一種電磁手槍的基本原理及性能分析*

劉育剛,張 波

(華南理工大學電力學院,廣州 510640)

電磁發射是一種利用電磁能量推進物體的發射技術,該項技術在 20世紀初由挪威科學家 K.Birkeland[1]首次提出。隨著對電磁發射技術研究的不斷深入,各種電磁武器應運而生,比如激光炮、電磁炮以及一些大功率的電磁干擾武器等,其中電磁炮在發達國家中研究比較廣泛,且取得了一些較為引人注目的成就,尤其是導軌炮技術已經接近實戰需求。目前,國內外電磁發射研究的重點是發射導彈及飛機推進等,對一些輕型武器的研究比較少[2-6]。電磁手槍作為一種新型武器具有很強的實用性,它與普通手槍相比具有發射效率高、能源簡易、無聲、無污染、可控性好等明顯優點。但由于電磁發射器體積大、充電電路復雜等,使得電磁手槍的推廣和應用受到限制,對其性能的研究也比較缺乏。為此,本文中以線圈式電磁手槍為例,首先對電磁手槍的基本原理進行了介紹,然后利用電磁場有限元分析軟件 Maxwell2D進行建模仿真,借助 Matlab強大的計算功能,分析電磁手槍各參數對彈丸的影響。

1 基本原理

某電磁手槍的外型如圖 1所示。它用純鐵做彈丸,用銅線繞制成驅動線圈,用電容做電源,同時配備高能穩壓電源為電容器充電。

由于線圈型電磁發射器實質上是一個磁阻型電磁發射系統,通過大功率電容放電的方式產生驅動電流,形成磁場,加速彈丸前進[7]。因此,電磁手槍的內部系統可簡單看作由脈沖電源的充電回路和放電回路構成[8]。

圖 1 高斯 GP-219電磁無聲手槍

圖 2給出了單級線圈型電磁手槍的基本組成框圖。圖中,穩壓源、充電電路和高壓大功率儲能電容器共同組成充電回路,而放電回路包括高壓大功率儲能電容器、開關、驅動線圈、彈丸以及將他們聯系在一起的傳輸線[9]。

圖 2 單級線圈型電磁手槍的基本原理框圖

另一方面,電磁手槍可等效為一典型的并聯 RLC電路,電源為一個大功率電容C,電容C在觸發開關的控制下向驅動線圈放電,由一穩壓電源通過充電電路給電容器充電。

圖 3 單級線圈型電磁手槍的等效電路

結合線圈型電磁炮的有關研究[10],得到單級線圈型電磁手槍的電路微分方程

式中:C為電容器的電容值;Uc(t)為電容器的瞬態電壓;R為回路等效電阻;L(x)為回路等效電感。

對于一個確定的對象,式(1)中電容 C和回路電阻 R可以認為是固定不變的常數,因而只要知道系統的電感和電感梯度就能知道電容的瞬態電壓。

由圖 3可以看出,電容的瞬態電壓可用回路電流來表示

在運動學方面[11-12],彈丸的加速力主要是由系統的電磁加速力和彈丸與槍管之間的滑動摩擦及空氣阻力引起。由于子彈與槍管之間沒有直接接觸,可以忽略摩擦力的影響,同時子彈的截面積和速度都不大,空氣阻力也可以忽略,因此彈丸加速力主要來自系統的電磁力。對于磁阻型彈丸而言,在忽略磁漏的情況下,電磁力可近似表示為

結合式(1)、(2)、(3)可以建立電磁手槍的動態系統仿真模型。

2 模擬分析

2.1 有限元模型的建立

電子手槍的 Maxwell 3D模型如圖 4所示。由圖 4可以看出,手槍槍管、子彈及驅動線圈均呈圓柱形,因而建立有限元模型時可以用 R-Z坐標系進行二維建模。圖 5為電磁手槍的二維模型。

圖 4 電磁手槍三維仿真模型

圖 5 電磁手槍二維模型

由于電磁手槍自身條件的限制,如長度不能太長,槍管不能太大,彈丸質量、外徑也受到限制,因而對彈丸速度影響較大的主要是驅動線圈的匝數、彈丸的壁厚和電源電壓等[13]。

2.2 驅動線圈匝數對加速力的影響

首先考慮驅動線圈匝數對電磁力的影響,為便于分析,在這里暫不考慮線圈的過渡時間,根據式(3)知道系統的電磁力 F∝(NI)2,則系統的電壓為

式中:ρ為線圈的電導率;r為線圈的繞制半徑;A為單根導線的截面積。

由式(4)可以知道 F∝U2。因而在理想情況下,改變驅動線圈的匝數不會對系統的電磁力產生較大影響。但實際上過渡時間還是存在的,在同等電壓條件下,驅動線圈匝數越少,系統的過渡時間就越短,這樣彈丸的出口速度就越大,發射效果越好。但是匝數越少,線圈需要承載的電流就越大,這就需要更粗的導線做驅動線圈,還會帶來線圈發熱、開關設計等一系列問題。因而在設計驅動線圈時要綜合考慮這 2方面的制約因素。根據式(3)可以將多股線圈并聯的形式繞制驅動線圈,這樣既增加了線圈匝數,同時由于是并聯形式,系統的電阻減小,電流變大,對增加電磁力很有幫助。

2.3 彈丸壁厚對電磁力及加速度的影響

加速彈丸的電磁力主要是通過彈丸和驅動線圈磁場之間的相互耦合作用產生的,耦合作用越強電磁力就越大[14]。因而在其他條件不變的情況下,減小彈丸的壁厚必然會減少通過彈丸的磁力線數目,耦合作用減小,電磁力就會減小。設定驅動線圈長 125mm,內徑 3mm;彈丸長 10 mm,外徑 2.5mm,對不同壁厚的彈丸進行仿真,圖 6是彈丸進入驅動線圈 5mm時電磁力隨彈丸壁厚的變化曲線。

圖 6 電磁力隨彈丸壁厚的變化曲線

但對子彈而言,彈丸壁厚增加,彈丸的質量也會增加。當彈丸長度不變時,彈丸的質量與其橫截面積成正比。圖7是彈丸加速度隨彈丸壁厚的變化曲線。

圖 7 彈丸加速度隨彈丸壁厚的變化曲線

2.4 電容器電容值對出口速度的影響

電容器的電容值直接影響電源所能提供的最大能量值和電流形式,因而直接影響彈丸的出口速度。選定電容器的充電電壓為 400 V,假定彈丸到達線圈中間時觸發裝置使電流迅速下降到零,改變電容器的電容值,得到彈丸出口速度隨電容值的變化曲線,如圖 8所示。

圖 8 彈丸出口速度隨電容值變化的曲線

由圖 8可以看出:電容值越大,彈丸的出口速度越大,但系統的能量利用率并不一定越高。可以定義系統的能量利用率:

根據式(5)得到能量利用率隨電容器電容值變化的曲線,見圖 9。

圖 9 能量利用率隨電容值變化的曲線

由圖 9可見,增大電容雖然能夠提高發射的速度,但這是以增加電源的初始能量為代價,發射的效率并不一定能夠提高,對于上述確定的參數,當電容值為7 000μF時,效率最高。

2.5 電容器充電電壓對出口速度的影響

電容器的充電電壓同樣影響電源所能提供的最大能量和電流形式。其他參數不變,選定電容器的電容值為10 000μF,改變電容器的充電電壓,得到彈丸出口速度隨電容器充電電壓變化的曲線,如圖 10所示。

圖 10 出口速度隨充電電壓變化的曲線

同樣根據式(5)得到系統能量利用率隨充電電壓變化的曲線,如圖 11所示。可見,在上述確定參數下,當電容器充電電壓約為 230 V時,能量利用率最高。

圖 11 能量利用率隨充電電壓變化的曲線

3 結束語

電磁手槍作為一種新概念武器,具有很強的應用潛力,它不需要很高的發射速度,也不需要發射很大質量的物體。本文中對線圈式電磁手槍的基本工作原理進行了介紹,并從驅動線圈匝數、彈丸壁厚、電容器電容值、電容器充電電壓等方面分析了其對彈丸電磁力、出口速度及能量利用率等方面的影響,為下一步實驗研究奠定了基礎。

從仿真的結果來看,彈丸的出口速度不是很高,一般都在 50m/s以下,這主要是因為電源電壓限制和材料選取還存在一些瓶頸,但是隨著對超導技術和高性能電磁技術的深入研究,這些問題都將得到很好的解決。

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(責任編輯陳 松)