微型電磁線圈炮的設計與實現

蔡冬如 毛桂平 曹靖偉 張珂 張鵬

摘要：本文通過對電磁線圈炮原理的分析以及電磁線圈炮工作過程的解析，系統闡述現階段微型電磁線圈炮的理論發展等，并在此基礎上，研究微型線圈炮的具體制作方法，展望微型電磁線圈炮在未來戰場上的應用。

Abstract： Based on the analysis of the principle of electromagnetic coil gun and the analysis of the working process of electromagnetic coil gun， this paper systematically expounds the theoretical development of micro-electromagnetic coil gun at the present stage， and on this basis， studies the specific manufacturing method of micro-coil gun， and looks into the application of micro electromagnetic coil guns in the future battlefield.

關鍵詞：電磁炮；小型化；高新技術；新概念武器裝備

Key words： electromagnetic gun；miniaturization；high-tech；new concept weapon equipment

中圖分類號：TM89 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0156-03

0 引言

隨著世界高新技術的蓬勃發展，武器的更新換代越來越快，其發展趨勢已經從普通的熱武器向新概念武器轉化。面對世界格局的新變化，我軍建設邁進了一個新的歷史時期，發展現代技術和裝備是歷史賦予我們的使命和責任。

電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進動能殺傷武器，它利用電磁場產生的洛倫茲力對金屬彈丸進行加速，使其獲得打擊目標所需的動能。與傳統的火藥推動的發射器相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

而作為新概念武器裝備，在實現其預定功能后，將電磁炮實現小型化，最終成為一種單兵武器的構想逐漸受到重視。本文將從原理、工作過程和應用構想等方面系統闡述微型電磁線圈炮的設計與實現。

1 同軸電磁線圈炮的原理及工作過程

廣義上講，所有驅動部分由線圈構成的電磁發射器都可稱為線圈炮。所謂的線圈炮，一般是指使用脈沖或交變電流產生磁行波來驅動帶有線圈的彈丸或磁性材料彈丸的發射裝置，它利用驅動線圈和彈丸間的磁耦合機制工作，本質上是一臺直線電動機。

1.1 同軸線圈炮的原理

其中0真空磁導率是常數，其值為？滋0=4？仔×10-7N·A-2，n為線圈的匝數，I為流過線圈的電流（圖1中為單向電流流過螺線圈內部磁場）。

而彈丸受到的電磁力

F=（B÷5000）2×S

其中B為磁通密度，S為與磁通密度正交的面積，可見磁場密度越強，彈丸垂直于磁場的面積越大，彈丸受到的磁力就越大。

但如果線圈中只有持續的恒定電流通過，彈丸只會在線圈中作往復運動，需要在彈丸減速前切斷或減弱對線圈的供電，這就涉及到電路的控制問題，最簡潔有效的方法是計算合適的電容量，使電容的放電時間接近彈丸運動到線圈中點的時間，彈丸就會在慣性的作用下繼續運動發射出去。

1.2 同軸線圈炮的設計與工作過程

同軸線圈炮是國內最受歡迎的電磁炮。按充電方法分有電池供電和市電供電兩種，按級數分有單級和多級兩種，考慮到便攜性、制作的簡易性和安全性，這里選用電池供電。

1.2.1 同軸電磁炮的結構

如圖2所示，同軸線圈炮主要由電源，升壓模塊，儲能電容，同軸線圈，控制開關，擊發裝置等組成。電源是電磁炮的供能裝置，可以使用市電等交流電，也可以使用電池等直流電源。升壓模塊將電源較低的電壓轉換為高電壓并整流用以給儲能電容充電，如果是市電供電可以不升壓，但任然需要整流。儲能電容用以儲存電能和向線圈釋放電能，可以并聯來增加容量。控制開關控制充電與擊發的時機，可以選用手動開關，也可以是光電開關等自動開關。擊發裝置用以儲存彈丸并將彈丸推至發射初始位置，提供初始動能，如果是手動放置彈丸，此裝置可以省略。

1.2.2 單級線圈炮的設計與工作過程

如圖3所示，當電源開關K1向下接通升壓模塊正極，充能電容開始充電，首次充電電容相當于短路，電流較大，可以采取斷續充電，防止擊穿。充電時間不宜過長，控制電容電壓在420V以下為宜，否則容易燒壞升壓模塊。當K1向上接通，電路處于待發狀態，由于可控硅開關的阻礙，電容不能向線圈放電。將彈丸置于線圈進入端，按下擊發開關K2，電池通過保護電阻給予可控硅開關觸發級正電勢，可控硅開關被激發接通，電容開始給線圈通電擊發彈丸。

升壓模塊選用共地型DC--DC升壓器（如圖4），用來將7.5V-12V的直流低壓轉換成450V的直流高壓，連續使用時需要注意散熱問題，切不可使輸出端短路。這里必須注意升壓器額定的輸入和輸出電壓必須與直流電源和電容的額定電壓匹配，否則容易損壞。可以利用微型繼電器添加高壓關斷功能提高安全性，防止持續充電損壞升壓器和電容。

1.2.3 多級線圈炮的設計與工作過程

多級線圈炮是在單級基礎上增加了額外的線圈和電容，它們共用升壓模塊的輸出端，升壓模塊選用共陰極也是方便為多級拓展提供標準接口。彈丸將在多級線圈中逐級加速，第一級開關由手動觸發，之后的每一級則需要自動觸發。可以利用延時電路計算好彈丸到達時間來啟動，但這樣對延時時間精度要求較高，這里選用光電開關來控制。光電開關位于每一級線圈之前，當彈丸通過時接通擊發電路實現加速，這要求彈丸長度不能過短，否則光電開關難以識別。

2 同軸線圈炮的實現

2.1 材料選擇

考慮安全因素與所需功率因素，建議采用如下主要材料進行制作：電源開關，擊發開關（自復位開關）、整流二極管（IN4007）、儲能電容（330-450V，200-2000UF鋁電解電容）3組、共陰極升壓器一個（自帶整流，7.5-12V轉450V）、可控硅開關（70TPS12或70TPS16）、光電開關、漆包線線圈、電源（12V，10A）、發射管1根（內徑4-10毫米，管壁薄、硬，不導電的為宜，長度根據級數適度）、電阻若干、導線若干。

由于電容對線圈放電時電流可以達到幾百至上千安培，用普通的空氣開關作為啟動開關是危險的，所以這里選用可控硅開關，利用低壓電路來控制高壓電路，也因此需要設計額外的觸發電路。

2.2 線圈的制作

在制作線圈時，匝數的選擇決定著威力和精度的大小，但這并不意味著單位長度內匝數越多磁場越強，因為必須要考慮電阻的問題，匝數越多電阻越大，電流也隨之減小，需要找到一個合適的平衡點。

同時必須注意到線圈實際上是一種電感，作為一種儲能元件，需要考慮它的電感。空心線圈的電感量是一個經驗公式：■

其中R為線圈半徑，n為線圈匝數，S為線圈的截面積，h為線圈的長度。可見如果線圈長度過長，電感將迅速減小，影響線圈的儲能。但彈丸加速路程是線圈長度的一半，h過短將影響彈丸的初速。因此線圈匝數及長度的選擇需要仔細考慮。

從實踐結果來看，第一級線圈前5層每層35圈，第6層15圈，之后的每一級線圈層數逐漸減小，匝數逐漸增多，這樣的線圈效果比較良好，但由于材料等的不同，這個方案并不絕對，需要自行探索。每級線圈之間間隔大約為2cm，這個距離并不絕對，根據每一級的彈丸初速與電容的放電時間可作調整，中間用一個光電開關作為下一級的觸發開關。

2.3 注意事項

制作時注意導線、管腳、焊接點等裸露在外的導電部分，用絕緣膠帶加以包裹或用膠槍加以保護，使其盡量不外露、不相互接觸，確保安全。

線圈屬于電感元件，在電容放電后線圈會產生感應電動勢阻礙原電流的減小，這是很危險的，因此需要利用二極管單向導通的特點回收部分感應電動勢的能量，最好串聯一個電阻保護二極管。

線圈炮的威力不可小覷，在實驗時切不可炮口對人和玻璃等脆弱物體，防止受傷。在出現擊發失敗等情況電容電壓較大且不可釋放時，切不可盲目觸碰防止觸電，最好靜置等待其電壓自然下降。

2.4 改進思路

在射擊精度方面，可采用將微型紅外激光發射器固定在炮管上的形式進行瞄準，通過校靶的方式調整瞄準點的位置。但這種方法精度依然不高。如果改進子彈彈型，射擊精度會有較大提升，比如用寬膠布在子彈上面纏一個尾翼，就像一個管子套在一個柱體上。通過實驗后發現，平頭彈最標準，效率也最高，穩定性優于尖頭。可以考慮在炮管內增加膛線的方式使彈丸旋轉，讓彈丸在飛行過程中保持穩定的飛行姿態，以便提高射擊精度。

3 電磁線圈炮的應用構想

大型的電磁炮在現實中已經在導彈發射等方面表現出卓越的性能，而微型線圈電磁炮毫無疑問在單兵手持武器方面有較大的潛能。便攜式手持電磁炮如果可以研發作為一種單兵武器，廣泛應用于戰場，憑借其體積小、能量大、高效能等特點，相信會給戰爭帶來別樣的影響。

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