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，推導它的數(shù)學表達式、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。