線圈炮

線圈炮種類(lèi)繁多，名稱(chēng)混亂，因而應(yīng)對(duì)線圈炮進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)，以利于研究和發(fā)展線圈炮。從驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈間的電關(guān)聯(lián)分類(lèi)，線圈炮可分為兩大類(lèi):一是兩線圈間的電關(guān)聯(lián)分類(lèi)，線圈炮可分為兩大類(lèi):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(wú)直接電聯(lián)系的線圈炮。例如，感應(yīng)型和無(wú)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(dòng)機(jī)原理工作。依據(jù)直線電動(dòng)機(jī)的原理和電物理特性，可把線圈炮分為5類(lèi):

(1)兩線圈均為直流，類(lèi)似導(dǎo)軌炮，此為直流直線電動(dòng)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(dòng)線圈使用交變電流，此為同步電動(dòng)機(jī)型，我們稱(chēng)其為直流電樞分立驅(qū)動(dòng)的線圈炮;

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

(4)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)型，通常稱(chēng)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(dòng)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(dòng)線圈由長(zhǎng)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(guò)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(dòng)螺線管線圈和彈丸線圈。又因?yàn)槭褂弥绷?，所以電?span id="6n1jly7" 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(dòng)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(gè)饋電電刷和三個(gè)換向電刷，它們把螺線管驅(qū)動(dòng)線圈分成前后兩個(gè)激勵(lì)區(qū)，彈丸螺線管線圈的電流方向與前激勵(lì)區(qū)的電流方向相同以產(chǎn)生拉力，與后激勵(lì)區(qū)的相反以產(chǎn)生推力。實(shí) 際上，這是一個(gè)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(lì)區(qū)串聯(lián)作為負(fù)載獲得同樣電流，而后激勵(lì)區(qū)是另一個(gè)負(fù)載。彈丸線圈中心與前后激勵(lì)區(qū)中心的距離各約為一個(gè)電感長(zhǎng)度(lm)，以便獲得最大互感梯度。

電刷換向的缺點(diǎn)在于滑動(dòng)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(wú)刷的螺旋線圈炮。

無(wú)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(wú)滑動(dòng)接觸，僅存在磁耦合;使用開(kāi)關(guān)換向同步地控制速度;驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(chǔ)存在螺線管形的驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)，驅(qū)動(dòng)線圈便是儲(chǔ)能電感器。彈丸線圈通過(guò)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(shí)，從驅(qū)動(dòng)線圈后沿開(kāi)始使用換向開(kāi)關(guān)，視彈丸線圈位置同步地快速向前，以消去驅(qū)動(dòng)線圈的電流。由于彈丸線圈電流與剩余的驅(qū)動(dòng)線圈電流同向，彈丸線圈被吸引著快速向前運(yùn)動(dòng)，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(lì)的 螺線管驅(qū)動(dòng)線圈中去，另一部分轉(zhuǎn)變成用來(lái)加速?gòu)椡璧膭?dòng)能，還有一部分已其它形式損失掉。

驅(qū)動(dòng)線圈充電時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，炮工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈的線匝短路和斷開(kāi)順序表示在圖3-16(b)，驅(qū)動(dòng)線圈和開(kāi)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(dòng)線圈后朝前運(yùn)動(dòng)時(shí)，用開(kāi)關(guān)使彈丸線圈前面的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈短路，同時(shí)閉合第二個(gè)開(kāi)關(guān)S2，由于攜帶電流的彈丸線圈運(yùn)動(dòng)，將在短路的驅(qū)動(dòng)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(shí)開(kāi)關(guān)電流將增加到驅(qū)動(dòng)線圈的滿載電流值。當(dāng)短路匝的電流變?yōu)?時(shí)，就斷開(kāi)與這些匝串聯(lián)的那個(gè)早先已閉合的開(kāi)關(guān)(S1)。然后隨彈丸線圈前進(jìn)，再閉合S2，再斷開(kāi)S2，開(kāi)始下一個(gè)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(dòng)線圈后沿各匝磁場(chǎng)的順序消失而前進(jìn)。

2.外電壓換向的線圈炮

和其它無(wú)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(chǎng)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(lèi)似，也是長(zhǎng)螺線管驅(qū)動(dòng)線圈，但有一定的差別。主要差別在于無(wú)電刷和使用外電壓換向，亦即使炮管驅(qū)動(dòng)線圈有限激勵(lì)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(dòng)感應(yīng)換向引起。這樣，就對(duì)彈丸線圈電流無(wú)閥值要求，電流可以小一些，而驅(qū)動(dòng)線圈的磁場(chǎng)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(lèi)似，雖無(wú)電刷，但有兩個(gè)彈丸線圈。炮管線圈的局部激勵(lì)借助于兩個(gè)外電源(圖3-17)。開(kāi)始激勵(lì)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(lì)區(qū)和彈丸線圈移動(dòng)一個(gè)線圈間距，線圈7的電流由0上升至I(滿載)，而激勵(lì)區(qū)后沿的線圈1內(nèi)的電流由原來(lái)的滿載值降至0.也就是說(shuō)，把一高電壓加到激勵(lì)區(qū)前沿，使其電流從0上升至I;把一低電壓加到激勵(lì)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(cuò)地外加兩個(gè)電壓源，炮管線圈電壓由這兩個(gè)電壓源提供，它們工作在不同的電壓水平，把激勵(lì)區(qū)后面的磁能轉(zhuǎn)移到前面去，不通過(guò)電源就能進(jìn)行能量傳輸，其中一個(gè)是低壓電源GL，隨激勵(lì)區(qū)后沿磁場(chǎng)的衰減，它從線圈1吸收功率;另一個(gè)是高壓電源GH，隨著激勵(lì)區(qū)前沿磁場(chǎng)的上升，它向線圈7提供功率。但是，激勵(lì)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(guò)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(huì)死，GL電源以相反極性的電壓工作，并成為一個(gè)能源。從線圈1返回的能量減少了對(duì)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(dòng)能和炮管線圈的歐姆損失之和。

直流電樞分立驅(qū)動(dòng)的線圈炮也是無(wú)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(dòng)線圈沿炮管分立或分段，激勵(lì)電流為脈沖的;多半用開(kāi)關(guān)換向。這種線圈炮最早是由美國(guó)普林斯頓的麻省理工學(xué)院提出的，當(dāng)初從用途角度稱(chēng)它為"質(zhì)量驅(qū)動(dòng)器(mass driver)";我們以其原理和特點(diǎn)，稱(chēng)它為直流電樞分立驅(qū)動(dòng)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(gè)或多個(gè)，也可各個(gè)分立，每個(gè)可用多匝導(dǎo)體(如鋁)制成。通過(guò)其上的饋電電刷與四條導(dǎo)向饋電導(dǎo)軌滑動(dòng)接觸而從直流電源獲得直流。若用超導(dǎo)體時(shí)，用導(dǎo)向板代替導(dǎo)軌，起磁懸浮和導(dǎo)向作用。

根據(jù)對(duì)彈丸的速度要求，沿炮管分立若干驅(qū)動(dòng)線圈，它們由一個(gè)或多個(gè)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(dòng)線圈附近時(shí)，該處傳感器發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)電源的開(kāi)關(guān)，對(duì)該驅(qū)動(dòng)線圈放電激勵(lì)。這種炮是用開(kāi)關(guān)換向的。這些驅(qū)動(dòng)線圈可以交錯(cuò)地單相、雙相或多相地排列和激勵(lì)。順序、同步地快速觸發(fā)開(kāi)關(guān)放電而形成一個(gè)前進(jìn)的"磁行波"，像同步直線電動(dòng)機(jī)那樣帶著彈丸線圈前進(jìn)。一般，越接近炮口驅(qū)動(dòng)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?lì)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(dòng)線圈，將會(huì)提高效率、減小炮體積和簡(jiǎn)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(chēng)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?duì)簡(jiǎn)單有效，所以它是最有前途和最有潛力的線圈炮。歷史上曾稱(chēng)其為"感應(yīng)加速器"、"感應(yīng)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)器"，甚至稱(chēng)其為"無(wú)源同軸加速器"。實(shí)際上，感應(yīng)線圈炮只有兩大類(lèi):分立驅(qū)動(dòng)線圈的同步脈沖感應(yīng)線圈炮和連續(xù)驅(qū)動(dòng)線圈的異步感應(yīng)線圈炮。前者又有單級(jí)和多級(jí)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(dòng)線圈同步脈沖放電感生的，多級(jí)工作時(shí)類(lèi)似直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步感應(yīng)線圈炮的驅(qū)動(dòng)線圈是連續(xù)的繞組，多相激勵(lì)，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(dòng)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(dòng)機(jī)和金屬成形等相繼得到應(yīng)用，使單級(jí)感應(yīng)線圈炮得以問(wèn)世和發(fā)展。單級(jí)感應(yīng)線圈炮結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，一般由儲(chǔ)能電源(如電容器組)、開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)線 圈和彈丸線圈(或被驅(qū)動(dòng)環(huán))組成，如圖3-24(a)所示。通常驅(qū)動(dòng)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(dòng)線圈時(shí)，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(chǎng)相互作用產(chǎn)生安培力，此力驅(qū)動(dòng)彈丸線圈朝前運(yùn)動(dòng)。由于在彈丸線圈內(nèi)感應(yīng)的電流與驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。

多級(jí)脈沖感應(yīng)線圈炮是由多個(gè)單級(jí)線圈串列而成。每當(dāng)彈丸線圈到達(dá)驅(qū)動(dòng)線圈的適當(dāng)位置是，使該驅(qū)動(dòng)線圈放電，其磁場(chǎng)在彈丸線圈內(nèi)變化，以感生電流。驅(qū)動(dòng)線圈是分立的，一般每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈各有自己的獨(dú)立電源，并由開(kāi)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(chēng)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(dòng)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(lì)，產(chǎn)生一個(gè)像異步(或感應(yīng))電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣的直線行波磁場(chǎng)，行波速度較彈丸線圈速度快，借助其滑差速度引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在彈丸線圈內(nèi)感生電流，行波磁場(chǎng)"拉"著彈丸線圈前進(jìn)。由于彈丸線圈加速 需要的速度越來(lái)越高，因此應(yīng)當(dāng)把整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(lì)電源的頻率，或者增大驅(qū)動(dòng)線圈的極距(半波長(zhǎng))。由于彈丸長(zhǎng)度相對(duì)短，所以過(guò)大地增加極距是不實(shí)際的，因此沿炮管長(zhǎng)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(jiàn)，異步感應(yīng)線圈炮各段的激勵(lì)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(duì)驅(qū)動(dòng)線圈多相繞組交流激勵(lì)，會(huì)像異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣在線圈附近產(chǎn)生一徑向磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)沿炮管近似正弦分布。由于激勵(lì)電流隨時(shí)間變化，該磁場(chǎng)沿炮管以波(相)速度vw前進(jìn)。

用一磁行波場(chǎng)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(duì)磁導(dǎo)率μ<1.在外磁場(chǎng)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(chǎng)的峰值推開(kāi)一定距離;而順磁質(zhì)材料(錳、鉻、鉑等)彈丸，其相對(duì)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(chǎng)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(dòng)來(lái)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(duì)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(lái)非線性問(wèn)題，因而在確定加速力和繞組電感時(shí)，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(dòng)線圈和鐵磁材料的磁軛鐵芯組成，如圖3-49所示 (圖中僅畫(huà)出對(duì)稱(chēng)的一半)。所謂磁阻，是指阻止線圈周?chē)怕方⒋磐ǖ淖枇?。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(dòng)時(shí)，環(huán)繞線圈的磁路的磁阻將發(fā)生變化，于是就對(duì)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(shí)，磁通較容易形成和通過(guò)，這是因?yàn)榇怕返目諝庀蹲冃?，磁路的磁阻也小，此時(shí)對(duì)鐵芯的作用力亦最小。當(dāng)鐵芯從線圈中心移開(kāi)時(shí)，原來(lái)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(shí)可對(duì)彈丸可拉、可推的優(yōu)點(diǎn)。