让子弹飞得更准些！海军工程大学科研团队提出电磁线圈发射子弹的设计方案

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电磁发射子弹具有速度可调、响应时间短的优势，在防恐、维稳等方面具有重要的应用潜力。针对目前电磁轨道发射子弹存在的出膛初始扰动大、出膛后气动外形变化的问题，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员张晓、鲁军勇、李湘平、郭赟、武文轩，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，提出采用非接触式线圈发射子弹的方案，克服了轨道发射初始扰动和气动外形变化的难题。

他们通过建立线圈发射子弹的动态发射模型，并结合带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）建立线圈发射子弹系统的优化设计模型。提出分步优化设计思想，在满足子弹预定能级要求的前提下，以线圈发射装置长度和发射效率为优化目标，实现了对包括线圈截面参数、子弹结构参数、脉冲电源初始电压和触发时序等多个设计变量的优化设计。优化结果表明：若以两个指标平均值最小为优化目标，则装置最短长度为0.123m，对应发射效率为4.89%。

随着电磁发射技术的逐渐成熟化应用，以及在防恐、维稳等方面对枪用子弹初速及射程要求的逐步提高，电磁发射子弹应运而生。电磁发射子弹具有传统机械发射子弹无可比拟的速度优势，射程更远、杀伤威力更大，且由于其初速度可通过控制电流实现无极调整，使用更加灵活，成为继大口径电磁轨道发射弹丸后电磁轨道发射技术的又一重大军事应用。

按照发射长度和末速度的不同，电磁发射技术可分为电磁弹射技术（发射长度百米级，末速度可达100m/s）、电磁轨道炮技术（发射长度十米级，末速度可达3km/s）、电磁推射技术（发射长度千米级，末速度可达8km/s）。

理论上说，为了实现短距离子弹的高速发射，电磁轨道发射为首选方式，但与大口径电磁轨道发射弹丸不同的是，电磁发射子弹体积小、质量轻，导致在设计子弹时不能直接参考电磁轨道发射一体化弹丸的分离式设计，即出膛后电磁枪子弹电枢仍作为有效载荷与弹体合成一体。

电枢在发射过程中与导轨之间存在高速滑动电接触，电枢表面存在摩擦磨损现象，且电枢臂存在扩张现象，致使出膛后子弹气动稳定性下降。并且由于电磁轨道发射类似于滑膛发射，子弹在周向方向没有约束，导致子弹初始扰动相对传统线膛发射子弹要大，射击精度下降。电磁发射子弹与电磁轨道发射一体化弹丸对比如图1所示。

图1 电磁发射子弹与电磁轨道发射一体化弹丸对比

因此从初始扰动和飞行稳定性方面考虑，采用电磁轨道发射会带来不可避免的子弹射击精度损失。同步感应线圈发射技术作为非接触电磁发射技术的一种，理论上可以解决电磁轨道发射子弹初始扰动大和气动稳定性下降的弊端，在小口径电磁发射应用中有巨大潜力。

海军工程大学的研究人员提出采用同步感应线圈的方式发射小口径子弹，建立子弹在同轴驱动线圈电流作用下的动态发射模型，并进行了模型的试验验证，结果表明模型精度在5%以内。在此基础上，对电磁线圈发射子弹系统进行优化设计，采用NSGA-Ⅱ对其以发射装置长度和效率为优化目标的多变量系统进行优化设计。

图2 电磁线圈发射子弹系统总体组成结构

图3 NSGA-II优化设计流程

他们针对全局优化存在的计算速度慢、局部最优的问题，提出分步优化设计方法，在单级线圈发射情况下，以线圈长度和子弹动能单位长度增量为优化目标，对线圈的截面布局参数和子弹的结构参数进行优化。在线圈和子弹结构参数确定的前提下，通过优化线圈级数、电源初始电压和触发时序，实现多目标的优化设计，并进行了线圈热力仿真校核。

图4 计算模型试验验证

研究人员指出，设计和校核结果表明：若选择两个优化指标平均值最小的解，装置最短长度为0.123m，发射效率为4.89%，且驱动线圈的绝缘和结构强度能够满足使用要求。

以上研究成果发表在2021年第22期《电工技术学报》，论文标题为“电磁感应线圈发射子弹系统优化设计”，作者为张晓、鲁军勇 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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