CN110793387A - 一种电磁推力发射装置 - Google Patents

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赵其进
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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，第一轨道和第二轨道相互平行和绝缘，并由金属制成；电枢，其位于第一轨道和第二轨道之间且可沿其滑动并与第一轨道和第二轨道滑动电接触；弹丸，其由电枢推动；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，在回路中通过第一轨道和第二轨道的电流产生磁场，流过电枢的电流在该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，电枢还包括等离子体发生器，其设置在电枢的下部以产生等离子体。本发明解决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，所述电枢还包括等离子体发生器，其设置在所述电枢的下部以产生等离子体。
可选地，在如上所述的装置中，所述等离子体发生器包括电磁线圈和底座，所述等离子体发生器利用所述电枢作为阳极，利用所述底座作为接地阴极，所述底座具有钉状柱体，所述钉状柱体位于所述底座的中心，所述电磁线圈围绕所述钉状柱体并与其具有一定距离。
可选地，在如上所述的装置中，所述电枢还包括圆形通孔。
可选地，在如上所述的装置中，所述电枢还包括中空腔室，所述钉状柱体位于所述中空腔室的中心。
可选地，在如上所述的装置中，所述电枢还包括惰性气体存储装置，所述惰性气体存储装置用于存储惰性气体，并且与所述中空腔室连通。
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电枢中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，在发射全程作用而不用过多时间控制。
可选地，在如上所述的装置中，所述电枢还包括在其两侧的梯形槽，所述梯形槽和所述圆形通孔使等离子体更好充满所述电枢与所述第一轨道和第二轨道之间的缝隙。
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。
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电枢的截面图。
图2为本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢的底座的示意图。
图3为本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢的示意图。
图4为本发明实施例提供的包括轨道的电磁推力发射装置的示意图。
图5为本发明实施例提供的包括惰性气体存储装置的电磁推力发射装置的示意图。
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，在电枢1上设置等离子体发生器(电枢1式)。图1示出了本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢1的截面图。图2示出了本发明实施例提供的电磁推力发射装置的电枢1的底座3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；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1，所述电枢1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1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1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1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1和弹丸到超高速，其特征在于，所述电枢1还包括等离子体发生器，其设置在所述电枢1的下部以产生等离子体。在如上所述的装置中，所述等离子体发生器包括电磁线圈2和底座3，所述等离子体发生器利用所述电枢1作为阳极，利用所述底座3作为接地阴极，所述底座3具有钉状柱体4，所述钉状柱体4位于所述底座3的中心，所述电磁线圈2围绕所述钉状柱体4并与其具有一定距离。在如上所述的装置中，所述电枢1还包括圆形通孔5。在如上所述的装置中，所述电枢1还包括中空腔室6，所述钉状柱体4位于所述中空腔室6的中心。在如上所述的装置中，所述电枢1还包括惰性气体存储装置7，所述惰性气体存储装置7用于存储惰性气体，并且与所述中空腔室6连通。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电枢1中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1吸收，所述低温等离子体在所述第一轨道与电枢1之间以及在所述第二轨道与电枢1之间形成等离子层，在发射全程作用而不用过多时间控制。在如上所述的装置中，所述电枢1还包括在其两侧的梯形槽8，所述梯形槽8和所述圆形通孔5使等离子体更好充满所述电枢1与所述第一轨道和第二轨道之间的缝隙。在如上所述的装置中，在所述电磁线圈2上施加电流，所述电磁线圈2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。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。
在电枢1上安装等离子体发生器，利用流经电枢1的电流作为阳极，底座3为接地阴极，在高电压的情况下电离电枢1中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电枢1吸收，可以在发射全程作用，而不用过多时间控制。
磁约束低温等离子体控制技术研究
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1的示意图。图4示出了本发明实施例提供的包括轨道的电磁推力发射装置的示意图。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)＝Bo sin(ωt+φo) (1)
变化的磁场产生感应电场
Eθ(t)＝-Eo cosωt (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
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 BDA0002251556690000071
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 BDA0002251556690000072
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。
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。初步考虑采用大通孔和喇叭形设计，主要是增大接触面积。为了使等离子体可以更好充满电枢与导轨间的缝隙，设计了侧边开槽中间打圆形通孔的电枢结构如图3和5所示。
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，所述电枢还包括等离子体发生器，其设置在所述电枢的下部以产生等离子体。
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电磁线圈和底座，所述等离子体发生器利用所述电枢作为阳极，利用所述底座作为接地阴极，所述底座具有钉状柱体，所述钉状柱体位于所述底座的中心，所述电磁线圈围绕所述钉状柱体并与其具有一定距离。
3.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，所述电枢还包括圆形通孔。
4.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，所述电枢还包括中空腔室，所述钉状柱体位于所述中空腔室的中心。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于，所述电枢还包括惰性气体存储装置，所述惰性气体存储装置用于存储惰性气体，并且与所述中空腔室连通。
6.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，在所述装置接通高电压的情况下所述装置电离所述电枢中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，在发射全程作用而不用过多时间控制。
7.根据权利要求6所述的装置，
其特征在于，所述电枢还包括在其两侧的梯形槽，所述梯形槽和所述圆形通孔使等离子体更好充满所述电枢与所述第一轨道和第二轨道之间的缝隙。
8.根据权利要求6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。
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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