一種輕小型電磁推射裝置設(shè)計(jì)與研制

于德江，馬偃亳，陳 帥，陳 東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

發(fā)射技術(shù)伴隨人類的產(chǎn)生經(jīng)歷了上千年的發(fā)展和演變。早期原始社會(huì)，在人類不會(huì)借助外力時(shí)，就采用手拋的形式進(jìn)行投送發(fā)射，比如投送石頭和樹(shù)枝用于捕殺獵物、防御威脅等；到了奴隸社會(huì)和封建社會(huì)，人類慢慢開(kāi)始知道借助外力和機(jī)械原理來(lái)提高投擲物體的速度和射程來(lái)增強(qiáng)物體的殺傷力，比如弓箭、投石車的發(fā)明；封建社會(huì)后期，火藥的發(fā)明使人類認(rèn)識(shí)到：人不用使用蠻力就可以借助化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，使物體達(dá)到很高速度和射程，這一認(rèn)識(shí)對(duì)人類影響深遠(yuǎn)，直到現(xiàn)在，各種火炮、導(dǎo)彈、火箭、汽車、火車、飛機(jī)大部分都是借助不同化學(xué)能燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的高速運(yùn)動(dòng)。然而，隨著電的出現(xiàn)，一種新型能源在可以提高速度和射程的同時(shí)，還使各種設(shè)備向著無(wú)人化、智能化發(fā)展；近些年，隨著動(dòng)力電池和綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，新能源汽車、高速鐵路已深入人類生活，而作為新質(zhì)作戰(zhàn)武器的電磁軌道炮也在全世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展，發(fā)射方式從機(jī)械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射變革為電磁能發(fā)射已是必然趨勢(shì)[1]。電磁軌道發(fā)射彈丸的主要?dú)麢C(jī)理是動(dòng)能毀傷，作戰(zhàn)精度高，作用范圍小，殺傷隱蔽[2]，而火炮和導(dǎo)彈，由于彈丸攜帶大量化學(xué)燃料，作用范圍大，殺傷區(qū)域廣，在大規(guī)模作戰(zhàn)時(shí)，又有電磁軌道炮無(wú)法替代的威力[3]，兩種武器各有優(yōu)劣。結(jié)合兩類武器的優(yōu)點(diǎn)，采用電磁線圈發(fā)射技術(shù)來(lái)發(fā)射攜帶化學(xué)燃料的炮彈，既能達(dá)到發(fā)射的高精度、隱秘性又能發(fā)揮炮彈的作戰(zhàn)威力。本文設(shè)計(jì)并研制了一種一體化輕小型電磁推射裝置來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)合的可行性。

1 電磁線圈發(fā)射技術(shù)原理

電磁線圈發(fā)射技術(shù)利用驅(qū)動(dòng)線圈和電樞之間的電磁耦合機(jī)制工作，當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)脈沖大電流，電樞內(nèi)部感應(yīng)電流與驅(qū)動(dòng)線圈電流相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)電樞在線圈中沿軸向運(yùn)動(dòng)[4]。驅(qū)動(dòng)線圈和電樞無(wú)接觸，推力大，壽命高，尤其適合發(fā)射大質(zhì)量的載荷。電磁線圈發(fā)射技術(shù)包括同步感應(yīng)線圈發(fā)射技術(shù)和異步線圈發(fā)射技術(shù)。

1.1 同步感應(yīng)線圈發(fā)射技術(shù)

同步感應(yīng)線圈發(fā)射，是利用同步放電和拋體線圈內(nèi)磁通變化感應(yīng)加速，一般采用多個(gè)線圈同軸排列在一起作為初級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)線圈采用脈沖電源分離激勵(lì)，電樞線圈感應(yīng)電流作為電樞。多級(jí)同步感應(yīng)電磁線圈發(fā)射原理如圖1所示，利用多個(gè)脈沖電源對(duì)各級(jí)線圈同步放電和電樞線圈內(nèi)的磁通交變感應(yīng)加速載荷運(yùn)動(dòng)[5]。

圖1 電磁線圈發(fā)射工作原理

1.2 異步感應(yīng)線圈發(fā)射技術(shù)

異步感應(yīng)線圈發(fā)射技術(shù)（工作原理如圖2所示）利用多相線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，耦合產(chǎn)生磁行波牽引電樞沿線圈軸向運(yùn)動(dòng)。將驅(qū)動(dòng)線圈分為若干段，通過(guò)增加激勵(lì)電源的頻率，每段使用一定頻率，逐段增頻，實(shí)現(xiàn)拋體的加速。

圖2 異步感應(yīng)型電磁線圈發(fā)射工作原理

電磁推力分布于電樞全部，電樞感應(yīng)渦流和推進(jìn)力、發(fā)熱分布均勻（圖3），使得電樞具有自動(dòng)對(duì)中的特點(diǎn)，適合于發(fā)射大質(zhì)量、高速載荷[6]。

圖3 線圈推進(jìn)磁場(chǎng)分布圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)需求

對(duì)于20 kg的載荷，推射速度不低于6 m/s，過(guò)載不超過(guò)300 g，推射裝置重量不超過(guò)100 kg。

2.2 技術(shù)體制選取

由于本文對(duì)系統(tǒng)有輕小型要求，下面從幾個(gè)方面對(duì)單級(jí)同步線圈與單級(jí)異步線圈進(jìn)行對(duì)比，由此來(lái)確定本文技術(shù)體制。

（1）單級(jí)同步感應(yīng)線圈只需要一個(gè)線圈，而異步感應(yīng)線圈至少需要6個(gè)線圈才能構(gòu)成單段發(fā)射器，因此單級(jí)同步感應(yīng)線圈的推射器在結(jié)構(gòu)上比異步感應(yīng)線圈簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。

（2）單級(jí)同步感應(yīng)線圈只需要1個(gè)脈沖電源模塊，而異步感應(yīng)線圈至少需要3個(gè)脈沖電源模塊；單級(jí)同步感應(yīng)線圈的脈沖電源模塊只需要單向充放電，而異步感應(yīng)線圈的電源模塊需要具備正反向充放電，且反充比接近1，單向脈沖電源的電容器儲(chǔ)能密度可以超過(guò)2.0 MJ/m3，而雙向脈沖電源的電容器儲(chǔ)能密度只能做到0.6 MJ/m3左右。因此，不管從脈沖電源的數(shù)量，還是單模塊體積重量，單級(jí)同步感應(yīng)線圈體制均為最佳技術(shù)體制。

（3）單級(jí)同步感應(yīng)線圈只需要控制單個(gè)模塊觸發(fā)放電，而異步感應(yīng)線圈需要對(duì)多個(gè)線圈分時(shí)序放電，因此單級(jí)同步感應(yīng)線圈控制方式簡(jiǎn)單。

（4）單級(jí)同步感應(yīng)線圈的唯一缺點(diǎn)是效率較低，只有10%左右，而異步感應(yīng)線圈第一段的效率在15%左右。

綜上：本文采用單級(jí)同步感應(yīng)線圈作為電磁推射系統(tǒng)的技術(shù)體制。單級(jí)同步感應(yīng)線圈，不用考慮多級(jí)同步觸發(fā)控制問(wèn)題，而且能夠大大降低系統(tǒng)的體積和重量，系統(tǒng)只需要1臺(tái)充電機(jī)、1個(gè)電源模塊，通過(guò)加入大容量高速供輸裝置或是采用多管方式，利用系統(tǒng)高重頻發(fā)射特性，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量載荷的快速釋放。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁推射裝置由推射器、脈沖電源、充電機(jī)、控制系統(tǒng)、電樞、集成框架等組成。工作時(shí)，初級(jí)儲(chǔ)能儲(chǔ)存的電能通過(guò)充電機(jī)快速給脈沖電源充電，脈沖電源在總控系統(tǒng)控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同載荷以不同的出口速度釋放。單級(jí)電磁感應(yīng)線圈推射系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 電磁推射系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 仿真分析

針對(duì)上述推射器設(shè)計(jì)參數(shù)，在Ansoft Maxwell中建立有限元仿真模型，如圖6所示。

圖6 有限元仿真模型

工作電壓3.2 kV，運(yùn)行時(shí)間20 ms，電樞初始位置42.5 mm，運(yùn)行步長(zhǎng)50μs，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 速度曲線

圖8 受力曲線

由上述仿真結(jié)果可知。

（1）載荷最大速度6.58 m/s，出口速度6.24 m/s，滿足不低于6 m/s的速度要求。

（2）載荷最大受力45.738 kN，模擬載荷重量20 kg，電樞及連接機(jī)構(gòu)重2.42 kg，全載荷最大重量22.42 kg，由此計(jì)算得到載荷最大過(guò)載208 g，滿足過(guò)載不超過(guò)300 g的指標(biāo)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，本文在研制出的一體化輕小型單級(jí)同步感應(yīng)線圈推射器上進(jìn)行模擬載荷發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)實(shí)物圖如圖9。

圖9 樣機(jī)實(shí)物圖

電樞、連接塊及模擬載荷實(shí)物圖如圖10。

圖10 電樞、連接塊及模擬載荷

本文采用基恩士公司的反射型光纖位移傳感器FS-V31M和FU-44TZ光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的速度測(cè)量。光纖位移傳感器測(cè)速原理：當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)光纖時(shí)，傳感器輸出高電平（2～5 V）信號(hào)；當(dāng)沒(méi)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感器輸出低電平（1 V）信號(hào)。

本文采用圓柱形尼龍塊來(lái)模擬載荷，模擬載荷外徑180 mm，長(zhǎng)度370 mm，重量19.97 kg。為了增加反射信號(hào)的強(qiáng)度，通常在其表面涂上一層發(fā)射率高的涂料，在其表面纏上一層薄的鋁箔膠帶，同樣可以增強(qiáng)反射信號(hào)強(qiáng)度。如圖11所示。

圖11 模擬載荷表面處理

電壓3.2 kV，初始位置42.5 mm下進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，當(dāng)模擬載荷經(jīng)過(guò)光纖時(shí)，采集到的信號(hào)如圖12所示。

圖12 速度信號(hào)

從示波器采集的信號(hào)可以看出：電樞經(jīng)過(guò)光纖的時(shí)間59.6 ms，電樞長(zhǎng)370 mm，計(jì)算可得電樞速度為6.21 m/s，與仿真速度6.24 m/s基本一致，誤差約為0.5%。

整個(gè)系統(tǒng)重量實(shí)測(cè)91.8 kg，不超過(guò)100 kg的指標(biāo)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用單級(jí)同步電磁線圈推射技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種一體化輕小型電磁線圈推射裝置，通過(guò)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置推射大質(zhì)量載荷的可行性：對(duì)于不超過(guò)20 kg的載荷，推射速度不低于6 m/s，過(guò)載不超過(guò)300 g，系統(tǒng)重量不超過(guò)100 kg。該試驗(yàn)裝置搭載裝填裝置和初級(jí)能源后可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)發(fā)射，這在某些特定載荷的快速釋放和部署方面有廣闊的應(yīng)用前景。