（电工理论与新技术专业论文）基于电磁发射技术的可控基因枪驱动技术研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o l l a b l eg e n eg u nd r i v e nt e c h n o l o g y b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fg e n eg u n ，a so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e si n a p p l i c a t i o no fg e n et h e r a p y , a l t h o u g ht h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh a sa c h i e v e d r e m a r k a b l er e s u l t s ，a l s oe x p o s e dm a n yt e c h n i c a li s s u e sw h i c hr e q u i r eal o to fw o r kt o d o i nr e c e n ty e a r s ，t h er i s eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cl a u n c ht e c h n o l o g yi sal e a pi n l a u n c ht h e o r ya n dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t ；i th a so v e r c o m et h ei n h e r e n tl i m i t a t i o n s a n ds h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ll a u n c ht e c h n o l o g y t h ed e v e l o p i n gp r o s p e c t so f t h ee l e c t r o m a g n e t i cl a u n c ht e c h n o l o g ya r eq u i t ee n c o u r a g i n g t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fg e n eg u nt e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cl a u n c ht e c h n o l o g y o n - t h i s b a s i s ，t h ea u t h o rp r e s e n t san e wt y p eo fg e n eg u nb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h t e c h n o l o g y t h en e wt y p eo fg e n eg u n sw o r k i n gp r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r ea r e d e s c r i b e d t h en e wt y p eo fg e n eg u n st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i c sa n dd r i v i n g c i r c u i ti se s t a b l i s h e d u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ef o rt h ea n a l y s i so ft h e m a g n e t i cf i e l di nt h en e wt y p eo fg e n eg u n ，t h ea u t h o rh a so b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i p a m o n gi n d u c t a n c e ，i n d u c t a n c eg r a d i e n ta n dt h ea x i a lp o s i t i o no fp r o j e c t i l ei nt h e s t a t o rc o i l si sa l s oo b t a i n e d t h es t a t o rw i n d i n g so fd i f f e r e n ts i z e sa r ea n a l y z e da n d c a l c u l a t e d ad y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s i n m u l i n k ，i su s e df o rm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o nf o rt h en e wt y p eo fg e n eg u n t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es p e e do ft h e p r o j e c t i l e ，s u c h a st h ei n i t i a l c h a r g ev o l t a g eo fe n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r , ：t h e c a p a c i t a n c eo ft h ee n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r , t h eq u a l i t yo fp r o je c t i l e ，t h el o o p r e s i s t a n c e ，a n dt h eb e s ti n i t i a lp o s i t i o no ft h ep r o j e c t i l ei sa n a l y z e da n dd e t e r m i n e d t h er e s u l t so ft h i ss i m u l a t i o na n a l y s i ss h o wt h a tt h en e wt y p eo fg e n eg u nc a nn o t o n l ys a t i s f yt h ep r a c t i c a lu s eo fg e n eg u ns p e e dr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oi t ss p e e dc a n i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 b ee a s i l yc o n t r o l l e db yt h ei n i t i a lc h a r g ev o l t a g e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h en e wt y p eo fg e n e g u nl a u n c hm o d e li sc o m p l e t e da n das i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mi sf m i s h e d a s i m u l a t i o nt e s ti sd o n eb yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m t h et e s tr e s u l t ss h o w t l l a tt h em o d e lw o r k se l e m e n t a r ya g r e ew i t ht h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t s a l l t h e r e s e a r c hw o r k sp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ko nt h en e wt y p e o f g e n eg u n k e y w o r d sg e n eg u n ，e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ，f i n i t ee l e m e n t ，s i m u l i n ks i m u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电磁发射技术的可控基因 枪驱动技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：务曼兵日期：知9 7 年卢月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于电磁发射技术的可控基因枪驱动技术研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导完下成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名：锄新旁 日期：砰髟月日 日期：年月日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着基因工程的不断发展，基因枪技术受到人们的广泛关注。作为一种重 要的基因转移技术，基因枪自诞生以来由于其具有安全和高效的优点，为人们 所青睐。目前，其应用范围迅速扩大，从植物基因工程、动物基因工程到现在 的基因治疗和基因免疫领域，从面向细胞的研究发展到在体操作，从植物、昆 虫、鱼到哺乳动物乃至人体，现已有基于基因枪技术的多种基因疫苗进入临床 研究的阶段。就目前而言，基因枪虽然已经实际应用，但是它们都存在一些不 足，这些不足在一定程度上限制了基因枪的进一步推广应用，影响了基因技术 的应用效果。所以，研究能够克服它们不足的新型基因枪是很有必要的，这也 就激励着科学工作者们不断对其进行改进。这也是本文的研究目的。 电磁发射技术是一种新兴的直线推进技术，它可以利用电能将弹丸发射到 超高速，以电磁能取代传统的化学能来实现发射，具有广泛的应用范围，适宜 短行程发射载荷，具有广泛的应用前景。由于起初仅以作武器为目的，因此又 被称为电磁炮。电磁发射技术虽然起步稍晚，但由于其潜在的应用前景，该项 技术的研究还是备受重视。应该说，无论是在军事领域的航母舰载飞机弹射， 还是在民用领域的电磁列车等方面，以加速大载荷为特征的电磁发射技术拥有 广阔的应用空间。在工业技术领域中一些行程较短、以直线运动为主的驱动或 传动环节上也可能会大有作为。 基因枪的动力系统是决定其使用成功的最主要因素，本文针对这方面进行 了详细的研究，以电磁发射技术作为基因枪的驱动力，提出了一种新型的基因 枪。 目前基因枪技术所应用的各种驱动方式都存在着一些不足，这就在很大程 度上限制了它的发展。电磁发射与以往的发射方式相比具有出口速度更高、发 射成本更低、准备周期更短等优点，所以用电磁发射技术作为基因枪的驱动力 具有明显的优势，这也是一次创新性的尝试。应用电磁发射技术能更容易满足 基因枪的速度要求，降低成本，更方便、可靠，而且具有更高的可控性，也开 拓了一种新的驱动方法，所以这项研究在改进基因枪技术方面具有重要的实际 意义，同时也具有广泛的应用前景。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 基因枪技术的概况 基因枪自诞生以来，以其效率高、操作简便可靠、安全和适用面广而为人 们广泛应用。基因枪技术是一种新兴的技术，随着这一技术的不断发展，有着 巨大的经济效益和社会效益。 1 9 8 4 年，美国康乃尔大学生物学家s a n f o r d 提出，并与该校工程技术专家 w o l f 及k l e i n 合作研究基因转移的新方法。操作时先将d n a 吸附于微细的固体 颗粒表面，然后再将其射入细胞，这就是基因枪法。而后，他们以洋葱表皮细 胞为材料，以钨粉为微弹，把d n a 或r n a 导入细胞，并获得了瞬时表达，因 而于1 9 8 7 年发表了第一篇文章，证明此方法是可行的1 1 , 2 , 3 。这标志着基因枪原 理上的成功。c h r i s t o u 和m c c a b e ( c h r i s t o ue ta 1 ，19 8 8 ) 进一步证实了该方法能够 用于将具有生物活性的d n a 导入活体细胞中，接着得到稳定的转化株 ( t r a n s f o r ma n t s ) 【4 l 。此后，基因枪技术以其效率高、操作简便可靠、安全和适用 面广、发展潜力巨大、临床化趋势极强等优点而为人们广泛应用。 1 2 1 基因枪技术的原理及分类 基因枪技术，又被称为生物弹道技术( b i o l i s t i ct e c h n o l o g y ) 或微粒轰击技术 ( p a r t i c l eb o m b a r d m e n tt e c h n o l o g y ) 吲，其基本原理就是将采用外源基因包裹到密 度大而化学性质很稳定的微米级的金或钨上，然后用微粒加速装置打入靶细胞 或组织，以获得整合与表达的目的。 微幽f 酸 f 本 ( ：移瞒姻) 微一 一 + 力随 ll 湖) ，7 图1 1 基因枪的工作原理示意图 f i g 1 - 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f g e n eg u n 高密度的钨粉或金粉微粒通常被做成小圆球状，直径在0 4 2 0 岬之间【6 】。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 大多数情况下待转移的外源基因都是置于这些小圆颗粒的表面，而不是在里头。 装载上外源基因的微粒抛射体不能直接加速到很大的速度，因为它们很微小， 它们必须附着在大弹射体上，这个大弹射体可以被加速到很高的速度从而使 在它上面的微粒抛射体也达到极高的速度i f 。 基因枪的工作过程主要概括为以下几点：首先是通过一个动力系统将大弹 射体加速，大弹射体中包含有微粒抛射体而外源d n a 分子就在这些微粒抛射 体上。大弹射体高速向前运动，突然被一块带滤网的阻挡板挡住，大弹射体停 住，而其上的微粒抛射体带着外源d n a 分子通过滤网仍1 日高速往前运动，射入 置于运动路线上的目标组织。图1 - 1 为基因枪的工作原理示意图。 图1 2 所示为一款美国b i o r a d 公司制造的h c l i o 基因枪，它外形看起来很 像手枪，是一种方便的手提式设备，可对细胞进行快速直接的基因转移。 图卜2h e l l o 基因枪 f i d l - 2 h e l l o 暮e n e g u n 基因枪根据驱动力可以分为3 种基本类型： 1 火药式基因枪是撮原始的类型。这种基因枪白使用以来已先后将外源基 因导入到玉米、小麦和水稻等多种植物材料中，获得了瞬间的或稳定的表达瑚。 它的主体由滑膛腔、真空轰击室和阻弹部件构成。塑料子弹的前端载有大量携 带t # b 源目的基因的微弹，当火药爆炸时，子弹带着微弹高速运动，至阻挡板 时子弹被阻碍，其前端的微弹依靠惯性继续高速运动，击中轰击室的靶细胞。 此装置中粒子速度不能无级调控，可控程度低。 2 压缩气体型基因枪。其动力系统以氦气、氮气和二氧化碳气体驱动。一 种方法是把载有外源目的基因的微弹置于一张金属筛网上，在高压气体的冲击 下，射入受体靶细胞：另一种方法是把外源目的基因与微弹混合后雾化，再由 高压气体驱动射入受体靶细胞，这种系统的靶范围可精确控制到0 1 5 m m 左右。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 高压放电型基因枪。其利用电加速器，通过高压放电将微弹射入受体靶 细胞，其特点是可无级调控，通过调节放电电压来控制粒子的速度和入射速度。 1 2 2 基因枪技术的发展 随着基因枪技术应用范围的扩大，基因枪本身的设计也经历了一系列的改 进。最早期的基因枪体积较大，辅助装置较复杂，位置不能移动，需要转基因 的细胞或组织必须放在固定的容器内，金颗粒最初的能量由高电压提供，使用 较繁琐，对使用者的要求较高。现在的基因枪体积小多了，外形也与早期的基 因枪有了很大的差别，看起来很像手枪，可以随意移动，对需要转基因的细胞 或组织所放的位置不要求，金颗粒最初的能量由高压氦气提供，设备更简化， 使用更方便，适用范围也更广泛了f 9 】。最近，a u r g a n e 公司正在设计一种适于临 床使用的基因枪。这种基因枪用一种无菌的、可处理的塑料喷嘴容纳子弹，使 得转基因就像现在的肌肉注射一样简单。 国内于1 9 8 9 年研制成功火药式基因枪，1 9 9 0 年研制成功以高压脉冲放电来 获取加速动力的高压放电基因枪，均有产品在一些科研单位使用，这标志着我 国在这一领域己开始跨入世界先进行列。 基因枪技术作为一种重要的非病毒基因转染技术，由于其安全、高效的特 点，应用的范围迅速扩大，从最开始运用与植物基因工程、动物基因工程到现 在的基因治疗和基因免疫领域，从面向细胞的研究发展到在体操作【1 0 】。从植物、 昆虫、鱼到哺乳动物1 1 1 , 1 2 】乃至人体【1 3 】，已有基因枪技术的多种基因疫苗进入临床 研究的阶段。研究的结果均表明：基因枪应用于基因免疫领域时仍具有操作简 便，d n a 用量少，效率高，无痛苦，适宜在体操作，尤其适于将d n a 疫苗导 入表皮细胞，获得理想的免疫反应【1 4 】，是基因免疫以及基因治疗领域一种极具 潜力的基因转移方法【”j ，因此受到各界的广泛关注【1 6 】。 当前，基因工程正处于飞速发展时期，越来越多的转基因植物产品进入市 场。同样，利用基因枪法获得转基因生物也具有广阔的发展前景。利用基因枪 法转基因虽然成本较高，但如果资源共享做得好，尤其是随着科学技术特别是 分子生物学技术的飞速发展，基因枪法的成本会不断下降，以往的发展已经很 好地证明了这一点。另外，基因枪法转基因在宿主细胞的选择方面无任何限制， 有着巨大的发展空间。基因枪法在转基因植物、转基因药物、生物反应器、转 基因动物组织器官移植、供体以及基因治疗和基因免疫方面均有广泛的应用， 尤其对家禽、鱼类和昆虫的应用研究以及对乳腺生物反应器和昆虫杆状病毒构 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 建的生物反应器的研究，均显示了巨大的经济效益和社会效益1 1 7 】。 目前，基因枪法转基因技术仍有许多有待解决的问题，如对于基因枪应用 的最佳条件的探索、进一步提高在大哺乳动物中的转染效率以及对基因枪转基 因整个转移过程的微观机制的研究等，还需要进行深入的探索。 1 3 电磁发射技术的概况 随着科学技术的发展，传统的发射装置，如火炮、火箭等化学发射器已不 能满足人类对于发射能力的更高要求。在此情况下，产生了新一代的电磁发射 技术e m l ( e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ) 【l 引。其在发射速度、可控性、隐蔽性和成 本等方面拥有传统化学发射不可比拟的优点，现已成为世界主要工业国家的热 门课题，并取得了长足的发展。 电磁发射技术的基本原理就是通电电枢置于直线加速器或其它类似的磁场 中，利用作用在电枢上的电磁力，使电枢携带的物体获得连续向前的加速度， 从而到达物体发射的目的。 1 3 1 电磁发射技术的发展历程 1 8 3 1 年英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，这一科学发现被认为是电 磁推进技术发展的先导。1 8 4 4 年，c o l o n e ld i x o n 在“n e w l yi n v e n t e d ，e l e c t r i cg u n ” 中，就首次提到了“电磁炮”的概念【1 9 】。1 8 4 5 年，哥伦比亚学院的查尔斯惠 斯通( c h a r sw h e s t o n e ) 教授制造了世界上第一台直线磁阻电动机，并用它把金 属棒抛射到2 0 米远的地方。1 8 9 5 年，梅厄( m a y o r ) 获得了第一个直线感应电 动机专利1 2 0 1 。1 9 0 1 年，挪威奥斯陆大学物理学家伯克兰教授( b i r k e l a n d ) 获得 了第一个“电磁炮 专利，使用管状的线圈将一个被预磁化的铁弹丸发射出去。 他于当年年底建造了他的第一台小型电磁炮模型，成为电磁发射技术发展史的 一个里程牌。1 9 1 6 年，法国科学家福琼维莱普勒( f a u c h o n v i l l e p l e e ) 开始研 究导轨炮，并且在法国和美国都申请了第一个导轨炮专利。1 9 2 0 年，他出版了 本“电气火炮”的书，在书中，他是第一个阐述导轨炮和线圈炮的差别，并 提出电磁发射器概念武器化的潜在可能性和利用电磁力发射有翼炮弹的设想 【2 。二十世纪三十年代，美国普林斯顿大学的n o r t h r o p 教授研制了离散型机械 同步发射器。二战期间，由于战争的推动，电磁发射研究在德国达到了一个高 潮。1 9 4 4 年德国科学家h a n s l e r 等从原理上阐述了导轨炮走向实用化面临的两 个难题：一是电枢：二是电源。他们进行了大量的实验研究，设计了针对防空用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的电磁炮，提出了使用电磁炮推进代替火箭的设想，并计划使用该装置在法国 袭击英斟2 2 1 。由于当时的科学技术水平难以解决电磁发射器的电源、材料、电 枢等技术难题，美国空军科学研究所经过反复论证，在1 9 5 7 年得出电磁发射根 本行不通的结论，这使电磁发射的研究陷入了一个停顿时期。随着脉冲功率技 术的发展，使电磁发射技术在2 0 世纪7 0 年代取得了重大的突破【2 3 】。1 9 7 6 年， 前苏联科学家本达列托夫和伊凡诺夫采用电容器供电的感应线圈把质量为2 9 的 金属环抛体加速到1 2 k m s ，获得的平均加速度a = 7 2 x 9 8 1 0 6 m s 2 。同年在美 国，o n e i l l 在m i t 与p r i n c e t o n 大学建成了基本的质量发射器，初步实现了线 圈炮的诸要素【2 4 1 。1 9 7 8 年澳大利亚国立大学马歇尔及其同事使用5 5 0 m j 的单极 发电机的等离子体电枢，在5 m 长的导轨型电磁发射器上把3 9 的弹丸加速到 5 9 k m s ，这个实验证明了电磁力可以把较重的弹丸推进到高速的可能，他的研 究成果具有划时代的意义，后来相继有一些学者论证了电磁发射的可行性。从 此，电磁发射技术的研究工作迈入了新的阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，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。 而且电磁发射还引起了各国军方的极大关注，纷纷投入大量的人力、物力对电 磁发射进行试验研究，其中主要包括美国、俄国、英国、法国、日本、以色列、 德国、荷兰、中国等，其中美国处于领先地位。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1 次，并允许其它有关国家参加，具有一定的国际性质。于 此同时，其他发达国家对电磁发射技术的研究也取得较大进展【2 5 1 。从1 9 9 9 年4 月在旧金山召开的第十届电磁发射研讨会来看，国外的电磁发射技术的研究发 生了两个重要的变化，一是直线电磁发射技术成为一个目的和应用背景十分明 确的研究方向，影响面正在逐步扩大；二是研究经费的资助方正逐渐转变为军 方，同时，研究内容从理论探讨、原理性实验验证向实用化的演示验证方向发 展，并准备装备部队【2 6 1 。二十一世纪初，在国际互联网上，俄罗斯研究者开辟 了销售电磁猎枪的网站，俄罗斯研究者已经成功的将电磁发射技术已用于单兵 武器应用。 在我国，进行电磁发射技术的研究工作起步较晚。2 0 世纪8 0 年代初，在刊 物上相继发表了一些关于电磁发射的介绍。1 9 8 7 年新概念、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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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炮试验装置。 中科院等离子体物理所于1 9 8 8 年8 月建成了一台导轨式电磁发射实验装置，已 能把5 0 9 的发射体加速到3 k m s t 2 7 1 。1 9 9 1 年中国工程物理研究院流体物理又建 成了我国第一台电热式发射装置【2 8 1 。在理论研究方面，1 9 9 5 年，石家庄军械工 程学院的王莹教授和肖峰在世界电磁发射技术领域第一次出版了电炮原理 等3 本相关专著，对电磁发射技术进行了系统的总结【2 9 1 。2 0 0 4 年王莹教授又和 国外专家马歇尔合作出版了电磁发射方面的英文版专著【3 0 1 。为了促进中国电磁 发射学术和技术的发展，由军械工程学院、哈尔滨工业大学、中国科学院电工 研究所、中国科学院等离子体物理研究所和大连理工大学等单位牵头，于2 0 0 2 年8 月成立了中国电磁发射技术学会，成员单位有3 0 多家【3 l i 。在该学会的组织 下，分别于2 0 0 2 年8 月和2 0 0 4 年9 月在哈尔滨工业大学和大连理工大学召开 了第一届和第二届中国电磁发射技术研究会。随着电磁发射技术的同趋成熟， 其将在会获得更为广泛的应用。 1 3 2 电磁发射技术的分类 电磁发射的发展趋势是由它的种类以及应用前景决定的。电磁发射按照结 构不同可以分为导轨式、线圈式和重接式三种，以下按其种类不同分别讨论。 1 导轨式电磁发射 简单的导轨式电磁发射装置实际上是一个单匝的直流直线电动机。如图1 3 所示，它由一对平行的金属导轨、一个电枢、发射体和高功率脉冲电源组成， 其中电枢位于两导轨之间，与导轨滑动接触，可沿导轨运动。当电源放电时， 导轨和电枢中的电流产生磁场，电枢中的电流又与该磁场作用产生安培力，安 培力推动电枢和发射体沿导轨加速前进，最后发射体以高速出膛。 g 图1 3 导轨式电磁发射装置原理示意图 f i g 1 3t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f r a i ll a u n c h e r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 导轨式电磁发射是目前电磁发射几种方式中研究最为成熟的，相继研制出 了一系列改进型如：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引。导轨式电磁发射不适合发射大质量发 射体，但能够使小质量发射体达到超高速。 2 线圈式磁发射 线圈式电磁发射是由普通的直线电机拓扑出来的，它是电磁发射技术发展 的最早形式。线圈式电磁发射装置可按较大比例增加发射线圈的尺寸，以发射 大体积、大质量的发射体。绕制成多匝的线圈使发射体受力比较均匀，局部应 力减小，更有可能达到高速。感应耦合使驱动线圈和发射体不需要接触，从而 减少电烧灼。电能向动能的转化效率高，理想的设计目标可达到5 0 ，同样的 电流时线圈型的推力比导轨的大1 0 0 倍。单级线圈式电磁发射装置发射时初速 比较低，但是可以用多级形式来补偿这一缺点。因此其特别适用于空间应用和 飞机弹射等大质量发射场合。 3 重接式电磁发射 相对于其它种类的电磁发射技术而言，重接式电磁发射技术的研究工作开 展的较晚。它是利用磁力线的重新接合使发射体得到加速的，实际上是一种特 殊形式的线圈型电磁发射【3 3 1 。重接式电磁发射与其它形式的电磁发射器相对比， 具有无接触、稳定性好、适于发射大质量载荷的优点【3 4 1 。因此重接式电磁发射 也可以应用在空间应用和飞机弹射等大质量发射场合，此外还可应用在电磁装 甲方面。其模型如图1 4 所示。 下线圈 豳 抛体v + 图1 - 4 重接式电磁发射装置模型 f i g 1 - 4r 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 e rm o d e l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 3 电磁发射技术的优点和应用前景 电磁发射器能把物体推进到超高速，这是化学发射器所望尘莫及的。火炮 发射质量大于1 0 0 k g 的弹丸很困难，而电磁发射器不仅可发射克级质量的小弹 丸，还可发射吨级质量的射弹或航天器。电磁发射器的轨道和线圈数量不限， 而且口径形状可各种各样，因此发射的有效载荷形状不受限制。此外电磁发射 器还具有能源简易，效率高，性能优良，可控性好等优点【3 6 1 。 鉴于电磁发射的以上种种优点，使它有着非常广泛的应用前景。 1 科学实验至少在以下两个科学实验领域可使用该项技术，其一是高压 物理领域：研究材料在高压力作用下的性质，即研究材料的状态方程，需要有 超高速碰撞的实验工具；用电磁发射器把弹丸加速到1 0 k m s 以上进行高压物理 实验，无疑是一种有效和方便的方法。其二是受控核聚变实验：目前国外许多 科学家预测，倘若把小弹丸加速到5 0 k m s 以上的速度，以此攻击核聚变燃料靶， 有可能引发热核聚变。直至今日，人们尚无法把小弹丸加速到5 0 k m s 的速度， 今后的电磁发射器，是完成这两类科学实验的有效工具。 2 航天应用主要应用在两方面，即定向发射和轨道转移。早在8 0 年代 初美国宇航局( n a s a ) 就设计了用电磁发射器向太空定向发射有效载荷的庞大 计划。如拟用多级分段的导轨发射器把放射性核废料以第三宇宙速度抛离太阳 系，所需的成本仅是用化学火箭的1 1 0 ，若使用同轴线圈定向发射，将更有 效；再如用电磁发射器代替各种推力器，把航天器从某一地球轨道转移到另一 轨道，进行所谓的轨道转移。其方法是，在太空的电磁发射器利用月球上的物 质( 如土壤) 作弹丸，在发射弹丸时产生的反作用力使发射器及固定其上的航 天器向另一轨道转移。 3 军事应用电磁发射器用于军事作武器时叫做电磁炮。电磁炮发射的弹 丸速度比化学火炮高几倍，因此它的杀伤力、射击精度和命中率等比现在的火 炮都高得多。目前许多国家都主要以军事目的来研制电磁发射器。在战略防御 方面，可置电磁炮于天基，用以拦截弹道导弹。在战术方面，可用电磁炮防空、 反坦克、反战术导弹或作远程火炮用，放在战车上，装在舰船上或固定在岸边 炮台上均可。美国的电磁导轨炮的样炮已做出，目前正在靶场实验，不久将装 备部队。 4 工业交通应用可利用线圈发射器的原理和技术，进行金属电磁成型加 工，或做成电“气锤”用于工业生产。据英国星期日泰晤士报报道，美国 科学家正在利用电磁发射器原理研制一种新型高速电磁列车。这种电磁列车不 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 是利用线圈发射器原理制造的磁悬浮列车，而是采用导轨发射器原理，直接利 用现有的火车铁轨，其成本比磁悬浮列车低，速度比传统列车高。目前桑迪亚 国立实验室在长3 6 m 的铁轨上进行电磁列车模型实验，已从静止加速到 5 4 7 k m h 。 1 4 本课题研究的主要内容 为了能够更好的应用和推广基因枪技术，就需要人们不断努力去改进和研 究。而电磁发射技术日益成熟，又是当前最有前途的发射技术之一。本文正是 基于以上情况而展开的。对利用电磁力作为基因枪驱动力进行研究。本文研究 的主要内容为以下几个方面： 1 对基于电磁发射技术的新型基因枪的系统建模、运行机制、系统方程等 进行了基本的理论分析； 2 利用有限元方法，对其进行磁场分析； 3 建立仿真模型，进行相关的仿真和分析，为最终完成其初步设计提供必 要的基础数据； 4 利用现有的硬件条件，设计实验模型并进行相应的实验研究。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章基于电磁发射技术的新型基因枪设计 线圈型电磁发射器是电磁发射技术的一种，本文研究的新型基因枪就是基 于线圈型的电磁发射技术进行研究的。 2 1 线圈型电磁发射技术的原理 线圈型电磁发射器早期又称“同轴加速器”，“质量驱动器”或“行波加速 器”等。所谓线圈型电磁发射器，一般是指脉冲或交变电流产生磁场( 磁行波) 从而驱动带有线圈的或磁性材料的发射体的发射装置。由于它是利用驱动线圈 和被加速物体之间的磁耦合机制工作，因此线圈型电磁发射器的本质可以理解 成直线电机 3 6 , 4 5 。 最基本的线圈型电磁发射器是两个线圈，一个是固定的定子，称作驱动线 圈，另一个是被驱动线圈电磁作用而运动的电枢，称作发射线圈，其内可以放 置欲发射的物体。两线圈可轴线平行地平面排列，也可轴线重合地同轴排列。 当抛体位于定子线圈左侧时，由电磁感应定律知：电枢受到的洛伦兹力向 右，从而推动抛体向右加速运动。当抛体运动到定子线圈的中间位置时，此时 受力为零，速度也达到最大。若抛体继续运动，通过定子线圈的中心横截面以 后，则抛体受到向左的吸力，从而变成减速力。如果此时切断定子线圈的电流 使抛体不受减速力，就可以达到向前加速的目的【3 7 】。图2 1 为运动和受力模型。 ： 一匡溷 l _ = 叫i i 。兰：二i 抛体 二 j叶【二二二二二二j 三三三三三蚤驱动线圈i 。= 二二：二= 、i 图2 - 1 运动和受力模型 f i g i 2 1m o v e m e n ta n df o r c em o d e l 图2 2 是线圈型电磁发射器的工作原理简图。开关接通之后，驱动线圈和 发射线圈中将同时有电流流过，若驱动线圈和发射线圈中电流方向相同，则两 线圈间电磁力为相互吸引作用；若电流方向相反，则两线圈为相互排斥作用。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由于驱动线圈一般固定不动，所以发射线圈及其载荷受电磁力作用而运动。 图2 - 2 线圈型电磁发射器的工作原理简图 f i g 2 - 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fc o i lt y p ee l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h 单匝同轴线圈式电磁发射装置的加速能力有限，为了获得更高的速度，可 以将驱动线圈和发射体线圈都做成多匝结构，以实现多级线圈加速。发射时依 次给定子线圈供电，于是产生沿运动通道移动的磁场，与抛体相作用产生连续 的加速力，从而使抛体加速运动获得很大的出口速度 3 8 , 4 6 ，如图2 3 所示。 驱动线圈 马医动电流 发射线圈发射体 图2 3 多匝同轴线圈式电磁发射装置示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co f am u l t i - t u r nc o a x i a lc o i le l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h e r 2 2 基于电磁发射技术的基因枪模型的建立 基因枪发射的微粒抛射体可以是任何可被加速并穿透细胞和组织的微小的 粘性颗粒，这种颗粒必须足够小，因为它必须做到既要穿过细胞和组织又要不 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 引起细胞或组织的死亡。这种微粒抛射体不能直接加速到很大的速度，因为它 们很微小，它们必须附着于被称为弹射或膜片的载体上，这个载体可以被加速 到要求的速度，从而使附着在它上面的微粒抛射体也达到要求的速度。所以， 基因枪的关键就是如何使载体获得足够高的速度。 从电磁学基本原理分析，在电磁发射器中，电枢也可以不是线圈，可以是 一个软磁材料j 在这种情况下，当驱动线圈中有电流流过时，作为电枢的软磁 材料受驱动线圈产生的磁场的作用而运动。本文所提出的基于电磁发射技术的 基因枪就是根据这个原理工作的。 图2 4 是本文所提出的基因枪的基本结构简图。基因枪由两部分组成，一 部分是其固定部分一驱动部分，另一部分是其可动部分一电枢。驱动部分主要 由驱动线圈及其骨架组成，这部分有两个作用，一是为电枢部分提供驱动电磁 力使之加速运动到所要求的速度；二是当电枢所受的电磁驱动力减小到零时完 成对电枢的阻挡，使附着于电枢前部的基因微弹脱离束缚而飞向目标。电枢部 分也是由两部分组成：一部分是接受电磁力的软磁材料，另一部分是与软磁材 料固定在一起的轻质固体材料，由它构成基因微弹的载体。 根据电磁学基本原理可知，在图2 4 中，当软磁材料水平方向的中点与驱 动线圈水平方向的中点重合时，软磁材料所受的电磁力为零，如果此时继续允 许软磁材料向前方运动，则软磁材料所受的电磁力将会反向，变成阻止其向前 运动的阻力，所以，应该在软磁材料的中心与驱动线圈的中心重合时设置阻挡 机构，这样可以保证使基因微弹获得最高速度。 轻质载 图2 4 新型基因枪结构简图 f i g 2 4t h es i m p l i f i e ds t r u c t u r ed i a g r a mo fn e wt y p eg e n eg u n 因微弹 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 5 是这种新型基因枪的工作原理简图。图中的c 是充满电的电容器， 作为驱动电源。当开关k 接通后，电容器经过开关对驱动线圈放电，在驱动线 圈中产生很大的放电电流，电枢在这个电流所产生的磁场的作用下向前运动， 当电枢中的软磁材料中心与驱动线圈的中心重合时，电枢被阻挡机构阻挡，电 枢前部的基因微弹脱离束缚飞向目标。 图2 5 新型基因枪工作原理简图 f i g 2 - 5t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fn e wt y p eg e n eg u n 2 3 电磁发射系统的电路分析 电磁发射系统在工作时其电磁过程是极其复杂的，影响的因素也很多，为 了理论分析方便，本文作了如下简化： 1 忽略定子线圈导线中的集肤效应，也就是认为电流在线圈导线中的分布 是均匀的。这样做一方面是考虑到集肤效应不会改变定子线圈的电感量，另一 方面通过适当增加线圈导线的直流电阻值的大小可以对集肤效应进行部分弥 补； 2 忽略定子线圈因受力而产生的变形对其内部磁场的影响。一般来说，定 子线圈所受的电磁力与抛体所受到的电磁力是相等的，所以定子线圈所受到的 电磁力是相当大的，如果定子线圈的结构设计不合理或者定子线圈的机械强度 不够高的话，在发射过程中，定子线圈有可能因受到这个电磁力的作用而产生 变形，从而影响其中的磁场分布，进而影响电磁发射过程，甚至导致定子线圈 损坏。但是，如果设计合理，这种情形是可以减轻或者避免的，所以，在本文 分析时假设定子线圈不会出现这种情况f 3 6 】。 根据上述简化，可以得出以电容器储能为电源的电磁发射器的等效电路图， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 如图2 - 6 所示。 c 图2 - 6 电磁发射器等效电路 f i g 2 - 6e q u i v a l e n tc i r c u i to fe l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h e r s 图中u c ( 0 y g 储能电容器上的电压：i ( 0 y 寸放电回路的电流；r 为回路的电阻； c 为储能电容器的电容量；l 为回路总电感( 即为定子线圈，电枢和它们之间互 感三者的总和，它是一个只与抛体的位置有关的参数) 。 由图2 - 6 等效电路可列出电压回路方程为 t y c ( 垆g r q ) + 昙酬阱p a ( t ) + 喇警圳警( 2 - 1 ) 且 1 ( 0 “掣( 2 - 2 ) 将公式( 2 2 ) 代入公式( 2 1 ) ，经整理可得到 c l ( x ) 学+ c ( 尺+ 掣) 掣州垆。( 2 - 3 ) 这就是在线圈型电磁发射器发射抛体时从电路分析的角度所得到的整个电 路所应该满足的微分方程，可以看出，这是一个关于电压u c ( o 的二阶变系数微 分方程。 又由 百d l ( x ) = 掣詈 ( 2 4 ) d f d xd f 、一 故由公式( 2 3 ) 可得 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c l ( 工，学坝尺+ 掣参半州归。口5 ， 2 4 运动学方面的分析 在图2 6 中，假设在时刻r 抛体所在的位置为x ( o ，此时整个系统的电感量 为三，如果此时定子线圈中流过的电流为i ( 0 ，则整个系统的磁场能量为 1 w = - l ( x ) 1 2 ( 矿) ( 2 - 6 ) 么 假设在非常短的时间间隔缸内，抛体受电磁力作用而移动了距离缸，根据 能量守恒原理，并注意到在此非常短的时间间隔内及d 不随位置而变化，可以求 得抛体上所受的力为 即) = i d w = 圭，2 i d l ( x ) ( 2 7 ) 由公式( 2 7 ) 可见抛体上所受力f 与电流的平方成正比，与电感变化梯度成 正比，而且力的方向决定于电感变化梯度的方向。则抛体的加速度为 口( f ) = 型：熹，2 0 ) a l l ，( x ) ( 2 - 8 ) 式中：m 为抛体的质量。 抛体的速度为 m ，= 胁= 去m 警衍p9，o o 。 抛体运动的距离为 埘= m 盈= 去t p t 胁掣衍 。，000 厶t 仉 在抛体运动过程中，除了受由公式( 2 7 ) 所描述的电磁力作用而产