電磁感應(yīng)線圈炮原理與技術(shù)

線圈炮種類繁多，名稱混亂，因而應(yīng)對線圈炮進(jìn)行科學(xué)分類，以利于研究和發(fā)展線圈炮。從驅(qū)動線圈和彈丸線圈間的電關(guān)聯(lián)分類，線圈炮可分為兩大類:一是兩線圈間的電關(guān)聯(lián)分類，線圈炮可分為兩大類:一是兩線圈間有直接電聯(lián)系的線圈炮。例如，電刷換向型線圈炮;二是兩線圈無直接電聯(lián)系的線圈炮。例如，感應(yīng)型和無刷換向型線圈炮。從基本工作原理看，所有線圈炮都按直線電動機(jī)原理工作。依據(jù)直線電動機(jī)的原理和電物理特性，可把線圈炮分為5類:

(1)兩線圈均為直流，類似導(dǎo)軌炮，此為直流直線電動機(jī)型，我們定名為螺旋線圈炮;

(2)彈丸線圈攜帶直流，驅(qū)動線圈使用交變電流，此為同步電動機(jī)型，我們稱其為直流電樞分立驅(qū)動的線圈炮;

(3)驅(qū)動線圈用脈沖電流分立激勵，彈丸線圈電流是由此感生的，此為準(zhǔn)直線感應(yīng)電動機(jī)型，我們定名為同步感應(yīng)線圈炮;

(4)驅(qū)動線圈使用多相交流產(chǎn)生磁行波，借其滑差速度在彈丸線圈內(nèi)感生電流，此為直線感應(yīng)電動機(jī)型，通常稱為異步感應(yīng)線圈炮;

(5)磁行波"拉"著磁化彈丸前進(jìn)，此為另一種直線同步電動機(jī)型，定名為磁化彈丸行波炮。

螺旋線圈炮的特點(diǎn)有二，一是驅(qū)動線圈由長螺線管構(gòu)成;二是兩種線圈的電流基本是單相直流。

電刷換向的螺旋線圈炮也叫螺旋導(dǎo)軌炮，這是因?yàn)樗脙蓷l饋電導(dǎo)軌供電，通過饋電電刷和換向電刷使兩種線圈攜帶相同值的電流。導(dǎo)軌除饋電外，尚有導(dǎo)向電樞(彈丸線圈)的作用。實(shí)質(zhì)上它是由導(dǎo)軌炮拓?fù)涠傻木€圈炮，即把導(dǎo)軌和電樞拓?fù)涞乩@制成驅(qū)動螺線管線圈和彈丸線圈。又因?yàn)槭褂弥绷?，所以電?span id="u7g5rj6" class="show-img-hd" style="width:220px;height:93px;"> 換向螺旋導(dǎo)軌炮工作也是基于直流直線電動機(jī)原理，是一種直流型線圈炮。依據(jù)此原理可做成各種各樣的電刷換向螺旋線圈炮。圖3-8(a)是其中常用的一種，另一種常用的如圖3-10(a)所示。

在圖3-10(a)，有三個饋電電刷和三個換向電刷，它們把螺線管驅(qū)動線圈分成前后兩個激勵區(qū)，彈丸螺線管線圈的電流方向與前激勵區(qū)的電流方向相同以產(chǎn)生拉力，與后激勵區(qū)的相反以產(chǎn)生推力。實(shí) 際上，這是一個并聯(lián)的電刷換向電路，饋電導(dǎo)軌由電源供電，彈丸線圈和前激勵區(qū)串聯(lián)作為負(fù)載獲得同樣電流，而后激勵區(qū)是另一個負(fù)載。彈丸線圈中心與前后激勵區(qū)中心的距離各約為一個電感長度(lm)，以便獲得最大互感梯度。

電刷換向的缺點(diǎn)在于滑動接觸和摩擦，這就導(dǎo)致彈丸速度不能有更大的提高，一般認(rèn)為在3km/s以下。為了克服電刷換向的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了無刷的螺旋線圈炮。

無刷螺旋線圈炮的主要特點(diǎn)在于:兩種線圈之間不用電刷換向，無滑動接觸，僅存在磁耦合;使用開關(guān)換向同步地控制速度;驅(qū)動線圈和彈丸線圈各有自己的電流源，兩種線圈的電流值各不相同，一般彈丸線圈電流比驅(qū)動線圈電流小。

1.消磁波線圈炮

消磁波線圈炮是一種壓縮磁場前沿的線圈炮。在消磁波線圈炮中，用于發(fā)射彈丸的能量石以磁能方式在發(fā)射前儲存在螺線管形的驅(qū)動線圈內(nèi)，驅(qū)動線圈便是儲能電感器。彈丸線圈通過導(dǎo)向和饋電的導(dǎo)軌由另一直流電源供電(或直接由超導(dǎo)體攜帶永久電流)。當(dāng)彈丸線圈進(jìn)入到螺線管炮尾時，從驅(qū)動線圈后沿開始使用換向開關(guān)，視彈丸線圈位置同步地快速向前，以消去驅(qū)動線圈的電流。由于彈丸線圈電流與剩余的驅(qū)動線圈電流同向，彈丸線圈被吸引著快速向前運(yùn)動，如圖3-16(a)所示。被消去線圈電流的磁能，一部分轉(zhuǎn)移到前面已激勵的 螺線管驅(qū)動線圈中去，另一部分轉(zhuǎn)變成用來加速彈丸的動能，還有一部分已其它形式損失掉。

驅(qū)動線圈充電時，開關(guān)S1閉合，炮工作時，驅(qū)動線圈的線匝短路和斷開順序表示在圖3-16(b)，驅(qū)動線圈和開關(guān)的電流表示在圖3-16(c)上。當(dāng)彈丸線圈進(jìn)入驅(qū)動線圈后朝前運(yùn)動時，用開關(guān)使彈丸線圈前面的第二個驅(qū)動線圈短路，同時閉合第二個開關(guān)S2，由于攜帶電流的彈丸線圈運(yùn)動，將在短路的驅(qū)動線圈匝內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電壓，使短路匝的電流減少，同時開關(guān)電流將增加到驅(qū)動線圈的滿載電流值。當(dāng)短路匝的電流變?yōu)?時，就斷開與這些匝串聯(lián)的那個早先已閉合的開關(guān)(S1)。然后隨彈丸線圈前進(jìn)，再閉合S2，再斷開S2，開始下一個循環(huán)，這樣周而復(fù)始的進(jìn)行下去，彈丸線圈隨著螺線管驅(qū)動線圈后沿各匝磁場的順序消失而前進(jìn)。

2.外電壓換向的線圈炮

和其它無刷換向的螺旋線圈炮一樣，外電壓換向的線圈炮允許獨(dú)立地調(diào)節(jié)加速磁場和彈丸線圈電流。它雖然具有線圈電流小的優(yōu)點(diǎn)，但卻增加了復(fù)雜性。

雖然這種線圈炮結(jié)構(gòu)大體上和以電刷換向的線圈炮類似，也是長螺線管驅(qū)動線圈，但有一定的差別。主要差別在于無電刷和使用外電壓換向，亦即使炮管驅(qū)動線圈有限激勵區(qū)的前沿匝電流上升和后沿匝電流下降。但此結(jié)果是由外電壓產(chǎn)生的，并非由運(yùn)動感應(yīng)換向引起。這樣，就對彈丸線圈電流無閥值要求，電流可以小一些，而驅(qū)動線圈的磁場強(qiáng)度可以更高。

外電壓換向線圈炮的結(jié)構(gòu)與圖3-8(a)所示的類似，雖無電刷，但有兩個彈丸線圈。炮管線圈的局部激勵借助于兩個外電源(圖3-17)。開始激勵區(qū)(線圈1~6)各線圈內(nèi)均為滿載電流，如圖3-17(a)所示。其余線圈的電流均為0.隨著炮管線圈電流激勵區(qū)和彈丸線圈移動一個線圈間距，線圈7的電流由0上升至I(滿載)，而激勵區(qū)后沿的線圈1內(nèi)的電流由原來的滿載值降至0.也就是說，把一高電壓加到激勵區(qū)前沿，使其電流從0上升至I;把一低電壓加到激勵區(qū)后沿，使其電流回降至原零值。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵谂诠芫€圈上交錯地外加兩個電壓源，炮管線圈電壓由這兩個電壓源提供，它們工作在不同的電壓水平，把激勵區(qū)后面的磁能轉(zhuǎn)移到前面去，不通過電源就能進(jìn)行能量傳輸，其中一個是低壓電源GL，隨激勵區(qū)后沿磁場的衰減，它從線圈1吸收功率;另一個是高壓電源GH，隨著激勵區(qū)前沿磁場的上升，它向線圈7提供功率。但是，激勵區(qū)后沿的大量磁能量是與后面的線圈2和3相關(guān)的，這些能量可直接轉(zhuǎn)移到線圈5和6，因此在線圈2和3上的電壓升超過線圈5和6的電壓降，這樣致使能量向前轉(zhuǎn)移。

彈丸線圈加速會死，GL電源以相反極性的電壓工作，并成為一個能源。從線圈1返回的能量減少了對GL的輸出要求，但不需要GL接收能量。結(jié)果，在發(fā)射期間由兩電源提供的能量恰好等于彈丸動能和炮管線圈的歐姆損失之和。

直流電樞分立驅(qū)動的線圈炮也是無刷換向的線圈炮。它的顯著特點(diǎn)是:彈丸線圈電流為直流;驅(qū)動線圈沿炮管分立或分段，激勵電流為脈沖的;多半用開關(guān)換向。這種線圈炮最早是由美國普林斯頓的麻省理工學(xué)院提出的，當(dāng)初從用途角度稱它為"質(zhì)量驅(qū)動器(mass driver)";我們以其原理和特點(diǎn)，稱它為直流電樞分立驅(qū)動的線圈炮。圖3-19是這種炮的一種典型結(jié)構(gòu)圖(剖面圖)。

彈丸線圈可以是一個或多個，也可各個分立，每個可用多匝導(dǎo)體(如鋁)制成。通過其上的饋電電刷與四條導(dǎo)向饋電導(dǎo)軌滑動接觸而從直流電源獲得直流。若用超導(dǎo)體時，用導(dǎo)向板代替導(dǎo)軌，起磁懸浮和導(dǎo)向作用。

根據(jù)對彈丸的速度要求，沿炮管分立若干驅(qū)動線圈，它們由一個或多個電源饋電，通常用電容器組作為電源。當(dāng)彈丸線圈到達(dá)某驅(qū)動線圈附近時，該處傳感器發(fā)出信號，觸發(fā)相應(yīng)電源的開關(guān)，對該驅(qū)動線圈放電激勵。這種炮是用開關(guān)換向的。這些驅(qū)動線圈可以交錯地單相、雙相或多相地排列和激勵。順序、同步地快速觸發(fā)開關(guān)放電而形成一個前進(jìn)的"磁行波"，像同步直線電動機(jī)那樣帶著彈丸線圈前進(jìn)。一般，越接近炮口驅(qū)動線圈的匝數(shù)越少，這是因?yàn)樵浇咏诳趶椡杷俣仍礁?，要求激勵脈沖電流應(yīng)有更短的上升前沿，因此只有少匝數(shù)構(gòu)成的低電感才能做到。若使用超導(dǎo)體做驅(qū)動線圈，將會提高效率、減小炮體積和簡化電源。

彈丸線圈電流為感生(非外電源直接饋給的線圈炮，統(tǒng)稱為感應(yīng)線圈炮。感應(yīng)線圈炮是線圈炮中最為重要的一種，因?yàn)樗鄬唵斡行?，所以它是最有前途和最有潛力的線圈炮。歷史上曾稱其為"感應(yīng)加速器"、"感應(yīng)質(zhì)量驅(qū)動器"，甚至稱其為"無源同軸加速器"。實(shí)際上，感應(yīng)線圈炮只有兩大類:分立驅(qū)動線圈的同步脈沖感應(yīng)線圈炮和連續(xù)驅(qū)動線圈的異步感應(yīng)線圈炮。前者又有單級和多級之分。同步脈沖感應(yīng)線圈炮的彈丸線圈電流是由單相的驅(qū)動線圈同步脈沖放電感生的，多級工作時類似直線感應(yīng)電動機(jī)。異步感應(yīng)線圈炮的驅(qū)動線圈是連續(xù)的繞組，多相激勵，彈丸線圈借助滑差速度感生電流，即以純粹的直線感應(yīng)電動機(jī)原理工作。

1.同步感應(yīng)線圈炮

上世紀(jì)60年代中期，由于磁通壓縮、反作用發(fā)動機(jī)和金屬成形等相繼得到應(yīng)用，使單級感應(yīng)線圈炮得以問世和發(fā)展。單級感應(yīng)線圈炮結(jié)構(gòu)極為簡單，一般由儲能電源(如電容器組)、開關(guān)、驅(qū)動線 圈和彈丸線圈(或被驅(qū)動環(huán))組成，如圖3-24(a)所示。通常驅(qū)動線圈和彈丸線圈是同軸和等直徑的，這是為了保證磁耦合最緊密。當(dāng)脈沖電流加到驅(qū)動線圈時，彈丸線圈交鏈磁通感應(yīng)出一方向相反的環(huán)形電流，此環(huán)形電流與兩線圈間的磁場相互作用產(chǎn)生安培力，此力驅(qū)動彈丸線圈朝前運(yùn)動。由于在彈丸線圈內(nèi)感應(yīng)的電流與驅(qū)動電流反向，所以在脈沖感應(yīng)線圈炮中只存在推斥方式的驅(qū)動力。

多級脈沖感應(yīng)線圈炮是由多個單級線圈串列而成。每當(dāng)彈丸線圈到達(dá)驅(qū)動線圈的適當(dāng)位置是，使該驅(qū)動線圈放電，其磁場在彈丸線圈內(nèi)變化，以感生電流。驅(qū)動線圈是分立的，一般每個驅(qū)動線圈各有自己的獨(dú)立電源，并由開關(guān)同步轉(zhuǎn)換。彈丸線圈可以是多匝閉合線圈，也可以是金屬套筒(即單匝彈丸線圈)。由于利用同步放電和彈丸線圈內(nèi)磁通變化感應(yīng)加速，故稱之為同步感應(yīng)線圈炮。

2.異步感應(yīng)線圈炮

異步感應(yīng)線圈炮的驅(qū)動線圈串聯(lián)或并聯(lián)成多相繞組的連續(xù)繞圈形式，由多相(常為三相)電源激勵，產(chǎn)生一個像異步(或感應(yīng))電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場那樣的直線行波磁場，行波速度較彈丸線圈速度快，借助其滑差速度引起相對運(yùn)動，在彈丸線圈內(nèi)感生電流，行波磁場"拉"著彈丸線圈前進(jìn)。由于彈丸線圈加速 需要的速度越來越高，因此應(yīng)當(dāng)把整個驅(qū)動線圈分成若干段。為了獲得從一段到另一段相速增加的行波，或者增加激勵電源的頻率，或者增大驅(qū)動線圈的極距(半波長)。由于彈丸長度相對短，所以過大地增加極距是不實(shí)際的，因此沿炮管長度增加諧振頻率較為合適?？梢悦慷问褂靡还潭l率，僅逐段增頻便可。由此可見，異步感應(yīng)線圈炮各段的激勵頻率是不同的，故可使用不同頻率的發(fā)電機(jī)或不同諧振頻率的電容器電路做異步感應(yīng)線圈炮的電源。

圖3-31表示異步感應(yīng)線圈炮的原理。以一定的相位差對驅(qū)動線圈多相繞組交流激勵，會像異步感應(yīng)電動機(jī)那樣在線圈附近產(chǎn)生一徑向磁場，此磁場沿炮管近似正弦分布。由于激勵電流隨時間變化，該磁場沿炮管以波(相)速度vw前進(jìn)。

用一磁行波場梯度加速已磁化的彈丸，其加速性狀取決于彈丸的磁化方向，并以此決定彈丸是"騎"在磁行波波峰的前面還是后面(圖3-46)

抗磁性材料(銅、鉍、金、鋅、鉛、硫等)的彈丸，其相對磁導(dǎo)率μ<1.在外磁場B0作用下產(chǎn)生的附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B`的方向與B0相反，磁化強(qiáng)度M0的方向也與B0的相反，所以彈丸被行波磁場的峰值推開一定距離;而順磁質(zhì)材料(錳、鉻、鉑等)彈丸，其相對磁導(dǎo)率μ>1，B`方向與B0的相同，M0也與B0方向相同，所以彈丸被行波磁場的最大值牽拉著走。

磁阻線圈炮是利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運(yùn)動來加速鐵芯彈丸的。它與普通線圈炮的不同之處在于:一是彈丸為一整塊鐵磁材料，被加速的不是彈丸線圈或管狀彈丸;二是在炮系統(tǒng)中引入鐵磁材料，雖然這對炮的性能有某些影響，但效率比空心線圈炮高;三是由于鐵磁材料在磁路中出現(xiàn)，將給分析到來非線性問題，因而在確定加速力和繞組電感時，應(yīng)當(dāng)使用計(jì)算機(jī)有限元編碼。

磁阻線圈炮由一系列螺線管驅(qū)動線圈和鐵磁材料的磁軛鐵芯組成，如圖3-49所示 (圖中僅畫出對稱的一半)。所謂磁阻，是指阻止線圈周圍磁路建立磁通的阻力。顯然，在線圈腔管內(nèi)放置鐵磁材料能減少磁阻。當(dāng)鐵芯運(yùn)動時，環(huán)繞線圈的磁路的磁阻將發(fā)生變化，于是就對鐵芯彈丸產(chǎn)生了作用力。鐵磁材料的鐵芯比被它取代的空氣有更大的磁導(dǎo)率(μp>>1)。當(dāng)鐵芯行進(jìn)到線圈中心時，磁通較容易形成和通過，這是因?yàn)榇怕返目諝庀蹲冃?，磁路的磁阻也小，此時對鐵芯的作用力亦最小。當(dāng)鐵芯從線圈中心移開時，原來拉鐵芯向前的磁力現(xiàn)在變?yōu)槔F芯向后，因此，當(dāng)鐵芯到達(dá)線圈中心后必須立即采取某些措施以使它不被拉回。應(yīng)特別注意，鐵芯彈丸僅受拉力，而不受推力作用，它不具備某些線圈炮在適當(dāng)選擇兩種線圈電流方向時可對彈丸可拉、可推的優(yōu)點(diǎn)。