（电机与电器专业论文）三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现.pdf

三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h em e a s u r ea n dc o n t r o lu n i ti n3 - s t a g e r c e m l a b s t r a c t r e c o n n e c t i o ne l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ( r c e m l ) i sr e c e n t l yp i o n e e r e da so n eo ft h e m o s tp r o m i s i n ga p p l i c a t i o nd o m a i n sf r o mp u l s ep o w e rt e c h n o l o g y ，a n di t i st h en e w e s t s t y l eo fe l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ，w h i c hi sc o m b i n a t i o no f t h et w of o l l o w i n gm e r i t s o n e m e r i ti sr a i l e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ( e m l ) t h a ti s a b l et ol a u n c he x c e s sh i g h s p e e d p r o j e c t i l e t h eo t h e rm e r i ti s c o i lg u nt h a ti sa b l et ol a u n c hg r e a tm a s sp r o j e c t i l e s o r c e m lw i l lb ew i d e l ya n d f a r - r e a c h i n ga p p l i e d t os p a c e f l i g h t ，a v i a t i o n ，a sw e l la sv a r i o u s n a t i o n a ld e f e n d i n gw e a p o n s ，t r a n s p o r t a t i o na n ds oo n ，a n dg e tm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a t t e n t i o nf r o mv a r i o u sc o u n t r i e s i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo f3 - s t a g er c e m l i sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ，a ni g n i t e dc o n t r o ls y s t e ma n das p e e d - m e a s u r e s y s t e ms u i t a b l ef o rt h e3 - s t a g er c e m la r e ：d e s i g n e d f i r s to fa l l ，a ni n t r o d u c t i o no fe m li s p r e s e n t e db r i e f l y , a n dt h e n a g e n e r a l f o r m u l a t i o no fr c e m lw h i c hi sa ni m p o r t a n ts o r to fe m li si n t r o d u c e dm o s t l y t h e f o r m u l a t i o no fr c e m li n c l u d e st h ed e v e l o p m e n t ，t h ea d v a n t a g e ，t h ea p p l i c a t i o na r e a ， t h es o r t ，t h ep r i n c i p a l ，t h ec o r et e c h n o l o g y , t h ep r o b l e m sn e e d e dt ob er e s o l v e d ，a n ds o o n t h es t r u c t u r e ，t h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，t h e h o l i s t i c a r r a n g e m e n t a n dt h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s s o ft h e3 - s t a g er c e m la r ei n t r o d u c e de x a c t l y t h ei n t e g r a lo f r c e m li sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es u p p l yu n i t ，t h es w i t c hu n i t ，t h em e a s u r eu n i ta n dt h e d r i v ec o i l s e r i e so fp r o b l e m si nt h ee x p e r i m e n ta r ep o i n t e do u ta n dt h ea c t u a lo u t f i t s u s e di nt h e e x p e r i m e n ta r e i n t r o d u c e d t h es t r u c t u r ef i g u r eo f3 - s t a g er c e m li s d e p i c t e di nt h ep a p e r , a n d t h e na n a l y s i so f t h ew o r k p r o c e s s i sp r e s e n t e d i nt h ep a p e r , a ni g n i t e dc o n t r o ls y s t e ma n das p e e d m e a s u r es y s t e ma r ed e s i g n e df o r t h e3 - s t a g er c e m l t h ei g n i t e dc o n t r o ls y s t e mi su s e dt oi g n i t et h e3 - s t a g er c e m l a p p a r a t u s i tc o n t e n d sm a n u a lc o n t r o la n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ep e r f o r m a n c eo ft h e t r i g g e r e ds y s t e mi s t e s t e da n da n a l y z e d t h es p e e d - m e a s u r es y s t e mi su s e dt om e a s u r e t h es p e e do f p r o j e c t i l ea n d i n d i c a t et h ev e l o c i t yt r e n do f p r o j e c t i l ed u r i n g t h el a u n c h 。t h e s t r u c t u r eo fs p e e d m e a s u r es y s t e mi sa n a l y s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n d t f 大连理工大学硕士学位论文 s o f t w a r ei sd e s i g n e di nt h ep a p e r i t 8p r a c t i c a b l et ot h ea c q u i r e m e n to f 3 - s t a g er c e m l s y s t e ma c c o r d i n gt ot h et e s to fi g n i t e d - s y s t e mp e r f o n z a a n c ea n d s p e e d m e a s u r es y s t e m k e yw o r d s ：3 - s t a g er c e m l ；i g n i t e dc o n t r o l s y s t e m ；s p e e d m e a s u r es y s t e m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：生i 幺盘日期：趁翌三二! ：! f 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究目的与意义 目前，用于军事发射领域的能源大体可分为三大类：机械能、化学能和电能。能 源的每次更替变化，都意味着军事技术领域内发生了质的飞跃。入类早期使用的兵器 由于技术落后，只能依靠机械能，例如弓箭、弩、抛石机等等，代替人的肌肉发射物 体，这是发射技术的起始，称之冷兵器时代。1 4 世纪初，我们的祖先发明火药后很快 被引入军事用途，开始了以化学能为主的热兵器时代。与冷兵器相比，火药具有很高 的能量密度和功率密度，发射物体的初速至少被提高了两个数量级。特别是近几十年， 由于制造工艺的不断改进，常规火炮利用化学能就可将几十千克的弹丸加速到接近 2 k m s 。但是以化学能作为能源的火炮，其发射体的初速度将受到燃气声速的限制“2 。 火箭的速度虽然不受滞止声速的限制，但是化学燃料的火箭发动机由于燃料中氧化剂 的分子质量大和自然燃烧的火焰温度的限制，其比推力的上限在4 0 0 0 5 0 0 0 n s k g ， 而且火箭发射存在价格昂贵、不易操作、发射准备周期长等缺点。1 。 所谓的电磁发射是把电磁能转化为动能，借助电磁力做功，实际上它是一种特殊 的电气传动装置。使用电磁发射装置理论上可以把发射体加速到十几甚至几十千米 秒。以军事的观点来看，发射技术的能源从化学能发展到电能时，标志着军事领域到 达了一个新的里程碑。从理论上讲，电与磁是同时出现的，使用电能发射也可能借助 磁场的力量。电磁发射的特点是发射体不受外界影响的限制，只受发射体和线圈材料 的限制，因此电磁发射是一种理想的发射方式。 按照结构的不同，电磁发射装置可以分为导轨型、同轴线圈型和磁力线重接型三 种。卜叫。其中导轨型电磁发射由于大电流电接触现象对导轨的烧蚀严重，系统工作 寿命短；同轴线圈型发射则要增加磁悬浮装置控制发射体，系统复杂。重接型电磁发 射装置综合了同轴线圈型电磁发射装置能：发射大质量发射体，以及导轨型电磁发射装 置能发射超高速发射体的优点，因此重接型电磁发射装置被认为是未来超高速电磁发 射装置的理想结构形式之一。这一系列优点也使它必然在许多领域内有及其广泛的应 用前景1 “3 1 。 本课题的研究是在哈尔滨工业大学对单级重接型电磁发射的研究基础上，进一 步开展的多级重接型电磁发射研究，研究工作得到国家自然科学基金的资助 ( 5 0 3 0 7 0 0 1 ，基于磁力线重接原理的电磁推进技术机理分析及其应用技术) 。 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 1 ，2 电磁发射概述 电磁发射是利用电能或以电能为主要能源，产生推动力推动发射体前进的一类新 型发射技术，广义上讲包括狭义电磁发射( 全部使用电能) 、电热式电磁发射以及混合 式电磁发射。这里我们提到的是狭义的电磁发射技术，目前主要应用于军事科技方面， 军事上称之为电磁炮，与化学能发射相比，电磁发射发展历史较短，属于新技术。 12 1 电磁发射的历史背景与研究现状“4 ”“” 1 8 2 2 年，科学家安培发现了通电导体在磁场中受力的现象并导出了定量公式， 揭示了电和磁之间能够产生机械力这一新的动力源的重要性，为电动机的产生奠定 了理论基础。1 9 1 6 年，有的科学家就开始构想用电磁能量推进弹丸。在第一、二次 世界大战期间和战后，法、德、美、日等国都曾进行过利用电磁力代替火药加速弹 丸的现代电磁发射系统( 电磁炮) 的研究。 1 8 4 5 年已有人用线圈炮把金属棒抛射出约2 0 米。1 8 9 8 年美国一位发明者断占 线圈炮可将炮弹射出2 3 0 千米。2 0 世纪初，挪威奥斯际大学的物理都授克里斯坦勘 克兰获得了3 项电磁炮专利。1 9 0 1 年他制造的世界第一台线圈炮长1 0 米、口径6 5 毫米，能把1 0 千克重的炮弹加速到1 0 0 米秒。 二战之后相当长的一段时内，因材料和电力等关键问题无法从根本上解决，以 致使电磁炮研究中断了很久。从7 0 年代起，随着一些技术难题相继被解决，使得 电磁炮的研制得以东山再起。1 9 7 0 年德国的哈布和齐默尔曼用单极线圈炮把1 3 克 的金属环加速到4 9 0 米，秒。1 9 7 6 年，前苏联科学家本达列托夫和伊凡诺夫把约1 5 克的金属环加速到4 9 0 0 米秒。到了2 0 世纪7 0 年代，随着科学技术的发展，堪培拉澳 大利亚国立大学马歇尔等人试验了第一门电磁炮( 轨道炮) ，将3 9 重的塑料块加速到 6 k n d s 的速度，显示了这种武器的潜力。从此，电磁发射技术在军事上的应用就构成了 人们热门话题，并开始得到了长足的发展。 8 0 年代以来，尤其是最近十年来，随着新技术、新材料的不断发展，电磁发射技 术在发射装置、发射重量、弹丸速度、大功率电源等方面的研究取得了一系列成果。 8 0 年代初美国苏伦斯利弗莫尔国家实验家和洛斯阿拉莫斯实验室协作，利用口 径1 2 7 m m 、长5 m 的轨道炮将2 2 9 的弹丸加速到1 0 k r a s 的高速，其所使用的电源是 一种磁通压缩发电机，它能把爆炸能量转变成电能。美国西屋公司研制出一门实验 型轨道炮，它用一个1 7 5 m 5 单极发电机作电源，把重3 0 0 9 左右的弹丸加速到5 k m s 的初速，其炮口能量达2 8 m 5 。在这同时，其他发达国家对电磁发射技术的研究也取 得较大进展。如，前苏联的a 斯维特索夫也曾将13 9 重的弹丸加速到2 k m s 。 目前，世界上己试制成功炮筒直径为0 3 m 、长2 5 m 的电磁轨道炮，能将3 9 大连理工大学硕士学位论文 3 0 0 9 重的聚碳酸脂塑料弹丸加速到4 k m s 1 l k m s 的速度。美、英等国还研制了一 些新的发射装置，在发射重量和弹丸速度等方面都取得了一些新成果。在大功率电 源研究方面，美国已研制成功的炸药发电机能提供3 0 m j 的能量，最大电流达2 5 0 m a 。 此外，还研制成功一种5 m j 的单极发电机可获得1 m a 的大电流。 由于利用电磁发射弹丸具有射程远、速度快、杀伤力大：射击无声响、无烟雾、 无炮口火焰，具有良好的射击隐蔽性；射程调整方便，不受推进剂原料的影响；电能 可用任何初级能源来产生等优点，因此，其军事应用潜力非常大，在未来武器系统的 发展计划中已成为越来越重要的部分。目前电磁炮技术己正式列入美国国防部关键 技术计划。近几年，美国陆军正在进行弹丸速度为2 5 k m s 4 k m s 的电磁炮研究， 以期作为未来主战坦克的主炮，形成新的反装甲能力；美国空军正在演丞验证口径 为9 0 m m 的电磁轨道炮，试验已能把6 k g 重的弹丸以2 k m s 的初速发射出去。战术应 用的电磁炮将进入全面的工程发展阶段，用于战略防御的电磁炮也将进行全面评 估。随着电磁发射技术的日趋成熟，电磁：咆将在2 1 世纪逐步走向武器化，在军事领 域将获得广泛应用。 为了促进电磁发射技术理论的提高和工程技术的发展，由美国陆军军备研究所和 发展司令部( a r r a d i o m ) 以及国防高级研究规划局主办，于1 9 8 0 年召开了第一届电磁发 射技术讨论会，以后每隔2 3 年召开一次并允许其它有关国家参加，具有一定的国 际性质。效仿美国，欧洲各国为推动电磁发射技术的进步，也建立了“欧洲电磁发射 技术讨论会”制度，第届会议于1 9 8 8 年( ) 月在荷兰的德尔夫特( d e l f t ) 召丌。自1 9 9 7 年开始，这两个会议合并举行，电磁发射会议成为观察当今世界电磁发射技术发展的 窗口。 从电磁发射研讨会的论文来看，目前电磁发射技术有两个方面的变化，一个是直 线电磁发射技术成为一个目的和应用背景十分明确的发展方向，影响正在逐步扩大， 另一个是研究内容从理论探讨，原理性实验向实用化方向转化，逐步开始应用于军事 领域。 在我国，电磁发射技术的研究工作起步较晚。8 0 年代初，西南工程物理研究所 和军械工程学院的有关学者就电磁发射理论的可行性和迫切性进行了介绍。1 9 8 7 年 军械工程学院新概念、新原理兵器课题组在提供的兵工情报研究报告“新概念、新 原理兵器的发展与分析”一文中，将电磁发射装置( 电磁炮) 列为八项新概念兵器之 一。1 9 8 6 年中国工程物理研究院流体物理研究所、中科院等离子体研究所分别建立 了电磁导轨型电磁发射试验装置。19 9 3 年电磁发射技术开始列入原国防科工委跨行 业重点预研项目，参加单位有中科院物理研究所、中科院等离子体物理所、南京理 工大学、华中理工大学、军械工程学院等。1 9 9 5 年，军械工程学院的王莹教授出版 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 了世界电磁发射技术领域的第一本专著电炮原理，对电磁发射技术进行了系统 的总结。此外，国内尚有几个单位在“九五”期间进行电磁发射装置的理论研究或部 件性能单元技术的跟踪研究工作。对于重接型电磁发射装置目前研究还比较少。 1 2 2 电磁发射的优点“3 使用电磁力发射弹丸与以往使用火药燃烧释放能量加速发射体相比的优点如下： ( 1 ) 电磁发射与通常的火炮相比，电磁发射将不受滞止声速限制，可以达到超高 速，可将发射体加速到每秒几千米到几十千米；而且发射体的质量也将不受限制。 ( 2 ) 电磁发射使用电能，适合全电战争的概念。电磁发射可以与火药分离，这将 给后勤供给带来革命性的改善。即使在和平年代，大量的火药武器的保管、储藏等等， 都将花费大量的人力和物力。 ( 3 ) 电磁推进与火箭推进相比，用电能代替低烃类燃料，这样不仅安全，而且降 低了发射成本，效率高。 ( 4 ) 由于电磁发射无烟雾、声响极小，因此易于隐蔽。 ( 5 ) 电磁发射的速度更利于控制、加速相对均匀、容易改变射程。电磁发射器便 于调节发射用的功率，只控制供电电流就可调节发射速度和射程。 ( 6 ) 电磁发射的发射体尺寸、质量可大可小，成本比较低。比如用电磁发射器地 对空定向发射大质量的有效载荷，其成本仅是化学火箭成本的千分之；发财同样动 能的弹丸，其成本仅是火炮的i 左右。 ( 7 ) 由于电磁发射的后膛可以开放，因此装填更快，机动性更强、反应更快。 由于电磁发射有咀上的优点，因此它在科学实验、动能武器装备、导弹防御系统、 发射火箭和卫星以及航空弹射等许多领域内有极其广泛的应用前景。 1 2 3 电磁发射的分类” 电磁发射按照发射器的不同主要可分为三类：导轨型、线圈型和磁力线重接型 电磁发射。其中线圈型出现较早，而导轨型电磁发射研究比较多，发展迅速，理论 和实践上都比较成熟，已经接近于实用。本节主要对线圈型和导轨型作简要的介绍， 后面将专门介绍磁力线重接型电磁发射。 ( 1 ) 导轨型电磁发射 电磁轨道炮利用导线把电枢、导轨、电源连成回路，电枢与导轨滑动接触，当电 源放电时，导轨和电枢中电流产生磁场，电枢中电流又与磁场作用产生洛仑兹力，洛 仑兹力推动电枢和弹丸沿导轨加速，最后弹丸以极高速出膛。 简单的导轨型电磁发射装置实际上是一个单匝的直流直线电动机。它由一对平 行的金属导轨、一个电枢、发射体及高功率脉冲电源组成，如图1 1 所示。其中电 大连理工大学硕士学位论文 枢位于两导轨间，由导电材料构成，可以是固态金属，也可以是等离子体，或者是二者 的混合体；电枢起滑动开关和电短路作用。为减少磨损，在超高速( 3 k m s ) 时常采用 等离子体电枢。 g g c ox 圈1 ，】导轨型电磁发射装鼍的构成及其电路模型 f i g 1 1s t r u c t u r ea n d c i r c u i tm o d e lo f e m r l p 从电路的观点来研究导轨型电磁发射装置，将导轨型电磁发射装置看成是脉冲 电源的一个电负载。发射管是沿其长度分布的电阻和电感。通过对电路模型的分析， 可以得出在恒流驱动的简单导轨型电磁发射器中，传递给发射体的动能等于发射后 剩留在导轨电感中的磁能。这说明，除非剩留在恒流导轨电感中的磁能可以被部分 地回收，否则简单的导轨型电磁发射器的效率不会超过5 0 。只有在加速期间使电流 逐渐减小( 但这不利于匀加速) ，磁场能量才能全部或部分她被电源收回。若采用分 散储能器件或馈电方式，允许来自各独立储能器的电流逐渐衰减到零，而发射体加 速区的总电流却近似地保持恒定，则整个系统的效率可提高。因此，在简单恒流导轨 型电磁发射器中，效率只能小于5 0 ，一般只有2 5 左右。 此外，电枢在导轨内高速运行时，会对导轨产生强烈的烧蚀，从而对其性能产生 不良影响。同时，由于导轨的限制，发射器的规模也不易做得很大，限制了这种类型 电磁发射器在发射大质量物体( 如航天器) 上的应用。 人们在后续的研究过程中，又相继研制了很多其他类型的装置。诸如分散馈电 型、分段型、串联增强型、外场增强型、炮口分流型、分立电极型和超导悬浮电枢 型等，使导轨型电磁发射装置的性能和实用化水平得以迅速提高。例如，超导外场增 强型的导轨型电磁发射器的实际效率是简单导轨型电磁发射器的2 倍多，而其中镇 流超导增强的方案目前认为是最好的。由于导轨型电磁发射器的研制时f 刚比较长， 三堑重堡型皇堡茎翌型丝兰垂塑堡生量塞翌 其结构也更接近传统的炮的概念，所以导轨型电磁发射器的发展较快，是最接近实 用的一种类型。 ( 2 ) 线圈型电磁发射 线圈型电磁发射器俗称“线圈炮”，早期又称“同轴加速器”，一般是指用序列 脉冲或交流电流产生运动磁场从而驱动带有线圈的弹丸或磁性材料弹丸的发射装 置。由于其工作的机理是利用驱动线圈和被加速物体之间的耦合磁场，因此线圈型 电磁发射器的本质可以理解成直线电动机。 一个简单结构的线圈型电磁发射器的模型如图1 2a 所示。一单匝的驱动线圈 和一发射线圈同轴排列。发射线圈上以永磁或电励磁方式建立一恒定磁场，两个线圈 之间的互感m 如图1 2b 所示。当驱动线圈中通以图1 2c 规律的电流时，发射线圈 上始终要受到一个轴向力f ，从而使其加速，沿着x 轴的正方向前进。 发普旺 图1 2 单匝结构同轴电磁发射器原理示意图 f i g 1 2p r i n c i p i es k e t c hm a p o f s i n g l e c i r c l ee m c l 当两个线圈电流方向相同的时候，发射线圈将受到吸力，反之，发射线圈将受 到斥力。一般地，为了减少加速力f 的波动和延长其加速行程，上述的驱动线圈和发 射线圈都做成多匝结构，一个多匝线圈型电磁发射器的原理结构示意图如图1 3 所 示。 线圈型电磁发射的优点如下：发射线圈和驱动线圈不接触，故速度不受摩擦的限 制：可按较大比例地增加发射线圈的尺寸，利于发射大体积、大质量的发射体；效率 比较高，同样的电流时线圈型电磁发射器的推力比导轨型的大很多倍。缺点：同步技 术复杂、发射时线圈过热、发射体加速力还受驱动线圈机械强度限制等。 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 线圈型电磁发射器原理示意图 f i g 1 3p r i n c i p l es k e t c hm a p o fe m c l 1 3 重接型电磁发射概述 重接型电磁发射系统主要由带有间隙的线圈和垂直于其轴的位于间隙中的 发射体组成，利用被发射体截断的磁力线在间隙中重接后所具有的拉直趋势来推动 发射体前进，其本质上是发射体在变化的磁场中所产生的涡流和磁场之间相互的电 磁力来加速发射体。它是一种特殊形式的线圈型电磁发射。 1 3 1 重接型电磁发射技术的发展历史 重接型电磁发射( r e c o r m e c t i o ne l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ) 是美国桑迪亚( s a n d i a ) 国家 实验室在8 0 年代初期开始研究，最初称为0 炮，其研究目的是应用在战术武器方面。 该实验室的考恩( c o w a n ) 等从原理上证明了重接型电磁发射与其它形式的电磁发射方 式相对比所具有的无接触、稳定性好、适于发射大质量载荷的优点。1 9 8 6 - - 1 9 9 0 年间， 重接型发射装置是以美国桑迪亚国家实验室研究成果为代表，研究的目的主要用于动 能武器，因此重接型电磁发射以多级为主。美国桑迪亚国家实验室对板状发射体和柱 状发射体重接型电磁发射器都进行了比较深入的研究。对于板状发射体的重接型电磁 发射中使用的是箱型线圈，柱状发射体的重接型电磁发射中使用的是桶状线圈，这两 种方式的电流都工作在直流状态。该实验室在1 9 8 6 1 9 9 0 年间进行了一系列试验，并 建立了w a r p 1 0 码模拟计算程序，极大的推进了此项技术的发展。1 9 9 1 年直到现在， 重接型电磁发射是以美国陆军弹道实验室研究成果为代表，研究的目的主要用于反坦 克装甲，要求重接型电磁发射装置的体积小、重量轻、机动性高，因此重接型电磁发 射以单级为主。美国陆军弹道实验室研究的发射体为板状，线圈以园饼型线圈和方饼 型线圈为主，电流工作在交流状态。该实验室对箱型线圈也做了些研究。在此研究过 程中提出了一种饼型线圈与发射体之间的互感以及电感梯度的计算方法。 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 在国内，中国工程物理研究所与西安电子科技：大学合作，制造了三级柱状发射体 重接型电磁发射装置，整个装置长为3 3 0 m m ，发射体重为l k g ，最终速度为1 0 0 m s 。 近几年来，哈尔滨工业大学和大连理工大学的学者对板状发射体的重接型电磁发射进 行了比较深入的理论和试验研究，发表了一些学术论文和研究报告。在发射体悬浮问 题、线圈受力问题、发射体速度特性和线圈固定等方面都提出了些有价值的方案。本 文主要针对板状发射体重接型电磁发射进行研究。 1 3 2 重接型电磁发射的优点以及应用领域 相对于其他两种电磁发射方式来说，重接型电磁发射有着其自身的优点“： ( 1 ) 重接型电磁发射的发射体在整个运动过程中与驱动线圈没有任何的接触， 这就是说重接型电磁发射没有烧蚀，当然欧姆损失相对也要小得多。 ( 2 ) 重接型电磁发射每单位长度传递给弹丸的能量要比其它电磁发射方式多得 多。 ( 3 ) 重接型电磁发射中的弹丸在飞行中有很大的稳定性，不必担心会产生横动、 俯仰和偏航。 ( 4 ) 重接型电磁发射的效率比较高，而且随着弹丸质量的增加效率也呈现增加 的趋势。 ( 5 ) 重接型电磁发射成本比较低。 重接型电磁发射的上述优点使其在很多领域内有着极其广泛而重要的应用。主 要包括这样几个方面： ( 1 ) 针对较小质量物体( 如核废料、钎卫星) 的超高速发射 小卫星特别适用于应付局部战争和突发事件。民用、军用小卫星的需求量急剧 增加。以往使用多级火箭虽然理论成熟，但是它的结构复杂、发射成本高等缺点限 制了它在小卫星推进领域内应用。而重接型电磁推进有着准备周期短、发射成本低 等优点，因此重接型电磁推进适合这个领域。 以往的核废料常用的处理方法是深埋，还是对环境造成潜在的影响，因此很早 就有人提出将核废料发射到外层空间。而使用重接型电磁发射装置把核废料到外层 空间是一种有效的方法。核废料不受运载器加速度峰值的限制，因此这种应用场合 是比较适合的。 ( 2 ) 重接型电磁辅助发射技术的研究 电磁辅助推进就是利用电磁力，使火箭等运载工具在点火发射前得到一个初始 速度，从而达到节省推进剂、节约发射成本的目的。美国航空航天管理局( n a s a ) 最近提出了一项被称为“高级空间运输计划( a s t p ) ”的研究、开发计划，目的是 大连理工大学硕士学位论文 在接下来的2 5 年里，利用电磁辅助发射技术，大大提高火箭发射的安全性和可靠 性，同时大幅度降低发射成本。磁力线重接型的电磁发射装置以其系统结构简单、 加速力大、加速期间发射体具有自稳定性等特点，使其成为电磁辅助推进的一个很 好的选择。 ( 3 ) 无人飞机或战术导弹的电磁弹射技术 为了减小战场上的目标、增加隐蔽性和增加航程，希望能对无人机或小型战术 导弹给定一个初速度。重接型电磁发射装置显然是一个很好的选择。作为电推进装 置的一种，它可以使用车辆作为甲板，很方便将无人飞机发射成功，此外，有如下 优点：宽广的推力和速度范围，适合于推动不同质量的无人飞机；在发射期间推力 受到控制，可以避免峰值加速度；可以增加无人飞机的机械结构寿命。 电磁发射的出现是发射理论和技术发展的1 次飞跃，它的意义和应用潜力现在 尚很难估计，而重接型电磁发射又是这个领域内优点突出、潜力最大一种发射方式。 因此重接型电磁发射技术在各类国防武器、科学试验、航天和航空领域内有极其广 泛和深远的应用前景。 1 。4 本文的主要研究内容 本文在介绍了重接型电磁发射的研究现状和重接型电磁发射的基本原理的基 础上，综合单级重接型电磁发射的研究成果后，主要就下面几个方面展丌了具体的 研究，包括： ( 1 ) 三级重接型电磁发射实验系统的实现：分析单级重接型电磁发射的特点， 在此基础上拓展到多级重接型电磁发射，本文主要考虑的是三级发射的布局，系统 的构成，各个部分的实现以及必须注意的因素。 ( 2 ) 三级重接型电磁发射点火控制系统：分析三级重接型电磁发射控制系统 的主要构成，需要注意的问题以及各个部分电路的实现，并对设计的点火控制系统 做了性能测试分析，以证明其可行性。 ( 3 ) 三级重接型电磁发射测速系统：分析了三级重接型电磁发射系统的工作 特点和发射体的飞行特性，在此基础上设计了适合该发射系统的测速装置构成，并 设计了相应的硬件和软件。 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 2 重接型电磁发射的基本原理 相对于其他电磁发射方式而言，重接型电磁发射技术的研究开展比较晚，研究 也比较少。重接型电磁发射实际上是一种特殊形式的线圈型电磁发射，重接型电磁 发射器与同轴线圈型电磁发射器的主要差别在于：( 1 ) 驱动线圈的排列和极性与同 轴线圈型的不同；( 2 ) 发射体为实心的非导磁的良导体：( 3 ) 以“磁力线重接”工作。 2 ，1 重接型电磁发射的分类 重接型电磁发射按照不同的标准有着不同的分类方式：按照发射体的不同可以 分为板状发射体型重接炮和柱状发射体重接炮；按照线圈缠绕方式的不同可能分为 箱型线圈型重接炮、方饼型线圈型重接炮和圆饼型线圈型重接炮；按照储能方式不 同可以分为电容储能式重接炮和电感储能式重接炮；按照级数不同可以分为单级式 重按炮和多级式重接炮。“。本文所涉及的为其中的板状发射体、箱型线圈、电容储 能的多级重接型电磁发射，如图2 1 所示( 只显示了单级) ，以后在不特别注明的 情况下，本文讨论的都是这种类型的重接型电磁发射。 图2 1 本文所讨论的重接型电磁发射类型 f i g 2 1 r y p eo fr c e m l i nt h i sp a p e r 2 2 重接型电磁发射的工作过程 图2 2 给出了一种简单的重接型电磁发射系统的原理示意图。它主要包括了脉 冲电源系统，开关以及上下两个矩形的同轴线圈组合而成。发射体沿着上下两个线 圈中间的小间隙，垂直于线圈轴向的方向向前运行，发射体在间隙中将上下两个线 圈的磁力线完全截断，并在发射体运动过程中，发射体后沿发射磁力线重接，从而 推动发射体向前运行。 大连理工太学硕士学位论文 从图2 2 中我们可以看出，重接型电磁发射的电路实际上是一令r l c 振荡回 路，由于电容放电回路中r 很小，因此整个放电是一个欠阻尼过程。 嚣_ 存； 当电路中开关s 闭合的时候，整个电路可以用这样一个方程来描述： u o - z 1i i d t = 三堕d t 十月f ( 2 - 1 ) 其中，u o 是脉冲电容器c 的初始电压值，i 是放点回路的电流，r 是放电回路 的电阻，l 是驱动线圈的电感，c 是脉冲电容器的电容。线圈内的放电电流波形图 见图2 3 所示，可以看出，线圈中电流是一个振荡衰减的过程，放电回路工作在交 流状态。 嚣 帮 n 厂八厂 v vvv | 悯 图2 3 线圈中的电流 f i g 2 3c u r r e n t i nc o i ! 发射体具体的加速过程如图2 4 所示。当发射体接近线圈时，线圈中没有电流 ( 图2 4 a ) 。当发射体的前沿到达线圈前沿时，线圈和发射体之间的耦合达到最大， 外脉冲电源开始向线圈充电，线圈中的电流开始增长( 图2 。4 b ) 。由于发射体比比 线圈的内膛要长，因此最大祸合可以持续一段时间。在这段稳定且最大的耦合时间 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 内，电流增长到峰值，当发射体的后沿开始离开线圈内膛的后沿，拉开一个缝隙时， 两个线圈的磁力线在发射体后方有重接拉直的趋势( 图2 4 c ) 。由于重接的磁力线 伸直以释放其“拉力”，以推动发射体前进。当发射体脱离线圈时，加速便完成了 ( 图2 4 d ) 。原来储存在上下2 个线圈中的磁能转变为发射体的动能。从电路理论 的观点来看，当发射体离开线圈内膛对，每个线圈和发射体之间的负互感被两个线 圈之间的正互感代替了，结果分裂线圈的有效电感会有一个较大的相对增长( 翻 l 几) ，这决定了这种炮的较高的效率和加速度。 趔姊 a 技射体接近b 耦舍选晟大c 电流达最大d 加速完成 无电流电流增长 加速开始 图2 4 发射体加速过程 f i g 2 4p r o c * s so f p r o j e c f i t ea c c e l e r a t i o n 从本质上说，重接型电磁发射是利用螺线管线圈产生脉冲强磁场，该交变的脉 冲磁场在发射体中感应出涡流，涡流反过来又与产生它的脉冲强磁场相互作用，在 发射体的后沿产生一个水平方向的力，从而推动发射体向前推进。形象点说，驱动 线圈内的脉冲电流产生的磁场如果没有发射体的存在是处于一个相对平衡状态的， 由于发射体自身涡流效应的影响，打破了驱动线圈脉冲磁场的这种平衡，但脉冲磁 场又试图恢复这种平衡，就会与发射体涡流所形成的磁场相互作用，从而使得发射 体受到一个推力。 2 3 重接型电磁发射运动方程“ 根据以上的讨论本文确定的重接型电磁发射类型为：板状发射体、箱型线圈、电 容储能的多级重接型电磁发射，如图2 ，1 所示，由高功率脉冲电源、放电开关、驱动 线圈和发射体四部分组成。在这个示意图中高功率脉冲电源由脉冲电容器组来充当。 图2 2 中等效电阻r 包括上驱动线圈电阻r d 。、下驱动线圈电阻r d t 和r ( 电容器电阻、 放电开关s 的电阻、电缆等电阻的总和) 。等效电感包括上驱动线圈电感l 。和下驱动线 圈电感l 。以及电缆，电容器组、放电开关上的电感。它的简化电路模型类似一个r l c 振荡电路，不同的是此电路中的电感、电阻都是变量，这也是分析的难点。 大连理工：赶学硕士学位论文 重接型电磁发射器潜在性能可以通过电路方程和运动方程来描述。电路方程考虑 的是整个回路的电阻、电容和电感。系统中的电感是个比较复杂的量，其中包括线圈 电感、导线电感和开关电感( 忽略脉冲电容器电感) ，在这里线圈电感是发射体位置 的函数，其它成分的电感与发射体位置变化的影响忽略不计。在此前提下，f 时刻的系 统的能量阿例为： 嘲= 扣蹦伪_ 1 旧2 + 罂 ( 2 t + a t 时刻系统能量w ( t + f ) 为： 职r + = 抄仙胁+ 拶1 畎舢) + 窆半f 23 ) 式中i ( f 卜线圈中的电流； 州发射体质量： f 时间增量； v ( 分发射体飞行速度： 三0 ( o ) 导线、放电开管以及线圈的等效电感，包括自感和线圈与发射体 之间的互感，因此它是位置的函数； d 电容器组电容值； q ( f 电容器组的电荷a 由能量守恒定律可知矿( f ) 和w ( f + 0 不相等，因为回路里产生了欧姆损失，即： 一r f 2 ( o a t = 矽( f + 卸一矿( ) ( 2 4 ) 当f 一0 时，由导数定义得： 删妒瓣暑半= d 了w ( t ) = ；堡毪咝【+ 删查d t + 罢警亿；、2 d f c 出 ( 2 5 、 式中卜为回路的总电阻，包括线圈电阻、放电开关电阻、导线电阻以及发射体等 效电阻的总和。该回路的电压方程为： 盟c 一删一堂业d t 型6 。 f 2 ) 将任意时刻的电流f 一一d q d t , 代入式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 中解得： 州d 掣玎( f ) 三旦鸶竽 亿。、 璺三( 坐塑：a z ( x ( o ) 皇：，f n 型塑堕 将等式d t 出d t 、。d x 代入式( 2 7 ) 得： 三级重接型电磁发射测控单元的设计与实现 m d d , - - r = 2 ) 挈( 2 - 8 )酣 甜( 2 - ) f ( ) = 三1 趣) 掣( 29 )2i z 9 ) 式中d l ( x ( t ) ) d x 电感梯度，该变量包含着线圈和发射体耦合的大部分信息； 只f 卜一发射体受力。 式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 是描述重接型电磁发射器性能的数学方程，当知道线圈里的电流 和电感梯度时，我们最关心的重接炮的速度特性也就可以仿真出来。但这种方法不能 直接描述出线圈、发射体、线圈与发射体之间的相对尺寸等参数变化对重接型电磁发 射性能的影响。美国陆军弹道实验室对重接型电磁发射器的仿真就是采用以上的方 法，在这其中电感梯度的测量是难点，通常采用2 ，r l 测量仪，在给定的频率下测试不 同特定位置的电感，在对已经测试出的电感函数对位置进行求导，就得到电感梯度函 数。 实际上以上的数学推导是不严密的：( 1 ) 整个回路电感l ( x ( t ) ) 应当为一个恒定分量 和变量的和，即三= l n + l 似( n ) ，其中l 。为导线电感，l ( x ( t ) ) 为放电开关和线圈电感， 但是开关电感与其它电感相比可以忽略不计。( 2 ) 月为回路的总电阻，包括线圈电阻、 放电开关电阻、导线电阻以及发射体等效电阻的总和，其实此项并不是常数，放电开 关与发射体等效电阻与驱动线圈中电流直接相联系的。 另外，根据系统的能量守恒可以得出重接型电磁发射的加速度为： 4 ：罂 ( 2 1 0 ) 2 m 、 其中m 是发射体本身的质量，是线圈的电感梯度。可以看出重接型电磁发射 的发射体加速度是一个变化的加速度，而不是常量，因为决定加速度的几个参数中， l 细电流i 都是变化量，它们随着发射体位置的不同而变化，因此重接型电磁发射 的加速过程是比较复杂的。 2 4 重接型电磁发射的关键技术 电磁发射的关键技术主要包括以下几个方面：脉冲电源技术、电磁发射器技术、 材料技术以及系统总体技术等。 ( 1 ) 脉冲电源技术：由于电磁发射所需要的能量相当的大，我们需要很高的 脉冲功率，普通的电源很难满足要求。通常情况下是采用先将初级电源的功率传递 给储能系统，将能量储存在脉冲供电系统中，然后在适当的时候进行释放，以满足 我们所需要的高能脉冲。目前电磁炮原理试验样机使用的电源主要有：电容器组、 犬连理工大学硕士学位论文 电感储能系统磁通压缩发生器、蓄电池组、脉冲磁流体发电装置、单极脉冲发电机 和补偿型脉冲交流发电机等七种形式，每种电源都有其自身的特点和使用价值。从 目前研究和试验情况来看，研究的重点是：高能量高储能密度的电容器组、单级发 电机、补偿型交流发电机。这几种电源发展比较迅速，应用也日趋成熟。电源技术 的难点在于缩小其体积。 ( 2 ) 电磁发射器技术：电磁发射器是电磁发射系统的核心部件，决定着电磁 发射所采用的基本原理和方式，也影响着我们所采用的供电形式和脉冲电源系统的 形式。电磁发射器的设计结构，参数极大地影响着电磁发射系统的性能。 ( 3 ) 材料技术：由于电磁发射是在强脉冲电流下进行发射体加速的，其工作 条件比较恶劣，从而对材料的要求也比较高。重接型电磁发射由于发射体不与发射 器接触，无烧蚀，因此对材料的要求相对较低一些。 ( 4 ) 系统总体技术：电磁发射的研究，主要围绕如何提高发射体速度这一核 心问题展开，多年以来开展了许多相关单项技术的研究，并取得了长足的发展。单 项技术发展到一定程度时，系统总体技术就成为一项十分重要的关键技术。必须从 系统的总体部置和各组成部分的功能，以及选择的技术途径和实施方案等全局出 发，为各分系统和零部件的研究发展提出量化指标及相应的约束条件，以求得系统 总体综合性能的优化“。 在上一节中，我们分析过了重接型电磁发射系统中发射体的推进过程，从中我 们可以看出重接型电磁发射中脉冲电源技术和开关技术是其中两个至关重要的技 术，关系到整个电磁发射装置的性能。由于电磁发射需要的能量相当高，要求其电 源必须是大功率的脉冲电源，工作电流高达几万安培，而工作时间却非常短，只有 微秒量级，这就对开关提出了极高的要求。尤其是在多级重接型电磁发射系统中， 要求开关不仅要能够承受很大的