同步感应线圈发射器军事应用前景广阔，新方法可有效提升发射效率

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提升同步感应线圈发射器的能量转换效率是电磁发射研究的热点之一。电枢在运动过程中，磁场沿轴向剧烈变化，使得电枢产生了感生电流和动生电流，电枢受力不均匀。在磁场同向的条件下，电枢加速主要集中在驱动线圈电流的上升沿，电枢截面电流分布不均匀。由于驱动线圈电流的减小和电枢的运动，导致磁场迅速减小，影响了系统的发射效率。

西北机电工程研究所的研究人员张涛、国伟、苏子舟、刘勇、范薇，在2021年第3期《电工技术学报》上撰文指出，身管内的磁场变化对于电枢加速具有重要影响，通过改变线圈的电流方向，电枢初速显著提高。电枢加速主要集中在驱动线圈电流的下降沿，电枢截面电流显著增加，有利于增加电磁推力和提高发射效率。实验结果表明，磁场反向后电枢初速和效率得到了显著的提高，该方法为多级线圈发射装置的设计提供了参考。

同步感应电磁线圈发射器具有发射抛体质量范围大、受控性好、不接触无烧蚀等优点，是电磁发射研究热点之一。通过增加线圈级数，实现高初速发射，可广泛应用于远程压制、防空反导、近程主动防护等，也可用于弹射火箭类负载，具有广阔的军事应用前景。

为了获得更高的出口速度，同步感应线圈发射器一般采用多级线圈发射结构。多个同口径、同轴驱动线圈串列组成线圈发射器身管。脉冲电源对各级驱动线圈适时放电，放电电流产生的磁场与电枢感应电流相互作用加速电枢运动。

虽然电磁线圈发射原理简单，但由于多级线圈发射器参数之间相互耦合，互相约束，获得较高的抛体速度和能量转化效率比较困难，严重制约了该项技术工程应用。如何提高发射效率，国内外专家学者进行了大量的研究。

现有研究主要从驱动线圈和抛体的空间几何结构和电参数、触发位置和电源参数等方面进行优化，提升了发射系统的效率，取得了一定的效果，但是随着发射器级数的增加，可优化的变量迅速增加，为提升效率带来了困难。对多级同步感应线圈发射器电枢加速机理、受力变化特性、磁场变化特性等没有开展深入研究。磁场变化作为影响电枢电流和发射效率的关键因素，需要进行深入研究。

西北机电工程研究所的研究人员从电枢加速本质特征磁场变化的角度，研究了多级同步感应线圈发射器的加速原理，以达到提高效率的目标。采用有限元方法对发射过程中的电枢运动和电枢电流分布进行计算，获得了电枢加速机理和运动特性。根据电枢的运动特性和磁场分布，提出了改变磁场方向提升发射效率的方法。通过改变驱动线圈的电流方向，在发射器膛内产生了方向相反的两种磁场，分析电枢运动规律及电流分布，获得了改变磁场方向对发射效率的影响机理。

研究人员发现：同向磁场条件下，电枢在加速过程中，受电枢运动和驱动线圈电流减小的影响，电枢截面电流密度矢量呈现方向相反的两种状态，从而影响了电枢的加速效果。通过改变部分驱动线圈的磁场方向，显著提高了电枢初速。

图1 15级电磁线圈发射装置

通过分析加速机理可知，磁场同向时电枢加速主要发生在电流的上升沿，而磁场反向时电枢加速主要发生在电流的下降沿，反向时上升沿的作用在过渡段是为了使得反向的电流更大，在一般加速段是为了降低前级电流减小的影响并增加反向电流，且增加加速时的电磁力，提升系统发射效率。

15级电磁线圈装置的发射试验结果表明，磁场同向时，后四级线圈发射效率为7.6%，而磁场反向后效率达到了28.3%，效率得到了显著的提高。理论和试验结果表明，通过改变磁场方向可用于提升发射效率，为后续多级线圈发射装置的设计提供了理论参考。

以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于磁场方向变化的同步感应线圈发射器效率提升分析”，作者为张涛、国伟 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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