线圈炮的相关研究.docVIP

线圈炮相关研究

学生:姜指导老师:张

内容提要:线圈炮为电磁炮最早形式,本文对线圈炮发射原理进行了一定了解,并对发射电枢为闭合线圈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线圈炮。并在试验中,采集数据,得到电枢出口速度与其所在位置关系曲线,并分析相关误差产生原因。

关键词:线圈炮、电枢、出口速度

引言

本试验研究线圈炮为单级感应线圈炮,属于电磁炮,是一个新概念武器。此次试验关键目是对这一动能武器进行深入了解探究,明白其发射原理,了解其受力原因,并经过试验进行验证。

试验背景

电磁动能武器[1]即电磁炮是多年来研制新型武器,是利用电磁加速技术制成一个优异动能杀伤武器.与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸机理不一样,电磁炮是利用电磁系统中电磁场与弹体作用力发射炮弹.因为常规火炮是由火药爆发力来发射,最大速度通常无法超出2km/s,而电磁炮发射弹体时,可对弹体受力进行控制,使其速度可远远超出常规火炮,所以自20世纪80年代早期以来,电磁炮在新式武器发展计划中,已成为越来越关键部分.现在已经有结果关键有四类,即导轨炮、线圈炮、电热炮、重接炮。本试验研究关键是是线圈炮。

三、试验原理

线圈炮[3]通常由储能电源（如电容器组）、驱动线圈、发射组件（包含电枢和弹丸）及控制开关等组成。基础结构见图1。

图2线圈炮基础结构

在单级感应线圈炮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。因为驱动线圈中电流和电枢中感应电流方向相反而相互排斥。驱动线圈受向左排斥力,因为被固定而保持不动,电枢受向右排斥力,因为没有固定而被加速向右运动,并推进发射组件加速运动,直至飞出炮口。而用我们熟悉方法来说,就是楞次定律另一方向应用,立即“阻碍”化为动力,将炮弹发射出去。如图2.

图2

采取电感法计算弹丸所受加速力。理想情况下系统中总储能为

(1)电枢受力可认为是在运动方向上场势偏导,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改变。若不计其她能量损失,t时刻作用在弹丸上沿x方向力为

(2)

在试验中驱动线圈为多层线圈,以左端为坐标原点建立坐标系,则线圈内部磁场磁感应强度[5]B(x,t)=(3)

驱动线圈与电枢间互感[2]为(4)

因为试验条件限制,用直流稳压电源作为电源,经过短时间接通电路取得脉冲电流

(5)

在电枢中产生感应电流为（6）

在上式中μ0为真空磁导率,N为驱动线圈匝数,LO为驱动线圈自感,为驱动线圈长度,R1、R2分别为驱动线圈内径与外径,R阻为驱动线圈电阻,x为电枢左端坐标,为电枢长度,R枢为电枢电阻,U0为电源电压。

联立（2）（3）（4)(5)(6)式可得电枢受力为

(7)

当初间t小于1ms,F为大于1N量,当t=10ms时,F无限靠近于0,考虑到摩擦力与加速过程,电枢可近似为不动。铁芯含有增强磁场作用,则用铁钉作为电枢可将受力大幅度提升,但也因为这个特征极难计算铁钉受力,但假设以上原理依旧适用,只能研究电枢出口速度与初始位置关系。

令铁钉与驱动线圈中心距为l,出口与地面垂直距离为h,铁钉落点与出口水平距离为x,出口速度为v,则由抛体运动方程,

得到出口速度(8)

四、试验过程:

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:在本试