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同步感應(yīng)電磁線圈發(fā)射器具有發(fā)射拋體質(zhì)量范圍大、受控性好、不接觸無燒蝕等優(yōu)點，是電磁發(fā)射研究熱點之一。通過增加線圈級數(shù)，實現(xiàn)高初速發(fā)射，可廣泛應(yīng)用于遠程壓制、防空反導(dǎo)、近程主動防護等，也可用于彈射火箭類負載，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景。

為了獲得更高的出口速度，同步感應(yīng)線圈發(fā)射器一般采用多級線圈發(fā)射結(jié)構(gòu)。多個同口徑、同軸驅(qū)動線圈串列組成線圈發(fā)射器身管。脈沖電源對各級驅(qū)動線圈適時放電，放電電流產(chǎn)生的磁場與電樞感應(yīng)電流相互作用加速電樞運動。

雖然電磁線圈發(fā)射原理簡單，但由于多級線圈發(fā)射器參數(shù)之間相互耦合，互相約束，獲得較高的拋體速度和能量轉(zhuǎn)化效率比較困難，嚴重制約了該項技術(shù)工程應(yīng)用。如何提高發(fā)射效率，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了大量的研究。

現(xiàn)有研究主要從驅(qū)動線圈和拋體的空間幾何結(jié)構(gòu)和電參數(shù)、觸發(fā)位置和電源參數(shù)等方面進行優(yōu)化，提升了發(fā)射系統(tǒng)的效率，取得了一定的效果，但是隨著發(fā)射器級數(shù)的增加，可優(yōu)化的變量迅速增加，為提升效率帶來了困難。對多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器電樞加速機理、受力變化特性、磁場變化特性等沒有開展深入研究。磁場變化作為影響電樞電流和發(fā)射效率的關(guān)鍵因素，需要進行深入研究。

西北機電工程研究所的研究人員從電樞加速本質(zhì)特征磁場變化的角度，研究了多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速原理，以達到提高效率的目標。采用有限元方法對發(fā)射過程中的電樞運動和電樞電流分布進行計算，獲得了電樞加速機理和運動特性。根據(jù)電樞的運動特性和磁場分布，提出了改變磁場方向提升發(fā)射效率的方法。通過改變驅(qū)動線圈的電流方向，在發(fā)射器膛內(nèi)產(chǎn)生了方向相反的兩種磁場，分析電樞運動規(guī)律及電流分布，獲得了改變磁場方向?qū)Πl(fā)射效率的影響機理。

研究人員發(fā)現(xiàn)：同向磁場條件下，電樞在加速過程中，受電樞運動和驅(qū)動線圈電流減小的影響，電樞截面電流密度矢量呈現(xiàn)方向相反的兩種狀態(tài)，從而影響了電樞的加速效果。通過改變部分驅(qū)動線圈的磁場方向，顯著提高了電樞初速。

圖1 15級電磁線圈發(fā)射裝置

通過分析加速機理可知，磁場同向時電樞加速主要發(fā)生在電流的上升沿，而磁場反向時電樞加速主要發(fā)生在電流的下降沿，反向時上升沿的作用在過渡段是為了使得反向的電流更大，在一般加速段是為了降低前級電流減小的影響并增加反向電流，且增加加速時的電磁力，提升系統(tǒng)發(fā)射效率。

15級電磁線圈裝置的發(fā)射試驗結(jié)果表明，磁場同向時，后四級線圈發(fā)射效率為7.6%，而磁場反向后效率達到了28.3%，效率得到了顯著的提高。理論和試驗結(jié)果表明，通過改變磁場方向可用于提升發(fā)射效率，為后續(xù)多級線圈發(fā)射裝置的設(shè)計提供了理論參考。

以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“基于磁場方向變化的同步感應(yīng)線圈發(fā)射器效率提升分析”，作者為張濤、國偉 等。