基于线圈炮实验对其效率影响因素的研究

时间:2018-07-24 编辑整理:张荣达,张鹏,邵麒,周春旭 来源:早发表网

摘要:近年来随着新技术新材料的不断发展,电磁炮的研究取得了实质性的进展,提高电磁炮的效率的研究受到了人们的关注。本文通过实验,分别讨论了线圈炮的电容器电压、线圈的初始位置、线圈的长度、弹丸的质量等因素对其效率的影响。结果表明,每个影响因素均存在一个最佳值使得线圈炮的效率最大。研究结果对提高线圈炮的效率有一定的指导意义。

关键词:线圈炮,效率,影响因素

1831年英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,1901年挪威地球物理学家伯克兰制成了第一个电磁线圈炮,60年代起,随着脉冲功率技术的蓬勃发展,电磁炮的相关技术得到解决,近年来由于新技术、新材料的不断发展,电磁炮的研究取得了不少实质性的进展,电磁炮已开始进入实用研究阶段,2010年,美国海军宣布成功进行了第一轮电磁炮实验。进入本世纪以后,电磁炮的技术实用化和武器化是关注的热点,电磁炮在军事上面最主要的应用是可作为直接瞄穿武器和远程压制武器,特别是美国的军方出台了一系列的有关电磁炮技术发展的国防政策和国防预研计划,对电磁炮的供电源小型化、电磁脉冲功率传输和转化技术等关键技术进行了研究,推动了电磁炮在陆军和海军武器领域上的应用,并进行了一系列接近实战化的指标演示实验[1]。

线圈炮是电磁炮的最早形式,线圈炮可以发射大质量弹丸,且弹丸与线圈没有接触,因此不存在烧蚀和磨损等问题[2]。而且线圈炮发射弹丸的初速度高,所以可以提高对移动目标的命中率。相比于传统火炮,线圈炮的射程可以通过过载电流直接控制。线圈炮发射时噪音小,而且几乎没有炮口火焰,因而隐蔽性非常好。另外,线圈炮有较高的效率(大于50%),但是线圈炮存在耗能高、蓄能慢和能量利用率低等缺点。本文将线圈炮实验装置进行改进后进行实验,对如何提高线圈炮效率进行探究。

 

线圈炮由若干固定线圈和弹丸线圈组成。固定线圈相当于炮管,起加速弹丸的作用。当固定线圈依次通电后,形成运动磁场,磁场在弹丸中产生感应电流。感应电流与运动磁场的相互作用产生力,推动弹丸加速运动[3]。为了便于研究实验采用了磁性材料作为弹丸,本实验装置如图2所示。

 

据此,本实验的设计思路是:在分别改变电容器电压、线圈的初始位置、线圈的长度、弹丸的质量的情况下,探究线圈炮效率的变化规律。

3实验与结果分析

3.1电容器放电的电压对线圈炮效率的影响

为了讨论线圈炮效率与电容器放电的电压之间的关系,本实验在弹丸质量一定,线圈长度相同的情况下,改变电容充电电压的大小,测量弹丸的最大速度[4],根据(1)式计算出线圈炮效率。其规律如图3所示。

 

由图3可知,随着线圈两端电压的升高线圈炮的速度逐渐增加,但是效率增加不是线性增加,而是随着电压增大效率先上升后减小,到后期效率逐渐减小,这是因为线圈产生的磁场还对弹丸做了负功,电压越大,弹丸的初速度大,相同时间内移动的距离远。在线圈磁场消失前可能会略微受到磁场的反作用力,所以效率不是线性上升,而是随着电压的升高先增大后减小并存在一个峰值。

3.2弹丸的初始位置对线圈炮效率的影响

在保持线圈长度、电压、弹丸质量不变的情况下,改变弹丸的位置来探究弹丸的初始位置对效率的影响[5],其结果如图4所示。

 

由图4易看出:随着弹丸初始位置的不同,弹丸在初始时刻所受的力和加速距离都不一样,所以弹丸的初速度不同,而且弹丸的初速度较快,也许弹丸飞行到加速线圈末端时线圈的磁场还未消失,磁场还可以作用到弹丸上并对其产生影响,因此随着弹丸相对加速线圈的初始位置不同,线圈对弹丸的加速效果也不相同,由图4可以看出对于不同的弹丸初始位置,存在着一个最佳位置,使弹丸的速度最大,效率最高。

3.3加速线圈的长度对对线圈炮效率的影响

在相同的情况下给弹丸加速的时间越长,弹丸的初速度应该越大[6],进而线圈炮的效率会更高。因此,改变线圈的长度,探究在相同电压,相同弹丸,不同线圈长度情况下弹丸的最大射速,反映出线圈炮的效率变化情况如图5所示。

由图5可知:

(1) 随着线圈长度的增加,弹丸射速最大的点(最佳位置)逐渐向炮口移动。

(2) 随着线圈长度的增加,弹丸的速度变化幅度逐渐变小。

(3)验证中的猜想,随着线圈长度的增加,弹丸的最大速度减小。

(4)由于线圈变长,线圈另一端由于距离变长所以提供给弹丸的动力变小,所以想要增大动力,弹丸就要适当地往前移。

 

3.4弹丸的质量对对线圈炮效率的影响

在磁场中,弹丸在受力的同时,它们本身由于互感也会产生一个与线圈磁场相反的磁场来削弱总磁场,通过改变弹丸的数量,可以改变线圈炮的效率[7]。在弹丸的位置不变、线圈长度不变、放电电压逐渐增大的情况下,改变弹丸质量来探究其对线圈炮效率的影响,得到规律如图6所示。

 

由图6可知:

(1)最大速度随着质量增加略有减小(线圈磁场被弹丸的磁场削弱),弹丸倍数增多时应该考虑空气阻力(与炮管阻力几乎为零)。

(2)开始随着电压的增高,线圈炮效率也在增高,增到一定程度后线圈炮效率随电压的增高而降低。

(3)在相同的电压下,随着弹丸质量的增加,线圈炮效率也在增高。

4结果与讨论

实验对影响线圈炮效率的四个主要因素进行了定量研究,研究结果表明:

(1)适当增加电容两端电压可以提升线圈炮的效率。

(2)弹丸的初始位置一般靠近线圈的尾部效率会比较高。

(3)把线圈长度增大到弹丸长度的三倍左右会获得最大效率。

(4)最后在条件允许的情况下增大弹丸的质量可以适当提高线圈炮的效率。

为了深入分析,由实验分别得出了电容电压、弹丸的初始位置、线圈长度、弹丸质量对线圈炮效率影响规律的曲线。从四条曲线上可以看出,每个影响因素都存在一个最佳值,使得效率达到最大,因此合理地设计电容电压、弹丸的初始位置、线圈长度、弹丸质量能够提高线圈的效率。实验虽然只是一个线圈炮的模型所得到的规律,但其对提高线圈炮的效率有重要的理论指导意义。

参考文献:

[1]孟金友.电磁炮的发展现状及其应用前景[J].现代兵器,1990(5):12-14.

[2]李军,严萍,袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术,2014(4):1052-1064.

[3]陈庆国,张海燕,王永红,等.电容器储能型轨道电磁炮的理论分析与动态仿真[J].电机与控制学报,2006(1):23-26.

[4]周茜,尚凌颢.电磁炮模型的弹丸发射速度的探究[J].物理实验,2010,30(8):16-18.

[5]冯霈,雷彬,李治源.电容器参数对电磁炮最佳发射初始位置的影响[J].兵工自动化,2007(3):100.

[6]蒋雅琴,刘振祥,杨丽佳,等.螺旋线圈电磁炮驱动线圈的应力及其影响因素[J].微电机,2011,44(07):11-14.DOI:10.15934/j.cnki.micromotors.2011.07.001

[7]陈学慧,曹延杰,王成学,等.电枢材料和弹丸配重对舰载线圈炮效率的影响[J].舰船科学技术,2013,35(4):80-83



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