一種輕小型電磁推射裝置設計與研制

于德江，馬偃亳，陳 帥，陳 東

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

發射技術伴隨人類的產生經歷了上千年的發展和演變。早期原始社會，在人類不會借助外力時，就采用手拋的形式進行投送發射，比如投送石頭和樹枝用于捕殺獵物、防御威脅等；到了奴隸社會和封建社會，人類慢慢開始知道借助外力和機械原理來提高投擲物體的速度和射程來增強物體的殺傷力，比如弓箭、投石車的發明；封建社會后期，火藥的發明使人類認識到：人不用使用蠻力就可以借助化學能的轉換，使物體達到很高速度和射程，這一認識對人類影響深遠，直到現在，各種火炮、導彈、火箭、汽車、火車、飛機大部分都是借助不同化學能燃料來實現物體的高速運動。然而，隨著電的出現，一種新型能源在可以提高速度和射程的同時，還使各種設備向著無人化、智能化發展；近些年，隨著動力電池和綜合電力系統的發展，新能源汽車、高速鐵路已深入人類生活，而作為新質作戰武器的電磁軌道炮也在全世界范圍內飛速發展，發射方式從機械能發射、化學能發射變革為電磁能發射已是必然趨勢[1]。電磁軌道發射彈丸的主要毀傷機理是動能毀傷，作戰精度高，作用范圍小，殺傷隱蔽[2]，而火炮和導彈，由于彈丸攜帶大量化學燃料，作用范圍大，殺傷區域廣，在大規模作戰時，又有電磁軌道炮無法替代的威力[3]，兩種武器各有優劣。結合兩類武器的優點，采用電磁線圈發射技術來發射攜帶化學燃料的炮彈，既能達到發射的高精度、隱秘性又能發揮炮彈的作戰威力。本文設計并研制了一種一體化輕小型電磁推射裝置來驗證系統結合的可行性。

1 電磁線圈發射技術原理

電磁線圈發射技術利用驅動線圈和電樞之間的電磁耦合機制工作，當驅動線圈通過脈沖大電流，電樞內部感應電流與驅動線圈電流相互作用產生電磁力，推動電樞在線圈中沿軸向運動[4]。驅動線圈和電樞無接觸，推力大，壽命高，尤其適合發射大質量的載荷。電磁線圈發射技術包括同步感應線圈發射技術和異步線圈發射技術。

1.1 同步感應線圈發射技術

同步感應線圈發射，是利用同步放電和拋體線圈內磁通變化感應加速，一般采用多個線圈同軸排列在一起作為初級驅動線圈，驅動線圈采用脈沖電源分離激勵，電樞線圈感應電流作為電樞。多級同步感應電磁線圈發射原理如圖1所示，利用多個脈沖電源對各級線圈同步放電和電樞線圈內的磁通交變感應加速載荷運動[5]。

圖1 電磁線圈發射工作原理

1.2 異步感應線圈發射技術

異步感應線圈發射技術（工作原理如圖2所示）利用多相線圈產生磁場，耦合產生磁行波牽引電樞沿線圈軸向運動。將驅動線圈分為若干段，通過增加激勵電源的頻率，每段使用一定頻率，逐段增頻，實現拋體的加速。

圖2 異步感應型電磁線圈發射工作原理

電磁推力分布于電樞全部，電樞感應渦流和推進力、發熱分布均勻（圖3），使得電樞具有自動對中的特點，適合于發射大質量、高速載荷[6]。

圖3 線圈推進磁場分布圖

2 系統設計

2.1 設計需求

對于20 kg的載荷，推射速度不低于6 m/s，過載不超過300 g，推射裝置重量不超過100 kg。

2.2 技術體制選取

由于本文對系統有輕小型要求，下面從幾個方面對單級同步線圈與單級異步線圈進行對比，由此來確定本文技術體制。

（1）單級同步感應線圈只需要一個線圈，而異步感應線圈至少需要6個線圈才能構成單段發射器，因此單級同步感應線圈的推射器在結構上比異步感應線圈簡單，重量輕，體積小。

（2）單級同步感應線圈只需要1個脈沖電源模塊，而異步感應線圈至少需要3個脈沖電源模塊；單級同步感應線圈的脈沖電源模塊只需要單向充放電，而異步感應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能密度可以超過2.0 MJ/m3，而雙向脈沖電源的電容器儲能密度只能做到0.6 MJ/m3左右。因此，不管從脈沖電源的數量，還是單模塊體積重量，單級同步感應線圈體制均為最佳技術體制。

（3）單級同步感應線圈只需要控制單個模塊觸發放電，而異步感應線圈需要對多個線圈分時序放電，因此單級同步感應線圈控制方式簡單。

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

綜上：本文采用單級同步感應線圈作為電磁推射系統的技術體制。單級同步感應線圈，不用考慮多級同步觸發控制問題，而且能夠大大降低系統的體積和重量，系統只需要1臺充電機、1個電源模塊，通過加入大容量高速供輸裝置或是采用多管方式，利用系統高重頻發射特性，可在短時間內實現大量載荷的快速釋放。

2.3 系統設計

電磁推射裝置由推射器、脈沖電源、充電機、控制系統、電樞、集成框架等組成。工作時，初級儲能儲存的電能通過充電機快速給脈沖電源充電，脈沖電源在總控系統控制下，實現對不同載荷以不同的出口速度釋放。單級電磁感應線圈推射系統組成如圖4所示。

圖4 電磁推射系統組成

系統整體設計參數見表1。

表1 系統整體設計參數

系統總體設計結構如圖5。

圖5 系統總體設計圖

3 仿真分析

針對上述推射器設計參數，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，運行時間20 ms，電樞初始位置42.5 mm，運行步長50μs，仿真結果如圖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，電樞及連接機構重2.42 kg，全載荷最大重量22.42 kg，由此計算得到載荷最大過載208 g，滿足過載不超過300 g的指標要求。

4 試驗驗證

根據系統設計和仿真結果，本文在研制出的一體化輕小型單級同步感應線圈推射器上進行模擬載荷發射試驗驗證。樣機實物圖如圖9。

圖9 樣機實物圖

電樞、連接塊及模擬載荷實物圖如圖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光纖來實現對載荷的速度測量。光纖位移傳感器測速原理：當有物體經過光纖時，傳感器輸出高電平（2～5 V）信號；當沒有物體經過時，傳感器輸出低電平（1 V）信號。

本文采用圓柱形尼龍塊來模擬載荷，模擬載荷外徑180 mm，長度370 mm，重量19.97 kg。為了增加反射信號的強度，通常在其表面涂上一層發射率高的涂料，在其表面纏上一層薄的鋁箔膠帶，同樣可以增強反射信號強度。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下進行發射試驗，當模擬載荷經過光纖時，采集到的信號如圖12所示。

圖12 速度信號

從示波器采集的信號可以看出：電樞經過光纖的時間59.6 ms，電樞長370 mm，計算可得電樞速度為6.21 m/s，與仿真速度6.24 m/s基本一致，誤差約為0.5%。

整個系統重量實測91.8 kg，不超過100 kg的指標需求。

5 結束語

本文采用單級同步電磁線圈推射技術，設計了一種一體化輕小型電磁線圈推射裝置，通過仿真和試驗，驗證了該裝置推射大質量載荷的可行性：對于不超過20 kg的載荷，推射速度不低于6 m/s，過載不超過300 g，系統重量不超過100 kg。該試驗裝置搭載裝填裝置和初級能源后可實現快速連續發射，這在某些特定載荷的快速釋放和部署方面有廣闊的應用前景。