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线圈炮的相关研究

学生：姜 指导老师：张

内容提要：线圈炮为电磁炮的最早形式，本文对线圈炮的发射原理进行了一定的了解，并对发射电枢为闭合线圈的受力进行了分析推导。用铁钉作为发射电枢，用手头材料制作了一个简易的线圈炮。并在实验中，采集数据，得到电枢出口速度与其所在位置的关系曲线，并分析相关误差产生的原因。

关键词：线圈炮、电枢、出口速度

一、 引言
本实验研究的线圈炮为单级感应线圈炮，属于电磁炮，是一种新概念武器。此次实验的主要目的是对这一动能武器进行深入了解探究，明白其发射原理，了解其受力因素，并通过实验进行验证。

二、 实验背景
电磁动能武器[1]即电磁炮是近年来研制的新型武器,是利用电磁加速技术制成的一种先进的动能杀伤武器. 与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸的机理不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场与弹体的作用力发射炮弹. 由于常规火炮是由火药爆发力来发射,最大速度一般无法超过2km/s，而电磁炮发射弹体时,可对弹体受力进行控制,使其速度可远远超过常规火炮,因而自20 世纪80 年代初期以来,电磁炮在新式武器的发展计划中,已成为越来越重要的部分. 目前已有的成果主要有四类, 即导轨炮、线圈炮、电热炮、重接炮。本实验研究的主要是是线圈炮。

三、实验原理
线圈炮[3]一般由储能 电源（如电容器组）、驱动线圈、发射组件（包括电 枢和弹丸）及控制开关等组成。基本结构见图1。

图2 线圈炮的基本结构
在单级感应线圈炮的发射过程中驱动线圈固定，电枢最初位于驱动线圈中间偏右的位置，接通开关给驱动线圈输入脉冲大电流，电流流经驱动线圈产生脉冲强磁场使电枢内产生感应电流。由于驱动线圈中的电流和电枢中的感应电流方向相反而互相排斥。驱动线圈受向左的排斥力，由于被固定而保持不动，电枢受向右的排斥力，由于没有固定而被加速向右运动，并推动发射组件加速运动，直至飞出炮口。而用我们熟悉的方式来说，就是楞次定律的另一方向的应用，即将“阻碍”化为动力，将炮弹发射出去。如图2.

图2

采用电感法计算弹丸所受加速力。理想情况下系统中的总储能为
(1) 电枢的受力可认为是在运动方向上场势的偏导，设弹丸运动方向为x 方向，则弹丸沿x 方向运动时（炮管内运动忽略重力影响），自感项磁能不变 化，只有互感项磁能随x 变化。若不计其他能量损失，t 时刻作用在弹丸上沿x 方向的力为
(2)
在实验中驱动线圈为多层线圈，以左端为坐标原点建立坐标系，则线圈内部磁场的磁感应强度[5] B(x,t)= (3)
驱动线圈与电枢间的互感[2]为 (4)
由于实验条件限制，用直流稳压电源作为电源，通过短时间接通电路获得脉冲电流
(5)
在电枢中产生的感应电流为 （6）
在上式中μ0为真空磁导率，N为驱动线圈匝数，LO为驱动线圈的自感，为驱动线圈的长度，R1、R2分别为驱动线圈的内径与外径，R阻为驱动线圈的电阻，x为电枢左端坐标，为电枢长度，R枢为电枢的电阻，U0为电源电压。
联立（2）（3）（4)(5)(6)式可得电枢受力为
(7)
当时间t小于1ms,F为大于1N的量，当t=10ms时，F无限接近于0，考虑到摩擦力与加速过程，电枢可近似为不动。铁芯具有增强磁场的作用，则用铁钉作为电枢可将受力大幅度提高，但也因为这个特性很难计算铁钉的受力，但假设以上原理仍旧适用，只能研究电枢的出口速度与初始位置的关系。
令铁钉与驱动线圈的中心距为l,出口与地面的垂直距离为h，铁钉落点与出口的水平距离为x，出口速度为v,则由抛体运动方程,
得到出口速度 (8)

四、实验过程：
1、制作驱动线圈：取一根吸管，半径为3mm,作为骨架缠制一个线圈，导线半径为0.41mm，线圈长为5cm，内径为3mm,外径为7mm。
2、选择直流稳压电源：在本实验中利用电脑适配器将220V交流电转换为19V直流稳压电作为电源
3、选择电枢：铁钉（长3.0cm 重1.78g)
4、放置器件：将驱动线圈置于高46.2cm的物体上，在出口方向上的地面铺一层细土以确定铁钉落点位置。
5、采集数据：按照图一连接电路（装置图如图三），固定驱动线圈，调节铁钉位置使得两者中心距分别为2.0cm、2.5cm、3.0cm、4.0cm、4.3cm\4.5cm.短时间接通电源，分别测量落点到出口的水平距离。（注意：如对同一铁钉进行实验，每次实验前进行消磁）

五、 实验数据
出口速度v 与电枢与驱动线圈间的中心距d 的关系如下图
V/m/s

d/cm

V//s
从一些文献中得到的出口速度与初始位置的变化趋势[3]为

六、 实验中碰到的问题
1、实验得到的数据与趋势和理想趋势相差太大，且在本实验中速度最大的初始位置在电枢即将出驱动线圈的位置。
2、在实验中，电枢的射出方向总是变化，有时甚至只在驱动线圈内来回震荡一下。
3、实验中电枢位于驱动线圈左侧，而弹体从右侧射出的情况居多。

七、 误差分析
鉴于实验现象与预计相差很大，进一步查阅资料发现了一种新型的电磁炮——轨道高斯炮[1]这种电磁炮结合线圈炮和导轨炮功能。在导轨外部套线圈,导轨的两轨道分别在弹体入射方向末端接出且与线圈串联;弹体采用的是镀铜的铁磁质，通入直流电后，先对弹体进行磁化，同时在驱动线圈内部产生的磁场磁势如图3，其磁势分布为出入口高内部低, 管外的弹体被拉向中心.图4 所示为线圈中弹体受力和磁势的分布图,坐标原点选在螺线管的中心. 由图4可见,线圈中心弹体受力最大,但磁势最低。当子弹处于螺线管中心时,控制电路切断电流,弹体依靠惯性发射出去,因此解决电流通断时机是关键。

图3线圈中磁势分布

图4 线圈中弹体受力

结合轨道高斯炮的实验原理，可解释上一部分中实验碰到的困难。

而本实验中，驱动线圈通入电流后产生的磁场对弹体进行磁化，而由于通电初期电流变化引起的磁场变化在弹体中产生的感应电流较小，结合原理部分对线圈受力的计算，电流变化时产生的排斥力产生的效果可以忽略，故弹体的受力主要为轨道高斯炮形式的吸力，既造成了问题3的情形。
由于人的反应有限无法精确的在弹体运动到中点处断开电源，有时通电时间稍长，则造成了问题2中的情形。
由于弹体发射的原理与开始的设想不同，造成了问题1中的状况。

八、 实验总结
在此次实验中，原本对线圈炮的原理分析并不与实验现象一致，却在最后的数据分析时发现所制成的线圈炮的工作原理与轨道高斯炮相似，并根据轨道高斯跑的原理解答了实验中的异常现象，使得实验的理论得到了进一步完善。

参考文献

[1]王京 ,姜琛昱,何焰蓝，电磁动能武器简介，大学物理，2005，第24卷第11期
[2]池小平，吕庆敖，单级感应线圈炮的电感与互感梯度计算与分析，四川兵工学报，2008，第26卷第3期
[3]刘文彪，钟佩琳，邹平，张继平，单级感应线圈炮出口速度仿真，海军航空工程学院学报，2009，第24卷第1期
[4]张朝伟, 李治源 , 陈风波 , 姜国臣, 程树康，感应线圈炮的电枢受力分析，高电压技术，2005，第31卷第12期
[5]赵凯华，陈熙谋，电磁学，高等教育出版社，2006

Correlation study of Coil Gun
Name:ShiMin Jiang Supervisor :YuChi Zhang

Abstract: Coil gun is the earliest form of electromagnetic gun, there is a certain understanding for the principle of coilgun launch , and the apllied force of the armature coil launch was analyzed. Making a simple coil gun, with enough material and nails was used as emission armature . Then collect the data in the experiment, obtained the relation curve between outlet velocity and location of the armature, and analysed the corresponding error, then found the reason.
Keyword: Coil gun, armature, outlet velocity
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