三級線圈發(fā)射模型研究

1 引言
電磁發(fā)射是利用運(yùn)動電荷或載流導(dǎo)體在磁場中所受電磁力發(fā)射有效載荷的裝置，這種技術(shù)正從實驗室可行性研究逐步過渡到實用研究^［１］。
線圈發(fā)射是電磁發(fā)射的主要方式，這種技術(shù)在航天領(lǐng)域可作地對空的定向發(fā)射和純有效載荷，也可在天基推動航天器進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移^［２］；在交通領(lǐng)域，用線圈發(fā)射原理制造電磁列車，使用原鐵路軌道，其成本僅是磁懸浮車的1/4^［３］。在工業(yè)上，用其原理制造電磁抽油機(jī)，代替目前油田的游梁式抽油機(jī)，可大幅降低設(shè)備成本^［４］；同時還可用于科研，如高壓物理領(lǐng)域中研究材料在高壓力作用下的性質(zhì)及受控核聚變等^［５］。
本文針對線圈發(fā)射技術(shù)上所存在的問題，如：體積大，系統(tǒng)笨重；能耗大，效率低；炮管易損，燒蝕嚴(yán)重等，在綜合國內(nèi)外的研究基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了新的探索。
2 線圈發(fā)射模型原理
線圈發(fā)射原理類似于直線電機(jī)。螺線管線圈從儲能元件中獲得大電流，產(chǎn)生磁場，迅速改變磁場在電樞(拋體)上感應(yīng)電流，產(chǎn)生洛侖茲力推動拋體前進(jìn)。
拋體之所以能產(chǎn)生感應(yīng)電流是因為它在接近圖21所示通電線圈形成的磁場時，內(nèi)部產(chǎn)生磁偶極子，在兩端形成異極性磁極。拋體前端受到引力，后端受到向后拉力，其合力為：

式中P——磁化強(qiáng)度；
H——磁場強(qiáng)度

由于線圈中心的磁場強(qiáng)，拋體受力分布曲線如圖2.2所示，拋體所受引力大于拉力，拋體被吸入線圈。拋體到達(dá)線圈中央時，吸力等于拉力，合力為零，若拋體和線圈長度比選擇適當(dāng)，拋體憑借初始速度脫離炮管。

3 發(fā)射模型結(jié)構(gòu)設(shè)計
三級線圈發(fā)射模型由三個同口徑的同軸固定線圈構(gòu)成，每級線圈由各自儲能電容供電(如圖3.1)。第一級電容器組釋放電流，拋體在線圈強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場與感應(yīng)電流相互作用，生成電磁力，推動拋體前進(jìn)。拋體達(dá)到第二級線圈，經(jīng)炮管上的光電傳感器時檢測到拋體位置，光電傳感器發(fā)出信號觸發(fā)第二級電容器組向第二級線圈放電，繼續(xù)推動拋體前進(jìn)至第三級線圈時，經(jīng)相同的過程第三級將拋體加速到預(yù)計速度。
拋體的出口速度與拋體長度和初始位置、線圈匝數(shù)和長度以及電容放電電壓有關(guān)。相同力下拋體越短加速度越大，但是，拋體和磁場間的作用力也隨之減少。線圈電感與線圈匝數(shù)成正比，電感小則磁場作用時間短不能推動拋體，電感大則磁場作用時間長，即L/R時間常數(shù)大，拋體進(jìn)入線圈時，電流還未達(dá)到最大值，因此須在拋體進(jìn)入線圈時，立即導(dǎo)通線圈，這樣拋體達(dá)到一定范圍時，電流逐漸增大并達(dá)到峰值，為確保線圈有適當(dāng)?shù)淖杩?，線圈采用漆包線將電流限制在安全值。
在考慮以上影響因素的情況下，本文所設(shè)計的電磁發(fā)射模型尺寸為：炮管長42cm、外徑8mm、壁厚1mm，拋體材料為磁性材料(鋼)，長26mm，拋體與炮管的間隙為1mm。

4 發(fā)射系統(tǒng)控制回路
本文采用電容器組供電，24V交流電為電容充電至變壓器次級峰值電壓34V(＝２４Ｖ×０.414)。經(jīng)穩(wěn)壓模塊和二極管整流，將24V交流電轉(zhuǎn)換成+5V的直流電為元器件供電。

第一級線圈由起動開關(guān)觸發(fā)晶閘管，控制電容放電，導(dǎo)通線圈，發(fā)射拋體，當(dāng)?shù)谝患壘€圈的電壓降至晶閘管閉鎖電壓，晶閘管關(guān)斷。
第二級和第三級各級線圈由炮管上光電傳感器檢測拋體位置控制晶閘管通斷，常態(tài)時傳感器開通，傳感器輸出電壓為零，沒有電流流過，晶閘管門極電壓為零，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)拋體通過傳感器時，擋住傳感器的光源，傳感器關(guān)斷，輸出電壓上升至2.5V，電流經(jīng)放大流入晶閘管門極。晶閘管在幾毫秒內(nèi)開通，開通后電壓為1.5V，電容放電，線圈導(dǎo)通，加速拋體前進(jìn)，然后傳感器再次導(dǎo)通。用電容過濾電路的干擾以防止小電壓觸發(fā)晶閘管。
為保證各線圈產(chǎn)生的磁場與拋體的運(yùn)動位置精確同步，線圈的觸發(fā)時刻要精確，采用觸發(fā)延遲電路以更好地調(diào)節(jié)給線圈供電時刻。除電容連接線圈的導(dǎo)線及整流器的陽極的電流外所有的電路都為小電流，線圈點(diǎn)火時會產(chǎn)生雜散干擾，采用雙絞線連接發(fā)光管和傳感器，以減少不必要的干擾。
5 性能測試
通過本文所設(shè)計的模型進(jìn)行實驗，獲得如下實驗數(shù)據(jù)。圖5.1拋體長度與拋體速度、拋體能量關(guān)系表明長度為25～40mm的拋體發(fā)射速度和動能最佳。由圖5.2拋體在線圈的初始位置與速度關(guān)系可見2、拋體初始位置在15mm處速度達(dá)最大值。分析圖5.3電容電壓與拋體速度、能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系得出如下結(jié)論，增大電容電壓拋體速度加快，但是超過30V后，拋體速度增益不明顯，同時能量轉(zhuǎn)化率降低。

6 結(jié)束語
本文依據(jù)電磁感應(yīng)原理，探討了線圈發(fā)射原理和方式，推算電源脈沖功率，設(shè)計控制回路。發(fā)射實驗結(jié)果表明：3級電磁發(fā)射裝置在30V電壓下，將質(zhì)量為6.5g的拋體加速至5.85m/s，能量轉(zhuǎn)化率達(dá)0.112%。但是，對工程實用，為進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換率需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

［１］Zak A R,Structural analysis of realistic solid propellants materials［Ｊ］．spacecraft and Rockets,1968,5
［２］莊國臣，等.電磁發(fā)射器及應(yīng)用［Ｊ］．電工技術(shù)雜志，1997，6
［３］程健，等.單級線圈加速電樞的機(jī)理分析［Ｊ］．電工技術(shù)雜志，1997，9
［４］朱寬寧，梁艷萍.電磁場有限元后處理中矢量場的可視化［Ｊ］．電機(jī)與控制學(xué)報，2002，Vol.6
［５］Horowitz and Hill,The Art of Electronics［Ｃ］．Cambridge University Press,1980,ISBN 0521231515