单级感应线圈炮的工作原理及优缺点

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1、单级感应线圈炮的工作原理及优缺点一：模型分析简化模型，我把单级感应线圈炮的发射线圈和弹体都简化为两个直径相同且同轴排列的电流环（如图1）。当发射线圈a中通过一个上升电流i0时，发射线圈周围的磁场强度也会上升，导致通过弹体b的磁通量增加。由楞次定律可知弹体b中会感应出一个电流i1，并且此电流所产生的磁场是阻碍弹体b中磁通继续增加的，也就是说此电流与发射线圈a中的电流方向相反，弹体b中的感应磁场与发射线圈a中磁场方向也相反。它们之间是相互排斥，由于发射线圈固定，所以弹体向着受力方向加速前进。 二：单级感应线圈炮的电路模型等效电

2、路（如图2），其中C为储能电容，U0为其初始电压，R为发射线圈回路中的总电阻，L为发射回路中的电容ESL、导线分布电感、开关电感等的总和，L0为发射线圈电感量。R1为弹体回路总电阻，L1为弹体电感量。M为发射线圈与弹体间的互感。三：单级感应线圈炮数学模型根据图2等效电路写出数学方程有：U0=R*i0(t)+(L+L0)*(di0(t)/dt)+(1/c)*+d[Mi1(t)]/dt (1)U1=R1*i1(t)+L1di1(t)/dt+d[Mi0(t)]/dt         (2)式中U1是弹体感应电动势。但是由于我们要

3、考虑的是弹体出口动能，所以可以进一步简化方程，使出口时储能电容中的电压为零，储能完全释放。弹体中的感应电动势U1为零，弹体已不受发射线圈影响。但是又要新引进两个变量，弹体在t时刻的速度V（t）和弹体在t时刻距发射线圈的距离X（t）。整理后方程（1）（2）分别为：U0=R*i0(t)+(L+L0)*(di0(t)/dt)+M(t)di1/dt+V(t)i1(t)dM(t)/dx(t)(3)R1*i1(t)+L1di1(t)/dt+M(t)di1(t)/dt+V(t)i0(t)dM(t)/dx(t)=0 (4)用上式求加速力需

4、要利用椭圆积分，只能得出近似解，故用电感方法分析作用在弹丸线圈上的加速力。这是一种有效的和能提供拓扑理解的方法。计算的依据是：力是储存能量在运动中的变化率，即在运动方向上的能量梯度。众所周知，储存在载流导体系统中的磁能和系统的电感有关(LI2／2)，而电感是电路中每单位电流交链的磁通。在弹丸线圈和驱动线圈极靠近的系统中，此电感包括三项：驱动线圈的自感Ld，弹丸线圈自感Lp和它们之间的互感M。而在考虑能量时，M项需要两次参与。因此线圈炮系统的总储能(理想情况)由于弹丸线圈仅沿x方向运动，自感项磁能不变化，只互感项磁能随x变化

5、。若不计其它能量损失，作用在弹丸线圈上的x方向加速力这样，欲获得任一方向的加速力，只需测量或计算出弹丸线圈和驱动线圈间在那个方向上的互感梯度即可。使用电感模拟技术能容易地分析任何构型线圈炮的弹丸受力情况，只要仿照炮的结构弯曲导体或铝板做成类似的模型装置，然后用电桥在适当频率下测出互感作为弹丸线圈位置的曲线。关于轴线平行排列和同轴排列的两种构型的互感及其梯度定性地表示在图3-1中。从图上可看出，两种构型炮有类似的分布形状。由于线圈形状和排列方式的差异，两种炮的Ld、Lp、M及其梯度也有差异。具体地说，若在图3-l(a)所示的

6、弹丸线圈上面还有一同样驱动线圈的双边矩形线圈结构，则通过傅立叶变换方法可以近似地得到式中lc——两种矩形线圈的长度；bc—两种矩形线圈的宽度；s(x)——两种线圈的距离，为x的函数。在间轴结构中，若两个半径为rd驱动线圈间距是x0时，则弹丸线圈的加速力当图3-1(a)线圈共轴和图3-1(b)两线圈共面时，互感M最大，而互感梯度dM／dx=0，其绝对值最小。互感梯度随x呈正负双峰值变化。把驱动线圈的中心线(面)到某一互感梯度峰值(dM／dx)max的距离定义为“电感长度”，用lm表示之则lm≤rd。关于同轴结构的(dM／dx

7、)max一和半径比ar(=rl／rd)的关系定性地表示在图3-2中，电感长度的归一化值δe(=lm√rd)与ae的关系也表示在其中。图3—1给出的M和dM／dx随x变化的函数关系极为重要。从式(3-3)可知，若弹丸线圈通过驱动线圈的中心线(面)后，其加速力将反向(因为此时dM／dx值变负)，这为希望的同一方向加速弹丸线圈所不容许。为了使弹丸线圈能沿原方向加速而不出现减速力，当它到达中心线(或面)后应使Id或Ip之一去掉或反向。双峰值指出了力的方向和大小以及可利用的空间和时间间隔，如果弹丸线圈的速度为v，则可利用的时间是lm

8、／vp。如果Im是直流，则最有利的Id应当是当弹丸线圈通过两峰值交界处时ld同步振荡放电改变正负号，即使用正弦电流，使弹丸线圈接近驱动线圈时对它产生一拉力，而离开驱动线圈时对它产生一推力。此外，为了有效地加速弹丸，驱动线圈单极性放电或脉冲持续时间应等于lm／vp。若使用一系列这样的驱动线圈加速弹丸时，弹