基于激光制導(dǎo)的模擬曲射電磁炮設(shè)計(jì)

屈召貴，楊 睿，孫學(xué)斌，饒 蓉

（四川旅游學(xué)院，四川 成都 610100）

0 引 言

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)動(dòng)能殺傷武器。與傳統(tǒng)大炮將火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璨煌姶排谑抢秒姶畔到y(tǒng)中的洛倫茲力來對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速，使其達(dá)到打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。電磁炮主要包括線圈電磁炮、軌道電磁炮、電熱炮和重接炮，主要由能源、加速器、開關(guān)三部分組成。

模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用線圈電磁炮結(jié)構(gòu)，利用激光制導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確打耙。首先利用激光對(duì)前方一定范圍的目標(biāo)進(jìn)行掃描，確定耙標(biāo)位置和距離。然后利用大容量電容器作為能源、利用電磁線圈作為彈丸發(fā)射軌道，當(dāng)電容放電產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流加到線圈上時(shí)，纏繞在發(fā)射軌道上線圈炮管內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生巨大的洛倫茲力，彈丸受洛倫茲力的作用射出炮口，命中目標(biāo)。模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4 m，60°范圍的精確打耙。

1 電磁炮理論分析

1.1 電磁炮力學(xué)分析

電磁炮推動(dòng)金屬彈丸運(yùn)動(dòng)。根據(jù)洛倫茲力，將炮彈從軌道炮管里面發(fā)射出去，經(jīng)典計(jì)算公式為磁路的歐姆定律，如式（1）所示：

式中：為線圈中通過的電流；為線圈匝數(shù)；為磁通截面積；為磁導(dǎo)率；稱為磁阻，表示磁路對(duì)磁通阻礙的物理量；為磁動(dòng)勢(shì)；為磁通量。

1.2 儲(chǔ)能計(jì)算公式

電磁炮的能源決定了射程長(zhǎng)短，其能量?jī)?chǔ)存與磁阻、磁通量、線圈匝數(shù)相關(guān)。在空芯線圈中，為常量，與N的關(guān)系呈線性變化，儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能如式（2）所示：

彈道分析：本系統(tǒng)彈道采用拋物線彈道。如圖1所示，云臺(tái)高度和炮彈落地距離滿足公式（3）、公式（4），與發(fā)射角度、速度等成線性關(guān)系。

圖1 拋體運(yùn)動(dòng)曲線

2 系統(tǒng)構(gòu)成

曲射電磁炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、DC-DC升壓電路、高能電容儲(chǔ)能組件、高壓開關(guān)發(fā)射電路、2-DOF云臺(tái)組成炮架、炮管、線圈、激光測(cè)距傳感器和炮彈（鋼珠）組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)由炮座、U型安裝槽、炮管固定卡、舵機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪等組成。2個(gè)舵機(jī)控制炮管的運(yùn)動(dòng)方向，調(diào)整炮管發(fā)射角度。1個(gè)舵機(jī)用來控制水平方向軸的運(yùn)動(dòng)，1個(gè)舵機(jī)用來控制垂直方向軸的運(yùn)動(dòng)。炮架高度為29 cm，炮座長(zhǎng)為20 cm，寬為15 cm，炮管長(zhǎng)度為19 cm，如圖3所示。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)組成

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由激光測(cè)距傳感器、DC-DC升壓電路、高壓開關(guān)發(fā)射電路、A/D模塊、二維自由度云臺(tái)（舵機(jī)）和人機(jī)交互電容觸摸TFT顯示屏等組成。在電容觸摸TFT顯示屏上輸入?yún)?shù)執(zhí)行相應(yīng)的程序。激光傳感器用于測(cè)量炮位與靶標(biāo)之間的距離和角度。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出彈著點(diǎn)。單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到指定水平角度和俯仰角度，同時(shí)控制DC-DC升壓電路為高能電容儲(chǔ)能組件充電。充電完成后，啟動(dòng)高壓開關(guān)發(fā)射電路，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，發(fā)射炮彈（鋼珠）。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

5 電路與程序設(shè)計(jì)

5.1 高壓開關(guān)電路設(shè)計(jì)

DC-DC高壓升壓電路通過單片機(jī)PD6控制繼電器啟動(dòng)升壓模塊，升壓模塊升壓后，為高能電容組件充電，充電完成后，通過單片機(jī)PD4控制繼電器，再通過繼電器觸發(fā)可控硅，為線圈通電，發(fā)射炮彈。本系統(tǒng)采用5 V電源供電，如圖5所示。

圖5 電源管理電路

5.2 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用觸摸屏控制參數(shù)，按照不同的要求設(shè)置相應(yīng)的指令，系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，數(shù)據(jù)反饋到與單片機(jī)相連的顯示屏。

系統(tǒng)初始化各功能模塊并自檢。炮管自動(dòng)調(diào)整水平和垂直角度分別歸零。參數(shù)輸入后，自動(dòng)調(diào)整炮管的水平角度和仰角角度，啟動(dòng)升壓模塊。充電完成后，自動(dòng)觸發(fā)高壓開關(guān)電路，發(fā)射炮彈（鋼珠）。

舵機(jī)是一種伺服控制機(jī)構(gòu)，采用脈寬調(diào)制信號(hào)控制舵機(jī)角度。控制流程如圖6所示。

圖6 控制流程

6 測(cè)試與結(jié)果分析

6.1 測(cè)試方案

測(cè)量方案1：固定電壓為174 V，調(diào)整炮管垂直仰角，測(cè)量炮彈發(fā)射的距離。通過調(diào)整炮管的水平位置，測(cè)量炮彈彈著點(diǎn)。測(cè)試6次求平均數(shù)據(jù)。

測(cè)量方案2：固定靶標(biāo)的位置，用激光傳感器測(cè)量位置與實(shí)際的誤差。

6.2 測(cè)試儀器

儀器：萬用表、5 m卷尺、量角器、1 m鋼尺，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

圖7 測(cè)試實(shí)物

分別從250 cm到350 cm處對(duì)激光測(cè)試距離數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試距離進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試示意如圖8所示，測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 測(cè)試原理

圖9 激光測(cè)試距離測(cè)試

分別將電磁線圈電源電壓、仰角和炮彈距離一一對(duì)應(yīng)。電磁線圈電壓為174 V，仰角變化范圍為11°～29°，測(cè)試平均距離范圍為200～300 cm，仰角與實(shí)際測(cè)量距離測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 仰角與實(shí)際測(cè)量距離測(cè)試

7 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)的基于激光制導(dǎo)的模擬曲射電磁炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)炮管水平180°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直方向90°范圍調(diào)節(jié)，射程范圍在400 cm內(nèi)。可以通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。