三级线圈发射模型研究

基于电磁感应原理，设计和制作了电磁发射模型。模型采用光电传感器触发三级线圈加速抛体。该模型在30V电压下，可将重量为6.5g的抛体加速至5.85m/s，文中所获得的模型结构参数和实验数据对进一步研究线圈发射起到参考作用。
    关键词：电磁发射  三级线圈发射  电磁感应原理

1 引言
    电磁发射是利用运动电荷或载流导体在磁场中所受电磁力发射有效载荷的装置，这种技术正从实验室可行性研究逐步过渡到实用研究^［１］。
    线圈发射是电磁发射的主要方式，这种技术在航天领域可作地对空的定向发射和纯有效载荷，也可在天基推动航天器进行轨道转移^［２］；在交通领域，用线圈发射原理制造电磁列车，使用原铁路轨道，其成本仅是磁悬浮车的1/4^［３］。在工业上，用其原理制造电磁抽油机，代替目前油田的游梁式抽油机，可大幅降低设备成本^［４］；同时还可用于科研，如高压物理领域中研究材料在高压力作用下的性质及受控核聚变等^［５］。
    本文针对线圈发射技术上所存在的问题，如：体积大，系统笨重；能耗大，效率低；炮管易损，烧蚀严重等，在综合国内外的研究基础上对其结构设计进行了新的探索。
2 线圈发射模型原理
    线圈发射原理类似于直线电机。螺线管线圈从储能元件中获得大电流，产生磁场，迅速改变磁场在电枢(抛体)上感应电流，产生洛仑兹力推动抛体前进。
    抛体之所以能产生感应电流是因为它在接近图2?1所示通电线圈形成的磁场时，内部产生磁偶极子，在两端形成异极性磁极。抛体前端受到引力，后端受到向后拉力，其合力为：

式中P——磁化强度；
        H——磁场强度

    由于线圈中心的磁场强，抛体受力分布曲线如图2.2所示，抛体所受引力大于拉力，抛体被吸入线圈。抛体到达线圈中央时，吸力等于拉力，合力为零，若抛体和线圈长度比选择适当，抛体凭借初始速度脱离炮管。

3 发射模型结构设计
    三级线圈发射模型由三个同口径的同轴固定线圈构成，每级线圈由各自储能电容供电(如图3.1)。第一级电容器组释放电流，抛体在线圈强磁场作用下产生感应电流，磁场与感应电流相互作用，生成电磁力，推动抛体前进。抛体达到第二级线圈，经炮管上的光电传感器时检测到抛体位置，光电传感器发出信号触发第二级电容器组向第二级线圈放电，继续推动抛体前进至第三级线圈时，经相同的过程第三级将抛体加速到预计速度。
    抛体的出口速度与抛体长度和初始位置、线圈匝数和长度以及电容放电电压有关。相同力下抛体越短加速度越大，但是，抛体和磁场间的作用力也随之减少。线圈电感与线圈匝数成正比，电感小则磁场作用时间短不能推动抛体，电感大则磁场作用时间长，即L/R时间常数大，抛体进入线圈时，电流还未达到最大值，因此须在抛体进入线圈时，立即导通线圈，这样抛体达到一定范围时，电流逐渐增大并达到峰值，为确保线圈有适当的阻抗，线圈采用漆包线将电流限制在安全值。
    在考虑以上影响因素的情况下，本文所设计的电磁发射模型尺寸为：炮管长42cm、外径8mm、壁厚1mm，抛体材料为磁性材料(钢)，长26mm，抛体与炮管的间隙为1mm。

4 发射系统控制回路
    本文采用电容器组供电，24V交流电为电容充电至变压器次级峰值电压34V(＝２４Ｖ×０.414)。经稳压模块和二极管整流，将24V交流电转换成+5V的直流电为元器件供电。

    第一级线圈由起动开关触发晶闸管，控制电容放电，导通线圈，发射抛体，当第一级线圈的电压降至晶闸管闭锁电压，晶闸管关断。
    第二级和第三级各级线圈由炮管上光电传感器检测抛体位置控制晶闸管通断，常态时传感器开通，传感器输出电压为零，没有电流流过，晶闸管门极电压为零，处于关闭状态。当抛体通过传感器时，挡住传感器的光源，传感器关断，输出电压上升至2.5V，电流经放大流入晶闸管门极。晶闸管在几毫秒内开通，开通后电压为1.5V，电容放电，线圈导通，加速抛体前进，然后传感器再次导通。用电容过滤电路的干扰以防止小电压触发晶闸管。
    为保证各线圈产生的磁场与抛体的运动位置精确同步，线圈的触发时刻要精确，采用触发延迟电路以更好地调节给线圈供电时刻。除电容连接线圈的导线及整流器的阳极的电流外所有的电路都为小电流，线圈点火时会产生杂散干扰，采用双绞线连接发光管和传感器，以减少不必要的干扰。
5 性能测试
    通过本文所设计的模型进行实验，获得如下实验数据。图5.1抛体长度与抛体速度、抛体能量关系表明长度为25～40mm的抛体发射速度和动能最佳。由图5.2抛体在线圈的初始位置与速度关系可见2、抛体初始位置在15mm处速度达最大值。分析图5.3电容电压与抛体速度、能量转换效率的关系得出如下结论，增大电容电压抛体速度加快，但是超过30V后，抛体速度增益不明显，同时能量转化率降低。

6 结束语
    本文依据电磁感应原理，探讨了线圈发射原理和方式，推算电源脉冲功率，设计控制回路。发射实验结果表明：3级电磁发射装置在30V电压下，将质量为6.5g的抛体加速至5.85m/s，能量转化率达0.112%。但是，对工程实用，为进一步提高能量转换率需进行结构优化。

参考文献：

［１］Zak A R,Structural analysis of realistic solid propellants materials［Ｊ］．spacecraft and Rockets,1968,5
［２］庄国臣，等.电磁发射器及应用［Ｊ］．电工技术杂志，1997，6
［３］程健，等.单级线圈加速电枢的机理分析［Ｊ］．电工技术杂志，1997，9
［４］朱宽宁，梁艳萍.电磁场有限元后处理中矢量场的可视化［Ｊ］．电机与控制学报，2002，Vol.6
［５］Horowitz and Hill,The Art of Electronics［Ｃ］．Cambridge University Press,1980,ISBN 0521231515