CN110671966A - 一种电磁推力发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁推力发射装置。装置包括:第一轨道;第二轨道,其相互平行和绝缘,并且由金属制成;电枢,电枢位于轨道之间且可沿其滑动并与轨道滑动电接触;弹丸,弹丸由电枢推动;高功率脉冲电源;以及开关;第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路,当开关闭合时,电源向回路供电,在回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场,流过电枢的电流在磁场的作用下形成电磁力,该电磁力加速电枢和弹丸到超高速,电枢还包括多个等离子体发生器,其等距离地依次排列在第一轨道中以产生等离子体。本发明解决了电磁推力发射装置轨道的严重烧蚀的问题,使得降低对电枢和轨道的烧蚀,提高了轨道的使用寿命。

Description

一种电磁推力发射装置
技术领域
本发明涉及电磁轨道技术领域,具体地涉及一种电磁推力发射装置。
背景技术
目前,电磁轨道炮概念提出已久,但多年来一直处于试验阶段未投入实际使用,这是因为电磁轨道炮还有一些问题没有得到很好的解决,其中一个便是弹体发射过程中系统会产生大量的热量,对轨道造成烧蚀磨损甚至失效,严重影响材料的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁推力发射装置,解决了电磁推力发射装置轨道的严重烧蚀的问题,使得降低对电枢和轨道的烧蚀,提高了轨道的使用寿命。
通过本发明可以实现的技术目的不限于上文已经特别描述的内容,并且本领域技术人员将从下面的详细描述中更加清楚地理解本文中未描述的其他技术目的。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
根据本公开的一方面,本发明提供一种电磁推力发射装置,其特征在于,所述装置包括:
第一轨道;
第二轨道,所述第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘,并且由金属制成;
电枢,所述电枢位于所述第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道和第二轨道滑动电接触;
弹丸,所述弹丸由所述电枢推动;
高功率脉冲电源;以及
开关;
其特征在于,所述第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路,当所述开关闭合时,所述电源向回路供电,在所述回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场,流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力,该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速,
其特征在于,所述装置还包括多个等离子体发生器,其等距离地依次排列在所述第一轨道中以产生等离子体。
可选地,在如上所述的装置中,所述等离子体发生器包括阳极柱体、阴极喷嘴和喷气斜孔。
可选地,在如上所述的装置中,所述电枢还包括喇叭形通孔,其使等离子体与所述电枢具有较大的接触面积。
可选地,在如上所述的装置中,所述等离子体发生器还包括电磁线圈,所述电磁线圈围绕所述阴极喷嘴。
可选地,在如上所述的装置中,在所述第一导轨的一侧具有梯形槽。
可选地,在如上所述的装置中,在所述装置接通高电压的情况下所述装置电离所述喷气斜孔喷出的惰性气体从而生成低温等离子体,并在洛伦兹力和电场作用下自由电子被所述电枢吸收,所述低温等离子体在所述第一轨道与电枢之间以及在所述第二轨道与电枢之间形成等离子层。
可选地,在如上所述的装置中,所述多个等离子体发生器中的相邻两个之间的距离等于所述电枢的喇叭形通孔的长度,
可选地,在如上所述的装置中,控制所述等离子体发生器工作的时机,使得在所述电枢的喇叭形通孔的上沿到达第一个等离子体发生器时第一个等离子体发生器开始工作以产生等离子体,并将其喷至所述第二导轨,在所述电枢的喇叭形通孔的下沿到达第一个等离子体发生器时第一个等离子体发生器停止工作,第二个等离子体发生器开始工作,其余的等离子体发生器依次进行上述操作,从而保证等离子体发生器只在所述电枢经过时工作,以便避免等离子体弥漫于所述电枢经过后的区域,保证所述电枢一直有等离子体作用。
可选地,在如上所述的装置中,在所述电磁线圈上施加电流,所述电磁线圈在所述等离子体发生器内产生随时间变化的磁场,所述变化的磁场产生感应电场,所述低温等离子体受到所述磁场的约束,在垂直磁场方向上围绕磁力线作回旋运动以便形成磁箍缩。
可选地,在如上所述的装置中,通过控制所述惰性气体的流量来间接控制所述等离子体的速度与方向。
可选地,所述装置是电磁轨道炮。
上述技术方案仅为本发明实施例的一些部分,本领域技术人员从以下本发明的详细描述中可以导出和理解包含了本发明的技术特征的各种实施例。
本领域技术人员将会理解,通过本发明可以实现的效果不限于上文已经具体描述的内容,并且从以下详细说明中将更清楚地理解本发明的其他优点。
附图说明
被包括以提供对本发明的进一步理解的附图示出本发明的实施例,并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例提供的电磁推力发射装置的等离子体发生器的示意图。
图2为本发明实施例提供的电磁推力发射装置的等离子体发生器的示意图。
图3为本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢和多个等离子体发生器和轨道的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示例性实施例,其示例在附图中示出。下面将参考附图给出的详细描述旨在解释本发明的示例性实施例,而不是示出可以根据本发明实现的唯一实施例。以下详细描述包括具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
在一些情况下,已知的结构和设备被省略或以框图形式示出,集中于结构和设备的重要特征,以免模糊本发明的概念。在整个说明书中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据本发明的实施方式,在导轨上设置多个等离子体发生器(导轨式)。图1和图2示出了本发明实施例提供的电磁推力发射装置的等离子体发生器的示意图。如图1和2所示,本发明提供了一种电磁推力发射装置,所述装置包括:第一轨道2;第二轨道,所述第一轨道2和第二轨道相互平行和绝缘,并且由金属制成;电枢,所述电枢位于所述第一轨道2和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道2和第二轨道滑动电接触;弹丸,所述弹丸由所述电枢推动;高功率脉冲电源;以及开关;所述第一轨道2和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路,当所述开关闭合时,所述电源向回路供电,在所述回路中通过所述第一轨道2和第二轨道的电流产生磁场,流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力,该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速,所述电枢还包括多个等离子体发生器1,其等距离地依次排列在所述第一轨道2中以产生等离子体。在如上所述的装置中,所述等离子体发生器1包括阳极柱体3、阴极喷嘴4和喷气斜孔5。在如上所述的装置中,所述电枢还包括喇叭形通孔,其使等离子体与所述电枢具有较大的接触面积。在如上所述的装置中,所述电枢还包括电磁线圈6,所述电磁线圈6围绕所述阴极喷嘴4。在如上所述的装置中,在所述第一导轨的一侧具有梯形槽。在如上所述的装置中,在所述装置接通高电压的情况下所述装置电离所述喷气斜孔5喷出的惰性气体从而生成低温等离子体,并在洛伦兹力和电场作用下自由电子被所述电枢吸收,所述低温等离子体在所述第一轨道2与电枢之间以及在所述第二轨道与电枢之间形成等离子层。在如上所述的装置中,所述多个等离子体发生器1中的相邻两个之间的距离等于所述电枢的喇叭形通孔的长度。在如上所述的装置中,控制所述等离子体发生器1工作的时机,使得在所述电枢的喇叭形通孔的上沿到达第一个等离子体发生器1时第一个等离子体发生器1开始工作以产生等离子体,并将其喷至所述第二导轨,在所述电枢的喇叭形通孔的下沿到达第一个等离子体发生器1时第一个等离子体发生器1停止工作,第二个等离子体发生器1开始工作,其余的等离子体发生器1依次进行上述操作,从而保证等离子体发生器1只在所述电枢经过时工作,以便避免等离子体弥漫于所述电枢经过后的区域,保证所述电枢一直有等离子体作用。在如上所述的装置中,在所述电磁线圈6上施加电流,所述电磁线圈6在所述等离子体发生器1内产生随时间变化的磁场,所述变化的磁场产生感应电场,所述低温等离子体受到所述磁场的约束,在垂直磁场方向上围绕磁力线作回旋运动以便形成磁箍缩。在如上所述的装置中,通过控制所述惰性气体的流量来间接控制所述等离子体的速度与方向。
由于电磁轨道炮电枢体积较小,在电枢上布置等离子体发生器空间较小,会影响到低温等离子体产生密度,具体实施也有一定工程难度。而在轨道上布置则会减少此类难度,而且可以利用外部能源为等离子体发生器供能,也能采用现有的成熟低温等离子体发生器,降低了工程实践难度。
磁约束低温等离子体控制技术研究
低温等离子体控制即为达到特定目的利用相应技术原理对等离子体的运动状态或速率进行人为控制。由于等离子体包含大量的电子、正离子和中性粒子,因而对于等离子体控制方法主要有磁场约束控制、外加电场控制、其他动力源控制等方法。
(a)磁场约束控制
通过给等离子体源外加一个电磁线圈,线圈上施加频率为ω,幅度为I0的电流,线圈在等离子体源内产生随时间变化的磁场:
BZ(t)=Bosin(ωt+φo) (1)
变化的磁场产生感应电场
Eθ(t)=-Eocosωt (2)
电离气体的电子受到磁场的约束。带电粒子在垂直磁场方向,围绕磁力线作回旋运动,电子的回旋半径约为
Figure BDA0002251658200000061
其中me是电子质量,Te是电子温度,q是电子电荷,Bo是等离子体源内的磁场。
在平行磁场方向带电粒子做匀速直线运动,所以粒子的运动轨迹是绕磁力线做等螺距的螺旋线运动。
(b)外加电场控制
通过在等离子体源外直接加载电场,可以控制等离子体内的电子运动方向。
电场是电荷及变化磁场周围存在的一种特殊物质。电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场对进入其中的电荷有作用力,即电场力F。
F=Eq (4)
E为电场强度,q为电荷量。
i)等离子体基本方程
等离子体基本方程包含等离子体连续性方程(粒子数守恒原理)和等离子体运动方程(动量守恒原理):
Figure BDA0002251658200000071
式中n为粒子密度;u为流速;g、l分别为每秒单位体积内粒子由电离而产生、由复合而湮灭的比率;p为压强;m为粒子质量;v为粒子热运动速度。
ii)辅助方程
部分电离等离子体状态方程为
Figure BDA0002251658200000072
式中ni为第i种成分的粒子数密度;λD为Debye长度。
(c)其他动力源控制
对于等离子体的控制也可以通过使介质在电离前即带有一定速度,如通过控制惰性气体的流量来简介控制等离子体速度与方向。
本发明的技术方案采用磁约束低温等离子体的方式来控制,由于添加横向磁场后,低温等离子体做螺旋运动形成磁箍缩,有利于增加等离子体密度,而且可以控制等离子体填充电枢与导轨间的缝隙,从而减少电弧放电,也能有助于减少烧蚀。
电磁轨道炮枢轨结构模型设计
图3示出了本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢和多个等离子体发生器和轨道的示意图。
(a)电磁轨道炮电枢结构设计
当前电磁轨道炮研究中,固体电枢仍是电磁轨道炮应用的主流。
本发明的技术方案对固体电枢的设计要求,除了考虑正常电磁轨道炮发射时需要的良好枢轨接触面、质量足够小、良好的电导率与耐烧蚀的材料外,还要重点考虑利于电子吸附的具体结构,使等离子体与固体电枢有较大的接触面积。本发明的技术方案对采用大通孔和喇叭形设计,主要是增大接触面积。
(b)电磁轨道炮轨道结构设计
本发明的技术方案的轨道设计要从总体结构设计角度考虑低温等离子体发生器、低温等离子体控制、电磁绝缘设计等方面因素,使结构上便于布置装置,以便产生大量稳定可控的低温等离子体。初步设想构造成如下图结构,导轨侧边开梯形槽,单侧导轨依次排列等离子体喷枪,喷枪间距等于电枢喇叭孔长度,控制等离子体喷枪工作的时机,使其在电枢喇叭孔上沿到达时第一个喷枪开始工作产生等离子体喷至导轨另一侧,在孔下沿接触时停止工作,第二个喷枪开始工作依次进行,从而保证等离子体喷枪只在电枢经过时工作,这样的考虑即避免了等离子体弥漫于电枢经过后的区域,也能保证电枢一直有等离子体作用。
电磁轨道炮在工作时产热量过大,内部环境极其恶劣,材料的高温失效是制约电磁炮技术发展的一个瓶颈,严重影响其使用寿命。在此背景下,本发明的技术方案的等离子层能够非常显著地降低电枢和导轨接触界面的热效应,从而大幅减少电磁轨道炮的发热量,提高系统的发射性能和使用寿命,这对电磁轨道炮这一新概念动能武器进入实用阶段具有重大的意义。
如上所述,已经给出了本发明的优选实施例的详细描述,以使本领域技术人员能够实施和实践本发明。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明,但是本领域技术人员将会理解,在不脱离所附权利要求书中描述的本发明的精神或范围的情况下,可以在本发明中进行各种修改和改变。因此,本发明不应限于在此描述的特定实施例,而应被赋予与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种电磁推力发射装置,其特征在于,所述装置包括:
第一轨道;
第二轨道,所述第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘,并且由金属制成;
电枢,所述电枢位于所述第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与所述第一轨道和第二轨道滑动电接触;
弹丸,所述弹丸由所述电枢推动;
高功率脉冲电源;以及
开关;
其中,所述第一轨道和第二轨道和电枢以及开关、电源构成串联回路,当所述开关闭合时,所述电源向回路供电,在所述回路中通过所述第一轨道和第二轨道的电流产生磁场,流过所述电枢的电流在该磁场的作用下形成电磁力,该电磁力加速所述电枢和弹丸到超高速,
其特征在于,所述装置还包括多个等离子体发生器,其等距离地依次排列在所述第一轨道中以产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的装置,
其特征在于,所述等离子体发生器包括阳极柱体、阴极喷嘴和喷气斜孔。
3.根据权利要求2所述的装置,
其特征在于,所述电枢还包括喇叭形通孔,其使等离子体与所述电枢具有较大的接触面积。
4.根据权利要求2所述的装置,
其特征在于,所述等离子体发生器还包括电磁线圈,所述电磁线圈围绕所述阴极喷嘴。
5.根据权利要求1所述的装置,
其特征在于,在所述第一导轨的一侧具有梯形槽,在所述装置接通高电压的情况下所述装置电离所述喷气斜孔喷出的惰性气体从而生成低温等离子体,并在洛伦兹力和电场作用下自由电子被所述电枢吸收,所述低温等离子体在所述第一轨道与电枢之间以及在所述第二轨道与电枢之间形成等离子层。
6.根据权利要求3所述的装置,
其特征在于,所述多个等离子体发生器中的相邻两个之间的距离等于所述电枢的喇叭形通孔的长度。
7.根据权利要求3所述的装置,
其特征在于,控制所述等离子体发生器工作的时机,使得在所述电枢的喇叭形通孔的上沿到达第一个等离子体发生器时第一个等离子体发生器开始工作以产生等离子体,并将其喷至所述第二导轨,在所述电枢的喇叭形通孔的下沿到达第一个等离子体发生器时第一个等离子体发生器停止工作,第二个等离子体发生器开始工作,其余的等离子体发生器依次进行上述操作,从而保证等离子体发生器只在所述电枢经过时工作,以便避免等离子体弥漫于所述电枢经过后的区域,保证所述电枢一直有等离子体作用。
8.根据权利要求5所述的装置,
其特征在于,在所述电磁线圈上施加电流,所述电磁线圈在所述等离子体发生器内产生随时间变化的磁场,所述变化的磁场产生感应电场,所述低温等离子体受到所述磁场的约束,在垂直磁场方向上围绕磁力线作回旋运动以便形成磁箍缩。
9.根据权利要求8所述的装置,
其特征在于,通过控制所述惰性气体的流量来间接控制所述等离子体的速度与方向。
10.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置是电磁轨道炮。
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