三級線(xiàn)圈發(fā)射模型研究

1 引言
電磁發(fā)射是利用運動(dòng)電荷或載流導體在磁場(chǎng)中所受電磁力發(fā)射有效載荷的裝置，這種技術(shù)正從實(shí)驗室可行性研究逐步過(guò)渡到實(shí)用研究^［１］。
線(xiàn)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(dòng)航天器進(jìn)行軌道轉移^［２］；在交通領(lǐng)域，用線(xiàn)圈發(fā)射原理制造電磁列車(chē)，使用原鐵路軌道，其成本僅是磁懸浮車(chē)的1/4^［３］。在工業(yè)上，用其原理制造電磁抽油機，代替目前油田的游梁式抽油機，可大幅降低設備成本^［４］；同時(shí)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(xiàn)圈發(fā)射技術(shù)上所存在的問(wèn)題，如：體積大，系統笨重；能耗大，效率低；炮管易損，燒蝕嚴重等，在綜合國內外的研究基礎上對其結構設計進(jìn)行了新的探索。
2 線(xiàn)圈發(fā)射模型原理
線(xiàn)圈發(fā)射原理類(lèi)似于直線(xiàn)電機。螺線(xiàn)管線(xiàn)圈從儲能元件中獲得大電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，迅速改變磁場(chǎng)在電樞(拋體)上感應電流，產(chǎn)生洛侖茲力推動(dòng)拋體前進(jìn)。
拋體之所以能產(chǎn)生感應電流是因為它在接近圖21所示通電線(xiàn)圈形成的磁場(chǎng)時(shí)，內部產(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——磁化強度；
H——磁場(chǎng)強度

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

3 發(fā)射模型結構設計
三級線(xiàn)圈發(fā)射模型由三個(gè)同口徑的同軸固定線(xiàn)圈構成，每級線(xiàn)圈由各自?xún)δ茈娙莨╇?如圖3.1)。第一級電容器組釋放電流，拋體在線(xiàn)圈強磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應電流，磁場(chǎng)與感應電流相互作用，生成電磁力，推動(dòng)拋體前進(jìn)。拋體達到第二級線(xiàn)圈，經(jīng)炮管上的光電傳感器時(shí)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(xiàn)圈放電，繼續推動(dòng)拋體前進(jìn)至第三級線(xiàn)圈時(shí)，經(jīng)相同的過(guò)程第三級將拋體加速到預計速度。
拋體的出口速度與拋體長(cháng)度和初始位置、線(xiàn)圈匝數和長(cháng)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(chǎng)間的作用力也隨之減少。線(xiàn)圈電感與線(xiàn)圈匝數成正比，電感小則磁場(chǎng)作用時(shí)間短不能推動(dòng)拋體，電感大則磁場(chǎng)作用時(shí)間長(cháng)，即L/R時(shí)間常數大，拋體進(jìn)入線(xiàn)圈時(shí)，電流還未達到最大值，因此須在拋體進(jìn)入線(xiàn)圈時(shí)，立即導通線(xiàn)圈，這樣拋體達到一定范圍時(shí)，電流逐漸增大并達到峰值，為確保線(xiàn)圈有適當的阻抗，線(xiàn)圈采用漆包線(xiàn)將電流限制在安全值。
在考慮以上影響因素的情況下，本文所設計的電磁發(fā)射模型尺寸為：炮管長(cháng)42cm、外徑8mm、壁厚1mm，拋體材料為磁性材料(鋼)，長(cháng)26mm，拋體與炮管的間隙為1mm。

4 發(fā)射系統控制回路
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)穩壓模塊和二極管整流，將24V交流電轉換成+5V的直流電為元器件供電。

第一級線(xiàn)圈由起動(dòng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)晶閘管，控制電容放電，導通線(xiàn)圈，發(fā)射拋體，當第一級線(xiàn)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(xiàn)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(shí)傳感器開(kāi)通，傳感器輸出電壓為零，沒(méi)有電流流過(guò)，晶閘管門(mén)極電壓為零，處于關(guān)閉狀態(tài)。當拋體通過(guò)傳感器時(shí)，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(mén)極。晶閘管在幾毫秒內開(kāi)通，開(kāi)通后電壓為1.5V，電容放電，線(xiàn)圈導通，加速拋體前進(jìn)，然后傳感器再次導通。用電容過(guò)濾電路的干擾以防止小電壓觸發(fā)晶閘管。
為保證各線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與拋體的運動(dòng)位置精確同步，線(xiàn)圈的觸發(fā)時(shí)刻要精確，采用觸發(fā)延遲電路以更好地調節給線(xiàn)圈供電時(shí)刻。除電容連接線(xiàn)圈的導線(xiàn)及整流器的陽(yáng)極的電流外所有的電路都為小電流，線(xiàn)圈點(diǎn)火時(shí)會(huì )產(chǎn)生雜散干擾，采用雙絞線(xiàn)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(guò)本文所設計的模型進(jìn)行實(shí)驗，獲得如下實(shí)驗數據。圖5.1拋體長(cháng)度與拋體速度、拋體能量關(guān)系表明長(cháng)度為25～40mm的拋體發(fā)射速度和動(dòng)能最佳。由圖5.2拋體在線(xiàn)圈的初始位置與速度關(guān)系可見(jiàn)2、拋體初始位置在15mm處速度達最大值。分析圖5.3電容電壓與拋體速度、能量轉換效率的關(guān)系得出如下結論，增大電容電壓拋體速度加快，但是超過(guò)30V后，拋體速度增益不明顯，同時(shí)能量轉化率降低。

6 結束語(yǔ)
本文依據電磁感應原理，探討了線(xiàn)圈發(fā)射原理和方式，推算電源脈沖功率，設計控制回路。發(fā)射實(shí)驗結果表明：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，能量轉化率達0.112%。但是，對工程實(shí)用，為進(jìn)一步提高能量轉換率需進(jìn)行結構優(yōu)化。

參考文獻：

［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)射器及應用［Ｊ］．電工技術(shù)雜志，1997，6
［３］程健，等.單級線(xiàn)圈加速電樞的機理分析［Ｊ］．電工技術(shù)雜志，1997，9
［４］朱寬寧，梁艷萍.電磁場(chǎng)有限元后處理中矢量場(chǎng)的可視化［Ｊ］．電機與控制學(xué)報，2002，Vol.6
［５］Horowitz and Hill,The Art of Electronics［Ｃ］．Cambridge University Press,1980,ISBN 0521231515