒蝕問(wèn)題,可以加速炮彈,加速力施加在整個(gè)彈體長(zhǎng)度上能量轉(zhuǎn)換率高。其關(guān)鍵技術(shù)在于保證激勵(lì)電流與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)同步。設(shè)計(jì)制作的困難之處在于整個(gè)電路較為復(fù)雜。

線(xiàn)圈炮的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3],主要是感應(yīng)耦合的固定線(xiàn)圈、可動(dòng)線(xiàn)圈、儲(chǔ)能器以及開(kāi)關(guān)等組成。固定線(xiàn)圈安置在炮身上,可動(dòng)線(xiàn)圈安裝在炮彈內(nèi)。固定線(xiàn)圈相當(dāng)于炮身,可動(dòng)線(xiàn)圈相當(dāng)于彈丸。利用固定線(xiàn)圈與可動(dòng)線(xiàn)圈之間互感時(shí)產(chǎn)生的電磁力作為彈丸的加速力。當(dāng)固定線(xiàn)圈接通電源時(shí),可動(dòng)線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流,這時(shí)兩個(gè)線(xiàn)圈相當(dāng)于兩個(gè)電磁鐵,他們相互排斥,通過(guò)這個(gè)排斥力推動(dòng)可動(dòng)彈丸線(xiàn)圈加速射出。

圖1 一級(jí)線(xiàn)圈炮的結(jié)構(gòu)

由線(xiàn)圈的互感知識(shí)可知：彈丸所受的力可表示為：F=If＊Ip＊dM/dx,其中為洛倫茲力(N)、If為固定線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度(A)、Ip為彈丸線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度(A)、dM/dx為固定線(xiàn)圈與可動(dòng)線(xiàn)圈的互感(H)、為互感梯度(H/m)。由上式可知,固定線(xiàn)圈中的感應(yīng)電流強(qiáng)度越大,彈丸線(xiàn)圈中的感應(yīng)電流強(qiáng)度就越大,彈丸所受的電磁力就越大。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)三相交流電作為激勵(lì)電源,使用一級(jí)或二級(jí)的線(xiàn)圈炮發(fā)射速度較低沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此,我們?cè)O(shè)計(jì)了三級(jí)線(xiàn)圈炮,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示[4]。炮筒上固定有三個(gè)線(xiàn)圈,依次將380 V的三相交變電流引進(jìn)這些固定線(xiàn)圈中,在其內(nèi)部形成強(qiáng)大的磁場(chǎng)。具體步驟如下：先給一級(jí)線(xiàn)圈加交變電流,其他線(xiàn)圈不通電。由電磁感應(yīng)定律可知,在炮彈表面上產(chǎn)成強(qiáng)大的感生電流,該電流與一級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)部電流的相位相反,產(chǎn)生互斥作用,推動(dòng)彈體前進(jìn)。作用力隨著距離的加大而迅速減小,當(dāng)炮彈離一級(jí)線(xiàn)圈距離超過(guò)電磁力作用范圍時(shí),一級(jí)線(xiàn)圈對(duì)炮彈幾乎沒(méi)有推力作用,但這時(shí)炮彈正好進(jìn)入二級(jí)線(xiàn)圈的作用范圍,再次獲得二級(jí)線(xiàn)圈施與的電磁力作用進(jìn)一步加速,依次當(dāng)經(jīng)過(guò)三級(jí)線(xiàn)圈的加速后炮彈便獲得了較高的發(fā)射速度[5]。

3 電磁炮整體設(shè)計(jì)

3.1 炮身的設(shè)計(jì)

電磁炮的材料極為重要,主要因?yàn)殡姶排诎l(fā)射是在強(qiáng)脈沖電源條件下加速炮彈的,這就是的它的工作條件極為惡劣。所選材料要耐高溫、耐燒蝕。電磁炮舍去了傳統(tǒng)的炮管,炮筒用無(wú)縫鋼管,內(nèi)部采用超導(dǎo)線(xiàn)圈,通脈沖電流產(chǎn)生電磁感應(yīng)加速炮彈。外部用絕緣有機(jī)玻璃作屏障,起到絕緣作用,安全性得到保障。另外,我們?cè)谂谏淼撞窟€安裝數(shù)顯時(shí)間繼電器,可以大大提高系統(tǒng)的發(fā)射效率,增加系統(tǒng)的精確度(見(jiàn)圖2)。

圖2 電磁炮炮身

3.2 炮彈的設(shè)計(jì)

改變炮彈以往用線(xiàn)圈制作的常規(guī)理念,我們改用鐵磁質(zhì)來(lái)制作炮彈。由于加速線(xiàn)圈中電磁場(chǎng)的變化率較大,鐵磁質(zhì)表面會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流Ip,大大提高了炮彈與加速線(xiàn)圈之間的作用力。同時(shí),一般的鐵磁質(zhì)價(jià)格低廉,又降低我們的制作成本。我們?cè)O(shè)計(jì)的炮彈長(zhǎng)為4.5cm,直徑為1.5cm,將中間挖空,形成一個(gè)子彈型圓柱體,重 40克。

3.3 底座的設(shè)計(jì)

使用鋼制底座支架。要求可以承載炮身的重量,保障其平穩(wěn)性、安全性,樣式美觀(guān)。底座的高度設(shè)計(jì)為1m。

3.4 炮靶的設(shè)計(jì)

炮靶是橡膠鋼板雙層靶,能有效防止炮彈因能量過(guò)大帶來(lái)的穿透現(xiàn)象,保證安全。用鋼管做成支架,支撐上面用雙層橡膠做的長(zhǎng)方形靶。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

接通380V交變電流,把彈丸從炮身后端推入炮筒中,按下開(kāi)關(guān),炮彈能順利發(fā)射出去。在無(wú)障礙物的條件下發(fā)射炮彈,測(cè)量炮彈發(fā)射的最遠(yuǎn)射程。在電磁炮前方放置炮靶。不斷改變炮靶的位置和炮筒的仰角,測(cè)試不同的距離炮彈的飛行高度。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證了炮筒的仰角影響著炮彈的飛行速度及射程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到軌跡圖(如圖3所示),仰角由28.6度變化到32.4度的過(guò)程中,炮彈的射程明顯提高,發(fā)現(xiàn)在32.4度時(shí)射程最遠(yuǎn)為6.8米。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電磁炮這一新型軍事武器的探索,不僅提高了學(xué)生們對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)的認(rèn)識(shí),還更深入的學(xué)習(xí)了電磁學(xué)的知識(shí)。在制作中學(xué)會(huì)了如何利用現(xiàn)有的知識(shí)大膽的創(chuàng)新,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。同時(shí)該電磁炮可以作為科技館或科技活動(dòng)場(chǎng)所的展示產(chǎn)品,從而激發(fā)大眾學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的熱情,是提升大眾科學(xué)素養(yǎng)的一種有效手段?，F(xiàn)在,它作為我院物理教學(xué)的演示儀器,為低年級(jí)的學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)提供了模型,同時(shí)也為他們提供了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

圖3 炮彈飛行軌跡模擬

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

[2] 賈浩,沈金華.軌道炮：超高壓研究的一種新工具[C].第一屆全國(guó)高壓會(huì)議論文集,成都：1984：1-16

[3] 黃強(qiáng),郭東橋,卞光榮.電磁炮的原理與技術(shù)發(fā)展[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2007,19(1)：43

[4] 黃瑩,趙佳.電磁炮的基本原理及在軍事上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2004,16(6)：38

[5] 劉廷賢.發(fā)展中的電磁炮[J].大學(xué)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,湖北潛江人,華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部講師,長(zhǎng)期從事大學(xué)物理和物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)及科研工作。