（控制科学与工程专业论文）新型电磁发射技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 电磁发射技术是在发射理论和技术发展上的又一次重大突破，它具有的发射速度高、 能源简易、效率高、性能优良、可控性好和结构多样等普通发射技术不可比拟的优点，使 其在未来军事、民用等相关领域有着重大的意义和应用潜力。本文针对电磁发射技术进行 了理论分析、仿真计算和实验研究。 首先，介绍了三种类型电磁发射器的原理，根据它们的特点，选择效率较高的线圈型 电磁发射器作为研究对象。然后，对感应型和磁阻型两种线圈发射器的加速机理进行分析， 在此基础上，得到了两种线圈发射器的设计准则。由于理论分析的误差较大，利用有限元 分析软件进行仿真计算，两种线圈发射器的仿真结果验证了设计准则的正确性、优化了结 构参数。综合两种线圈发射器的特点和各自的结构参数，设计出了一种新型线圈发射器， 对新型线圈发射器进行仿真分析的结果表明，该新型发射器既可实现磁阻型发射，又可实 现感应型发射，具有良好的发射效果和应用价值。最后，根据理论分析和仿真结果，搭建 了一种磁阻型线圈发射系统，实验结果说明该发射系统克服了传统磁阻型发射器放电时间 难于控制和线圈结构复杂的缺点，实验数据很好地验证了新型发射器的理论设计和仿真结 果，为今后的学习积累了实验数据和实践经验，为进一步的研究探索提供了指导。 关键宇：电磁发射电磁炮线圈发射磁阻型线圈发射感应型线圈发射有限元分析 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t e l e c 订o m a 印e t i cl 籼c ht e c l l i l o l o g y ( e m l ) h 躯t a k c n1 姗c hs c i e n c oa 1 1 dt e c l l n o l o g yi i l t oa n e w 哪e m lh 髂a1 0 to fl l i l i q u ea d v 跗t a g e s ，s u c h 船f h s t e r1 a u i l c hv e l o c i 坝m o r ee 伍c i e n c y ， b e t t e rp e r f b m l a n c e 。e a s i e rc o n 拄o l ，m o 心州o u ss 帆t u r e s 锄ds oo n t h e 陀f m ，i ti ss i g 面f i c a n t 锄dp m s p e c t i v e 恤a te l e c 仃0 m a 印c 廿cl 籼c ht c c h i l o l o g yi sa p p l i e do nm i l i t a f y 锄dc i v 1f i e l d si n t h c 缸u r e i nm i sp a p e r m e 岫r yo f m ee m l t e c h 1 0 9 yi s 黝l y z e d c o m p u t es i m l l l a t i o n 缸i d e x p e r i i n e n tr c s r c ha r ea l s or e a l i z e d f 妇l y ，m ep r i n c i p l e so ft h r e eb 嬲i ct y p e so fe m ll 蛐c h e r sa r ei 址d d u c e d b a s c do n 也e d 硷m c 丽s t i c so ft l l e m ，m ec o 1l 蛐c h e ri sc v e n t u a l l ys e l e c t e d t h e n ，、v ea n a l y z et w ot y i ) e so f c o i ll 蛐c h e r o n ei st l l ei n d l l c t i o nl 羽m c h e r ，m eo t h e ri sf e l u c t a n c el a 眦c h e r 缸1 dt h ed e s i p 皿r u l e s o f 也e s et 、v ot y p e1 a u n c h e rs 咖c t u r e sa 聆画v 姐b e c 8 u m er e s l l l t so ft h e o r ya r en o tp r e c i s e ，i ti s h e l p f i l lt 0u t l l em e t h o do f f i 硝t ce l e m e n t 锄a l y s i s t h ef i l l i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns h o w st h a t 也e m i e so ft 1 1 es 仇l c t i l r ed e s i 掣l sa r ef c 韶o n a b l ea n dt h ep 跏n e t e r so ft l l el 籼c h e r sa r co p 廿m i z e d n e x t ，w ed e s i g nan e wt y p el a u n c h e rb yc o m b 证i i l gt h ec h 盯们t e r i g d co ft w ot y p e so fc o i l l a u n c h e r s t h er e s u l to fs i m i l la _ d o ns h o w st 1 1 a tt h en e wl a m l c h e ri sn o to n l var e l u c t a n c e a c c d e r a t o r ，b u ta l s oai n d u c d o na c c e l e r 砒o r t h en e wl a i m c h e rh 韶g o o dp e d b n n a n c e 蚰d 盯e a t p 砌i c a lw o r i l l f 讥a l l y ，b a s e do nt h er e s m l so f 也e o r y 锄ds i m u l a 虹o n ，am o d e lo f r c l u c t 髓c ec o i l l 姗c h e ri sr e a l i z e d ni sp r o v e dt l l a tm e e wl a l l l l c h e ro v e r c o m e sm es h o r t c o 觚鞭so fm e t r a d m o n a lc o i ll a u n c h e r 、h o d i s c h a r g et i i n ei sd i 街c l l l tt oc o n 打o l 锄ds 仃u c t m - ei sc o m p l e x t h ee x c e l l e n tp c 墒r m a n c eo ft 1 1 el 凯m c h e ri sp f o v e db yt h ee x p e r i m e n td a t 乱t h e w o f k sa r e u s e f i l lf o rf i l t l l r ee m i ，r e s e a r c h k e yw o r d s ：d 雌t 削帅印e t i el a 衄c h ，e i e c t 阳m a 舯e t i c 印n ，c o 订i a u n c h ，r e l u d 丑c e i 且u n c h ，i d u c t i o nl a u n c h ，f m “ee i e m e n t 丑n 曩睁s i s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 堑型垫蕉塞数基垄煎盟窥 学位论文作者签名： 爿羹遗日期：跏5 年j f 月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阕和借阏；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 堑型垫蕉蕴基挂查鲍盈塞 学位论文作者签名：金醯 日期：如茵年，| 月舯 作者指导教师签名：一盔i2 日期：翻奶r 年月加日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 电磁发射技术概述 十九世纪初，物理学家安培发现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的现象。到二十世纪初开始有科学家考虑利用电磁能量来 作为推进动力源。 随着物理技术的不断进步和完善，使目前的发射装置如火炮、火箭等化学类发射器已 不能满足人类对发射能力的更高要求，在此情况下产生了新一代的超高速电磁发射( 推进) 技术。电磁发射技术依据的是洛仑兹定律：当电流通过磁场时，产生同电流和磁场成垂直 方向的力。该力将会使得位于磁场中的带电物体加速向前运动。带电物体可以是弹丸、炮 弹、导弹、火箭、卫星、飞机等物体。 电磁炮就是利用电磁力加速炮弹，使炮弹达到超高速的电磁发射装置。电磁炮和传统 火炮相比，具有以下优势：电磁炮利用电磁力所作的功作为发射能量，不会产生强大的冲 击波和弥漫的烟雾，因而具有良好的隐蔽性；而且电磁炮可根据目标的性质和距离，调节、 选择适当的能量来调整弹丸的射程，效率较高；电磁炮弹丸体积小，重量轻，使其在飞行 时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好，初速度高，射程远；由于电磁炮的发射 过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度； 同时发射成本相对传统火炮来说也低廉很多，因此，各国都在大力推进电磁炮的研究【”。 1 2 电磁发射技术现状 到了二十世纪六、七十年代，科学家首先在电磁发射领域取得了微妙的进展。澳太利 亚国立大学的马歇尔( m a r s h a l ) 及其同事在改进大电流滑动接触技术方面，提出了“等 离子体电弧电枢”概念。1 9 7 8 年，堪培拉澳大利亚国立大学的物理学家理查德马歇尔和 约翰巴伯等人试验了第一门电磁炮，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 的速度，从实验上证明了用电磁力将物体推进到超高速是可行的。这一实验成果 使世界各国的科学家受到极大的鼓舞和启发，也引起了各国军方的兴趣和关注，许多国家 相继建立了实验室，投入大量人力财力进行研究。 8 0 年代以后，电磁炮又取得了以下发展1 2 j ： 8 0 年代初美国苏伦斯利弗奠尔国家实验室和洛斯阿拉莫斯实验室协作，利用口径 1 2 7 姗，长5 m 的轨道炮将2 2 9 的弹丸加速到1 0 l ( i i l s 的高速； 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 j 单极发电机作电源，把重 3 0 0 9 左右的弹丸加速到5 k i i l s 的速度； 1 9 8 4 年，日本一个叫n c l i 的研究机构把2 0 9 的弹丸加速到1 5 k m s ； 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 9 8 5 年，美国维斯汀豪公司把1 5 0 9 的物体加速到9 6 k m s ； 1 9 8 9 年，美国卡曼航天公司把1 1 2 5 k g 的弹丸加速到4 k m s ，频率是3 发分钟； 1 9 8 9 年，美国得克萨斯大学机电中心研制的9 0 咖口径，1 0 m 长的导轨炮以2 6 k m s 的 初速发射2 4 k g 的铝弹丸取得成功； 同年1 1 月，美国麦克斯韦实验室以3 l l i l s 的初速度发射1 _ 5 8 k g 的弹丸获得成功； 1 9 9 1 年，美国桑迪亚实验室将5 k g 的弹丸加速到1 1 ( i i l s ； 1 9 9 2 年，美国战略防御预研所将5 k g 的弹丸加速到4 k m s ； 1 9 9 2 年，美国桑迪亚实验室将1 1 吨重的物体加速到3 0 0 m s ； 1 9 9 8 年，美国科学应用公司将1 0 0 k g 的物体加速到7 k m s ； 1 9 9 9 年，法、德两国联合研究机构i n s t i t u t eo fs a i n t l o u i s ( i s l ) 将6 5 0 9 的弹丸加 速到2 k m s ，其发射装置如图1 1 所示； 2 0 0 4 年，美国海军成功进行了海上发射试验，把2 0 k g 的炮弹加速到2 5 k m s 的速度； 中科院等离子体物理所于1 9 8 8 年8 月也建成了一台导轨式电磁发射实验装置，能把 5 0 9 的发射体加速到3 k m s ； 该所还于1 9 9 0 年建成了一台线圈式电磁发射装置，把4 4 k g 的有效载荷加速到1 4 m s ； 可见，电磁炮发射的弹丸质量越来越大，射速越来越高甚至接近每秒几十千米。由于 电磁发射在发射速度、效率、可控性、隐蔽性和成本等多方面拥有传统化学发射不可比拟 的优点，八十年代以来，美、俄、英、法、日、中、以色列、德国、荷兰以及丹麦等国相 继进行实验研制，并取得了长足的发展，其中美国处于该领域的领先地位。有专家认为， 今后十年中美国将率先研制出可实用的电磁武器，并装备部队，未来高科技战争中，电磁 武器必将称霸于世。 图1 1 法、德i s l 实验室中的屯磁发射装置 1 - 3 电磁发射技术的前景 1 3 1 电磁发射的应用潜力 电磁炮的前景取决于它的优点和可能的应用潜力。人们之所以特别重视电磁炮，是因 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 为电磁炮拥有普通火炮所不能比拟的优点： 初速高：电磁炮的电磁推力比一般火药的推力大一个数量级，且电磁炮不受声速 限制。因此，视弹丸质量的大小，可将其加速到每秒几千米到每秒几十千米，弹丸动能太， 难于跟踪并可减少射击目标的提前量，提高了射击精度。对于天基反导而言，拦截武器的 弹丸速度越高，意味着所用的武器数量越少；况且在特高速( 1 0 0 k m s ) 时，电磁炮的作 战反应速度已经比天基射束武器要快。 能源简易、安全：电磁炮所用的电能不仅安全、成本低，而且增加了发射阵地的 安全性。 有利于隐蔽：电磁炮的火焰、烟雾和冲击波均较小，若合理设计，炮体的后坐力 也很小。 有利于改变射程：电磁炮通过简单地控制输入电流即可以随意精确地改变射程与 初速度。 工作稳定、重复性好：这是因为不存在常规火炮的那种因为点火过程和发射药燃 烧的微量变化而出现的延迟点火、突然撞击和加速度突变等问题。 炮管和弹丸形状不受限制：仅从效率考虑可采用空气阻力小的弹丸。 弹丸的平均加速度和峰值加速度的比值小：其加速度可以做到不随炮管的位置变 化，弹丸几乎是匀加速运动，受力均匀，应力小，不仅稳定性好，而且便于装配精确的制 导系统。 弹丸质量( 体积) 小：弹丸速度高、动能大，需要同样动能时弹丸的质量小，有 利于在坦克、舰船和太空飞行器上大量储存。 装弹快：这是由于电磁炮的多数均可后膛开放，甚至前发未出炮口后发便可装填。 效率高：电磁炮不仅比火炮效率高，而且效率不像火炮那样随初速度变化。用于 天基作战平台时，它比粒子柬武器重量轻、体积小。 可发射质量大小相差悬殊的射弹：既可发射小至毫克级的弹丸，又可发射大至几 百吨的有效载荷发射体。 电磁炮一系列的独特优点，展现出它美好诱人的发展前景。正如第二届电磁发射技术 讨论会的公告所说：“自从发明火药以来，电磁发射技术可能是脉冲功率技术领域中最有 意义的发明。”目前世界正在限制和销毁战略核武器，各国都转向寻求能增强战斗力的战 术武器，电磁炮以它无可比拟的优点倍受青睐。电磁炮的出现，是发射理论和技术发展的 一次飞跃，正如费尔所说：“关于研制电磁发射器的前景是极其美好的，这种新技术与化 学推进剂竞争以代替现有的许多发射任务，并有可能完成以前发射器不能做的工作。它的 意义是极其重大的，将对一个国家的能源、运输、防御和空间规划产生重大影响。”就武 器应用而言，美国1 9 7 8 年开始对电磁炮技术进行了评估，1 9 8 5 年国防科学委员会得出结 论：“未来的高性能武器，必然以电能为基础。” 以上的发展事实和科学预言，为电磁炮和电磁发射技术展现出美好的前景，同时激励 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 着人们为实现它而努力奋斗，一个全新的电磁发射时代即将到来。 1 3 2 电磁发射的应用前景 电磁炮发展前景较好的应用预计是在军事方面。 在陆军中，电磁炮将主要担当自行火炮和防空高炮的角色。电磁炮之所以能作为防空 高炮，是因为弹丸质量体积小、速度高，具有高发射速率，能增大攻击目标的单位面积动 能。即使为避免大气烧蚀而使用4 l ( i i l s 的速度，电磁炮弹丸速度也是常规火炮的2 3 倍。 未来装备了电磁炮的坦克，其防御和进攻能力将提高4 6 倍，如图1 2 ( a ) 所示。美国陆 军提出的电磁炮发展目标是：具有与相同口径常规火炮样或稍轻的重量，初速度达到4 8 k m s ，提供3 0 6 0 兆焦炮口动能，脉冲电源所占空间和重量能满足未来战斗系统的要求， 电磁轨道的设计寿命是发射1 0 0 2 0 0 发弹丸【3 】。 在海军中，可用电磁炮来对付高性能反舰导弹的攻击。未来美国海军对电磁炮的要求 是：飞行质量为1 5 k g ，发射装置重2 0 k g ，初速度2 5 k i i l s ，炮口动能6 3 兆焦，炮膛动能 1 5 0 兆焦，炮管长1 0 m ，峰值加速度4 5 “s 2 ，发射速率6 1 2 发分钟【3 1 。此外，电磁发射 装置还可用在航空母舰上作为飞机弹射器，以取代现有庞大的蒸汽弹射装置，如图1 2 ( b ) 所示。 ( a ) 电磁火炮 ( b ) 舰载电磁弹射系统 图1 2 电磁发射的军事应用 在空军中，小体积高射速电磁炮完全可以作为机载武器。 在战略防御方面，天基电磁炮能发挥更大的威力。可以采用天基电磁炮来拦截中程、 潜射和洲际战略弹道导弹，将比强激光武器系统简单的多，容易实现。而且还可以用来攻 击敌方的卫星和空间站。 在航天领域，不管是军用还是民用，电磁炮都有诱人的前景。第一，可以作为空间轨 道转移器；第二，可以作为航天器的初级发射器。 此外，电磁炮还可以用于高压物理实验等其它非军事领域。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 4 电磁发射的关键技术 电磁炮的关键技术包括电源技术、材料技术、发射器设计技术和系统集成技术。另外， 要使电磁炮具有巨大的威力，不仅需要性能优良的发射系统，还需要强杀伤力的弹丸3 1 。 l 4 。1 电源技术 由于电磁发射装置工作时需要非常大的脉冲电功率，一般在几十或上百兆焦，普通电 源满足不了这一要求。因此，通常的作法是先将初级电源的功率传递给储能系统，将能量 储存起来，储能系统在适当的时机以适当的方式将能量转换到脉冲形成网络中，经过电力 系统的调节以适应负载的要求。 目前，国内外在高功率脉冲电源的研究上有很大的进展，现在的关键是如何将高功率 脉冲电源小型化，以适应现有平台，使电磁发射装置早曰进入实际应用阶段。 电源装置在重量和体积上占有攘个电磁发射装置的最大份额。而在电源装置中，储能 元件的重量和体积约占电源装置的8 0 。脉冲电容器是电源储能元件的首选。从兵器的机 动性要求出发，脉冲电容器应该具有极高的储能密度，以减轻重量和缩小体积，但是，高 镣能密度和长寿命往往相互制约。在满足寿命要求的前提下，最大限度地提高储能密度， 是选择储能元件的标准。 1 4 2 材料技术 为满足电磁发射装置需要承受大电流、强载荷的要求，必须研究和开发出磁能损耗和 焦耳热损耗小、强重比高的结构材料，从而大幅度提高系统效率。目前对材料的研究主要 集中于轨道材料、绝缘材料、发射体材料等。随着超导技术的发展，这一问题将可望得到 逐步解决。 1 4 3 发射器设计技术 发射器是整个装置的核心部件，首先必须根据系统的使用要求，确定采用哪种发射原 理，能够满足性能的要求；其次要根据已确定的发射体动能，推算所需电源的脉冲功率， 来确定最佳的供电方式和采用的电源形式；再次，要研究发射器的结构形式，包括电机的 结构以及能量储存转换方式以保证发射稳定与高效：最后，研制试验样机，进行发射试 验，测试有关数据，并根据试验数据对样机进行修改和完善，为全系统的设计提供必要的 依据。 电磁发射装置是一套集成多种高新技术的系统，近几十年来，围绕发射技术这一核心 问题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系统研制的一项重要的关键技术。在时间上，总体技术必须先行步， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 从系统的总体布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蛇约束条件，以优化系统的总体综合性 能。 1 4 4 系统集成技术 与电源、材料以及发射器技术的研究工作相比，把三部分有机结合到坦克或战舰内的 集成工作相对较容易。这方面应该开展的工作包括电能输送部件，如电缆、接线柱等连接 部件以及传输兆安级电流的旋转连接器的研究，这些问题的解决，也是电磁炮走向实用的 前提之一。 1 5 本文的工作 本课题基于电磁感应原理，设计出了新型线圈发射器系统。针对线圈型发射器系统， 对其电磁场进行了有限元分析，并对系统结构选型、总体结构设计等进行了研究，在此基 础上，完成了系统的制造和实验测试。论文的主要内容如下： 第一章，绪论：介绍了电磁发射的概况、应用前景以及关键问题等。 第二章，电磁发射技术概述：介绍了电磁炮的几种经典的发射方式导轨型、线圈 型和重接型的基本原理及其不同的应用特点。 第三章，电磁发射器系统设计：根据三种电磁发射的特点，选用结构相对简单，效率 高的线圈型发射器进行研究。薨对磁阻型和感应型两种线圈发射器的办速机理进行分柝， 根据理论分析的结果，得到了两种线圈发射器的设计准则。 第四章，线圈发射器系统的仿真分析：首先，根据仿真分析的需要，对线圈发射器系 统进行简化。然后，利用a n s o f t 公司推出的有限元分析软件m a x w e l l 对磁阻型和感应型 两种线圈发射器系统分别进行仿真计算，并针对影响两种线圈发射器性能的结构参数，如 电源，线圈、弹丸等进行了仿真分析。最后，结合两种线圈发射器的特性和结构参数，设 计了一种新型线圈发射器系统，并对其进行仿真验证。 第五章，磁阻型线圈发射器系统实验研究：根据理论和仿真结果，搭建一种磁阻型线 圈发射器系统，对发射器主电路、电源驱动电路、光电检测电路和测速电路的设计进行了 详细介绍。并对该磁阻型线圈发射器系统进行实验研究和数据分析。 第六章，结束语：对本文的工作进行总结，并提出需要解决的一些问题，对电磁发射 今后进一步的研究进行展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章电磁发射技术概述 电磁发射装置一般包括发射器本体、被发射组件和高功率脉冲电源三部分。发射器本 体是高功率脉冲电源的负载。高功率脉冲电源向其提供大电流，而被发射组件由有效载荷 及其承载机构组成，它在发射器本体表面或内部被发射器加速到超高速。所有的电磁发射 装置，其实质都是按电动机原理工作的。虽然所有电磁发射用的推力都来自洛伦兹力或安 培力，但电磁发射装置有不同的类型，按其结构可分为导轨型、线圈型和重接型三种。 2 1 导轨型 导轨型电磁发射装置是电磁发射装置发展的最简单形式。导轨型电磁发射装置本质上 可以认为是一个单匝的直流直线电动机，它由两条平行的金属导轨、电枢及发射载荷、高 功率脉冲电源组成，如图2 1 所示。导轨应由耐烧蚀、耐磨损的良导电材料做成。电枢可 以是高导电率的固体金属、也可以是等离子体或者是二者的混合体。被发射的载荷是放在 电枢前面的待加速物体，可以是绝缘体或被绝缘体包裹的导体。电枢和导轨要有良好的电 接触，电枢起滑动开关和电短路作用。有时电枢可以单独作为发射载荷使用，为了减少摩 擦，在超高速的时候一般采用等离子体做电枢。 当高功率脉冲电源g 通过开关s 向导轨和电枢回路通电，提供电流f 时，回路便有磁 感应强度刀出现，于是有力f 作用在电抠上，f 加速电枢并推动发射载荷向前运动。从而 可使发射载荷达到超高速， f = f x b ( 2 1 ) 图2 1 导轨型电磁发射模型 设线圈的电流为f ，作用于电枢和发射载荷上的力为f 。导轨型电磁发射装置的基本 运动方程为： ，= m ；妄f 2( 2 2 ) 式中 聊电枢和发射载荷的总质量： 辟电枢和发射载荷的加速度： t 导轨的自感梯度； 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f 电源通过导轨及电枢的电流。 由此公式便能求出电枢和发射载萄的速度、季子程署被加速的时阃。同时可以看出，要 想获得高速度，必须供给导轨强大的电流，通常该电流的数值在兆安级，而电流的脉冲宽 度在毫秒数量级。 在强脉冲电流的作用下导轨型电磁发射装置中电枢和发射载荷的加速度很高。因此， 只需要较短的导轨，就能使电抠获得很高的速度。它的优点是结构简单，适用范围广。例 如可用于天基战略反导，发射质量为1 1 0 9 的弹丸，能使其速度达到2 0 k s 以上，以拦 截战略导弹；也可用于地面战术武器，如反装甲和防空；还可用于各类超高速碰撞，包括 碰撞核聚变、流星体碰撞等研究。 从电路的观点来分析，可以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残留在导轨电感中的磁能。这说明， 除菲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 。在简单恒流导轨型电磁发射器中，效率一般只有2 5 左右。因此，效率 低是导轨型电磁发射的最大不足。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地被电源收回。 另外，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。 由于导轨式电磁发射器的研制对阀比较长，其结构也更接近传统火炮的概念，所以导 轨式电磁发射器的发展较快，是最接近实用的一种类型。 2 2 线圈型 线圈型电磁发射器早期称为“同轴发射器”、“质量驱动器”或“行波加速器”等。所 谓线圈型电磁发射器，一般是指用脉冲或交变电流产生运动磁场( 磁行波) 从而驱动带有 线圈的或磁性材料发射体的发射装置。由于其工作机理是利用驱动线圈和被加速物体之间 的藕合磁场，因此线圈型电磁发射器的本质可以理解成直线电动机。线圈型电磁发射装置 是圆筒状的直线电机，它由若干个驱动线圈和一个或多个发射线圈组成，驱动线圈与电源 g 连接，如图2 2 所示。发射线圈绕在发射载荷之上。若驱动线圈和发射线圈中同时存在 电流且方向相同，则两线圈问有电磁力相互吸弓【作用；若电流方向相反。则两线圈相互排 斥作用。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。 目前使用较为常见的线圈型电磁发射装置有无刷直流电机型、有刷直流电机型、磁阻 电机型、同步感应电机型和异步感应电机型，后两种是主要的形式，因为它们把驱动线圈 与电源直接相连，省去了电捌换向环节。以同步感应型电磁发射装置为例，其发射线圈所 受的推力为： 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 c = e 等警 ( 2 s ) 式中 驱动线圈的脉冲电流 发射线圈自感 m 外部固定的驱动线圈和内部携带发射载荷运动的发射线圈间的互感 掣沿运动方向坐标距离x 的互感梯度 图2 2 线圈型电磁发射装置示意图 目前，常见的线圈型电磁发射装置的驱动线圈和发射线圈的相对位置排列有两种形 式：种是平行地排列，发射线圈在驱动线圈上面平行运动，载荷较大时多采用此种方式 如磁悬浮发射、电磁弹射器等；第二种是轴线重合地同轴排列方式，这种方式多用于发射 较小的弹丸，图2 3 所示 按时缝赠 ( a ) 平行排列 b ) 同轴排列 国2 3 线蕊型电磁炮的发射方式 线圈式电磁发射装置虽然效率较高，但有些类型仍采用电刷换向或发射线圈与导向板 接触，从而限制了高速发射，并且使能量损失增大。虽然感应型线圈发射装置无接触问题， 但它的电磁力的径向分力较大，导致用于加速发射体的轴向力交小。此外线圈型电磁发射 还存在较大的欧姆损失，在发射线圈上尤其严重。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 重接型 1 9 8 6 年美国桑迪亚国立试验室的考恩等提出重接式电磁发射器的概念，并申请了美国 专利。典型的重接型电磁发射装置是由一对或多对线圈和一个实心发射体组成。下面以单 级重接型电磁发射装置为例介绍其组成和工作原理，如图2 4 所示。 上驱旃线圈 图z 4 平板型单级重接型电磁发射装置 单级重接型电磁发射装置上下各有一个驱动线圈，两线圈同轴对称放置，中间留出间 隙以便发射体在其中运动。发射体是由抗磁性良导电材料做成的实心物体，以防止磁场快 速渗入其内。上下线圈串联，使用同一电源；两线圈缠绕或串联时应保障磁力线方向相同， 并且垂直板状发射体。发射体的面积应略大于线圈空心口的面积，以便能完全将空心口遮 住。 用外力将发射体射入间隙中，此时不需要对线圈馈电。当板状发射体的前端达到线圈 前沿，即发射体完全遮住线圈空心口时，发射体与驱动线圈有最大的磁耦合，外接脉冲电 源向驱动线圈充电并使电流达到最大值。当发射体的后沿与线圈的后沿重合时，将外接的 脉冲电源断开，此时的电能以磁能方式储存在上下两个线圈的磁场中。由于磁力线不能在 短时间内渗入或通过抗磁性的发射体，所以磁力线被发射体截断，强迫上下驱动线圈产生 的磁通自成回路。当发射体向前运动使其尾部与线圈边缘拉开缝隙时，原来被发射体截断 的磁力线在拉开的缝隙中重接，重接使原来弯曲的磁力线有被拉直的趋势，从而推动发射 体向前运动，此时储存在线圈内的磁能变成发射体的动能。本质上，是变化的磁场在发射 体内产生涡流，而发射体尾部的涡流与刚重接上的变化磁场相互作用产生电磁力，从而推 动发射体向前运动。 对于板状的重接型电磁发射装置其发射体所受的推进力 疋：厶艺2 = 警 ( 2 4 ) a p 乒p 式中 驱动线圈的电流 厶驱动线圈的电感梯度 爿。磁压力对弹丸p 的有效作用面积 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以弹丸尾端横截面积 f 。密度成的弹丸长度 按照线圈缠绕方式的不同可能分为箱型、方饼型和圆饼型，如图2 5 所示。箱型线圈 具有较高的机械强度，固定比较容易，但是其效率偏低，体积较大；方饼型线圈的效率比 较高，体积相对较小，但是机械强度比较差，固定起来有一定难度，尤其在拐点处容易发 生断裂。因此又在方饼型线圈的基础上改进为圆形线圈，改进之后线圈的抗断裂的强度有 了明显加强，但是同样存在固定复杂的问题。 按照是否连接激励脉冲电容可以分为带电容式和不带电容式，见图2 6 。带电容式的 电能储存在电容里，其结构相对简单，体积相对小些；不带电容式的电能储存在上下两个 线圈中，其具有更高的瞬时加速度，但控制起来比较复杂。 。焦事謦。眵 图2 ，5 方饼型和箱型重接发射器 图2 6 带电容和不带电容的重接发射器 2 4 本章小结 根据对不同电磁发射原理的分析，知道了各类型发射器的结构特点和当前的应用状 况。表2 1 为三种类型电磁发射装置的性能对比。 表2 1 三种电磁发射装置的研究概貌 弹丸质速度范圈 类型原理炮管形式电枢电源研究状况 量k g k m 8 固体或等 l o 1 0 3 1 0 2 1 c ，b ，a ，l i f 惦，即将投入 导轨型洛伦兹力金属导轨 离子体f c g ，础d g ，c a p使用 金属环， 1 0 1 0 31 0 1 0 一 r f g ，d a ， 工程发展 线塑安培力驱动线圈 绕组线圈c a p ，c ，a研究 l 1 0 1 0 lr f g ，d a ，c ，应用基础 重接型磁场重接无炮管无电枢 c a p ，m f c g ，姗d g研究 注：c 一电热器，b 一蓄电池，a 普通交流发电机，h p g 一单极发电机，c a p 一补偿脉冲交流发 电机，肝c g 一磁通压缩发生器，棚d g 一磁流体脉冲发电机，r f g 一增频发电机，d a 一圆 盘交流发电机。 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章电磁发射器系统设计 电磁发射有多种类型，本章通过对各种发射类型的特性进行分析，最终选取结构相对 简单、效率较高的线圈型发射方式进行研究。并对线圈型发射方式的两种加速机理进行分 析，从理论上得到了结构参数的设计准则。 3 1 发射器系统的类型选择 电发射总体上分为：电热发射和电磁发射，分类结构如图3 1 所示。电热发射中有相 当一部分是化学发射，本文不予研究，具体分析内容集中在纯电磁发射方面。由第二章可 知电磁发射分为三类：导轨型、线圈型和重接型。经过分析可知，不论是导轨型还是重接 型实质上都是线圈型的扩展。导轨型可以看成单匝线圈的线圈型发射器。而重接型只是磁 场分布上和线圈型有所区别而己。本节通过分析三种发射器的原理和特点来选出所需要的 发射器类型。 图3 1 电磁发射分类示意图 导轨型需要有两条金属导轨和一个电枢，在工作过程中导轨间要施加很高的电压，电 枢和导轨问会被强烈的腐蚀，并且发射过程中，电枢的高速运行使得电枢与导轨之间发生 的磨损是不得不考虑的问题。而这些问题涉及化学、电学、力学和材料学等方面许多复杂 的学科，而且导轨型电磁发射器效率一般只有2 5 左右。因此，不宜采用导轨型发射方式 进行研究。 重接型和线圈型实质上一样，都是一种特殊的感应型线圈发射器。重接型与线圈型相 比主要差别在于：一是驱动线圈的排列与极性和线圈型不同；二是弹丸为实心的非铁磁性 材料良导体；三是以“磁力线重接方式”工作；四是需要有较高的初速度。 较之导轨型和重接型，线圈型有其自身的优点： 1 加速力大，它的加速力峰值是导轨型的1 0 0 倍： 2 由于线圈型电磁发射装置靠磁悬浮力运动，发射线圈不与驱动线圈直接接触，减 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 少了摩擦和避免了导轨的烧蚀，而且加速力施加于整个载荷之上，从而使能量利用率提高； 3 。需要的电流较小，不存在兆安级的脉冲电流，并可使开关装置简化； 4 无初速度要求，可以在零初速度下开始加速； 5 线圈型的弹丸一般为空心圆筒形，从而大大减小了弹丸质量。 虽然线圈型电磁发射装置结构上较为复杂，但应用前景非常广阔。因此，根据现有情 况。发射器系统选择线圈型发射方式。由第二章介绍可知，线圈型发射器从线圈排列上分 为平行排列和同轴排列。前者适合加速较大质量的物体，而后者适合加速较小质量的物体， 如炮弹等。同轴排列的线圈发射器从结构上又分为有刷型和无刷型。有刷型结构复杂，原 理上类似于导轨型，其弹丸线圈均由外电源提供电流，即或者在加速期间由外电源馈电， 或者使用超导体储存永久电流，或者以大的时间常数携带持久电流。因此，必须备有弹丸 线圈所用的外部电源或制冷系统。这无疑将导致发射器的复杂和笨重，且由于滑动接触， 速度受限。因此，为了降低系统的复杂度，本实验系统选则结构相对简单的同轴无刷型线 圈发射器作为研究对象，如图3 2 ( a ) 所示。同轴无刷型线圈发射器一般由储能电源( 电容 器组) 、驱动线圈、轨道、弹丸线圈( 或被驱动环) 、开关等组成，如图3 2 ( b ) 所示。为了 保证磁耦合最紧密，通常选驱动线圈和弹丸线圈同轴且直径近似相等。同轴无刷型线圈发 射器( 以下简称线圈发射器) 的加速机理大体可以分为两类：感应型和磁阻型。两类线圈 发射器不仅原理不同，设计特点也各异。以下对感应型和磁阻型线圈发射器的加速机理和 设计准则分别进行讨论。 开蓑 ( a ) 线圈发射示意图( b ) 线圈发射电路原理 图3 2 线圈发射示意图 3 2 感应型线圈发射系统设计 3 2 1 感应型线圈发射器加速机理分析 靠感应电流加速的线圈发射器可分为两大类；分立驱动线圈的同步脉冲感应线圈发射 器和连续驱动线圈的异步感应线圈发射器。前者又有单级和多级之分。同步脉冲感应线圈 发射器的弹丸线圈电流是由单相的驱动线圈同步脉冲放电产生的，多级工作时类似直线同 步电动机。异步感应线圈发射器的驱动线圈是连续的绕组，多相激励，弹丸线圈借助滑差 速度感生电流，即以直线感应电动机原理工作。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 脉冲感应型发射器加速弹丸，要求给驱动线圈施加脉冲电流，即驱动线圈中的电流变 化率很大，此时弹丸才会被铰链磁通感应出一环形电漉( 涡流) ，此环形电流与两线圈的 磁场相互作用产生安培力，从而驱动弹丸线圈朝前运动。若两种线圈的互感为m ，则弹丸 线圈的总电流f 。= m 。将其代入下式，即可得到作用在弹丸上的驱动力 o ：o ，掣：露萼婴 ( 3 1 ) ，p = 0 j p ：一= ：一j l o l ， “ “ 式中 三表示弹丸电感； f 。，0 分别表示弹丸和驱动线圈中的电流。 这样，欲获得任一方向的加速力，只需测量或计算出弹丸线圈和驱动线圈间在那个方 向上的互感梯度即可。使用电感模拟技术能够容易地分析任何结构线圈发射器的弹丸受力 情况，只要仿照发射器的结构做成类似的模型装置，然后用电桥在适当频率下测出互感。 图3 3 为两线圈互感以及互感梯度分布曲线，可见，当两线圈共面时。互感m 最大，而互 感梯度兰兰= o ，其绝对值最小。互感梯度随z 呈正负双峰值变化。把驱动线圈的中心面到 积 某一互感梯度峰值的距离定义为“电感长度”，用表示之，且k 幸 孙 x l 区 图3 3 弹丸和线圈互感及互感梯度的分布 3 2 2 感应蛩线圈发射器参数设计准则 3 2 2 1 弹丸设计 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 弹丸材料选择 尽管脉冲感应型线匿发射器的原理篾单， 量控制能量传输过程的方程却异常复杂，电 流、电阻、电感和磁耦合之间的关系使得这些方程相互关联，因此，精确求解这些方程是 有困难的。为研究控制方程中主要参量与其它参量的相关性，哈特使用了简单的不变磁场 模型1 0 】。该模型的条件是：宽度为以的携带电流导体被一恒定的磁感应强度鼠所加速，如 图3 4 所示。 琼 图3 ，4 理想弹丸受力分析模型 由电磁运动学方程c = ，= m 口得到模型的控制方程： 玩以窘一等 ( 3 2 ) ，屯= f ，= 一生 ( 3 3 ) 式中 ，。弹丸导体的电流密度； p 。弹丸的物质密度。 如果导体被加速的距离为缸，则导体单位表面积获得的总动能 去砟也嵋= 碍缸( 2 ) ( 3 4 ) 弹丸的速度 = 【霹x 盯h “2 p ：) 】l ” ( 3 5 ) 式中日电导率为仃的导体焓的变化率。 加速的效率为 仉= p 霹缸，( 口掰船+ 4 p ，k ) 】 ( 3 6 ) 由式( 3 5 ) 可以看出，弹丸密度见对速度有较大的影响。这是因为：对于给定质量的 情况下，低密度导体具有较大的横截面积。因此，它有较宽的导电路径和较小的电阻能量 损耗，从而有相对较大的效率。文献 1 0 对此进行了详细的论证，并得到结论：被加速导 体是低密度材料( 如铝、钠) 时，将比高导电率但密度大的铜好得多。从实际应用考虑， 被加速导体材料选择金属“铝”较好。 2 弹丸结构选择 对线圈发射器弹丸结构的分析，应从电流分布着手，针对其物理特性，以改进发射器 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的性能。线圈发射器的弹丸都是固态良导体环形结构，自成圆形载流回路，与驱动线圈并 无电路联系。弹丸结构或是金属圆筒状，或是多匝线圈。多匝线圈弹丸首尾线圈的短接有 多种形式，如图3 5 所示。发射过程中，筒状弹丸和线圈弹丸所呈现的电流分布、温度分 布不尽相同，机械强度也有差异。 ( a ) 单层中间短接( b ) 双层端面短接 图3 5 线圈弹丸结构 美国德克萨斯大学机电中心在一个特定的单级感应线圈发射器上，对金属圆筒弹丸和 多匝线圈弹丸进行了模拟计算。计算结果表明，金属圆筒弹丸电流分布不均。感应电流集 中于金属弹丸的后部，该处因电流密度大而产生很高的温升，致使效率较低。此外，金属 圆筒弹丸在达到峰值速度后，出现减速。这种称之为“弹丸截获”的现象，对弹丸运动不 利。对多匝线圈弹丸的分析表明，电流轴向分布均匀，因而电流密度低，最大温升可小一 个数量级“。因此，采用多匝线圈弹丸的发射器效率较高。然而，多匝线圈弹丸工艺复杂， 在高速发射时，必须承受巨大力的作用，其机械设计和制造将成为关键。 假定弹丸的出口速度为1 l ( m s ，炮筒长为l m ，且受力均匀。可得到弹丸在炮筒中的运 动时间r = o ，0 4 4 7 s ，弹丸在炮筒中受到的平均加速度a = 2 2 3 6 0 7 m s 2 。但由于电磁发射过 程中电磁力分布并不完全均匀，弹丸受到的瞬时电磁加速度要远远大于上述值，甚至是重 力加速度的几十万倍。再加上与装甲目标的高速碰撞，其硬度至关重要。而且一旦弹丸速 度达到3 k m s 以上，它在空气中高速飞行时产生的摩擦热，也足以将普通材料弹丸熔化。 所以，弹丸材料不仅硬度要高，还要耐烧蚀。 由于现处于实验样机研制阶段，选择结构相对简单的“铝”圆筒形弹丸作为感应型发 射器弹丸较为合适。 3 2 2 2 线圈设计 若以电容器作储能电源，可用图3 6 表示单级脉冲感应线圈发射器的电路模型。通过 两个闭合回路的电压方程，把电路变量联系起来 = 局+