CN112033215A - 一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置，它包括弹丸以及N级加速模块；控制前级放电开关元件导通，使前级电容对前级发射线圈放电，在前级发射线圈上产生冲击电流与磁场，利用磁阻拉力使弹丸加速，当弹丸运动至与前级发射线圈中点重合时，控制后级放电开关元件导通，使后级电容对后级发射线圈放电，在后级发射线圈上产生冲击电流与磁场，且磁场方向应当与前级磁场方向一致，使前级发射线圈上的电流，在后级发射线圈电流上升段下降至零，使前级续流开关元件关断，则后前级发射线圈对弹丸的磁阻力将保持为零。在改进原有电路基础上，使得前后级线圈之间的互感能被用来转移线圈能量，减小前级线圈对弹丸离开时的阻力，从而提高弹丸发射动能。

Description

一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置
技术领域
本发明属于电磁推进技术领域，是一种提高弹丸发射动能的优化方法，具体涉及一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置。
背景技术
磁阻电磁发射技术根据磁阻最小原则产生的磁阻拉力加速弹丸，以实现赋予弹丸一定动能的目的。发射装置通常由铁磁材料制成的弹丸、发射线圈、电容以及相应放电回路、续流回路构成。但在优化参数设计以提高动能时，传统方法需要使前级线圈与后级线圈隔开一定距离，以减小互感。这是因为传统方法续流回路采用二极管续流，不能在电流降为零之后保持关断，会导致前级线圈电流在后级线圈电流上升段增大，而增加前级线圈在弹丸脱离时的阻力，对弹丸出口动能提升十分有限。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上已有技术的不足，提供一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置，在改进了原有电路的基础上，使得前后级线圈之间的互感能被用来转移线圈能量，减小前级线圈对弹丸离开时的阻力，达到提高弹丸出口动能的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下发明构思：
根据磁阻最小原则，当弹丸被加速移动到与线圈构成的磁阻最小时，即两中点重合时，磁阻力为零。随后弹丸由于惯性继续前进，但会受到磁阻力而减速。实际应用中常采用多级线圈加速的方法，使后级线圈的加速作用抵消前级线圈的减速作用，以提高弹丸动能。但在优化参数设计以提高动能时，传统方法需要使前级线圈与后级线圈隔开一定距离，以减小互感。这是因为传统方法续流回路采用二极管续流，不能在电流降为零之后保持关断，会导致前级线圈电流在后级线圈电流上升段增大，而增加前级线圈在弹丸脱离时的阻力。
根据上述发明构思，本发明的技术解决方案如下：
一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置，包括弹丸以及N级加速模块，N为大于1的自然数；所述第i个加速模块由前级发射线圈连接一个前级控制电路构成；前级控制电路包括前级续流开关元件、前级放电开关元件和前级电容；所述前级续流开关元件、前级放电开关元件的阴极与前级发射线圈的标记端相连；所述前级电容的正极与前级放电开关元件的阳极相连，负极与前级发射线圈的未标记端相连；所述前级续流开关元件的阳极与前级发射线圈的未标记端相连；
所述第i+1个加速模块由后级发射线圈连接一个后级控制电路包括后级续流开关元件、后级放电开关元件和后级电容；所述后级续流开关元件、后级放电开关元件的阴极与后级发射线圈的未标记端相连；所述后级电容的正极与后级放电开关元件的阳极相连，负极与后级发射线圈的标记端相连；所述后级续流开关元件的阳极与后级发射线圈的标记端相连。
对于第i个加速模块以及第i+1个加速模块，所述出口减速抑制方法为：
控制前级放电开关元件导通，使前级电容对前级发射线圈放电，在前级发射线圈上产生冲击电流与磁场，利用磁阻拉力使弹丸加速，当弹丸运动至与前级发射线圈中点重合时，控制后级放电开关元件导通，使后级电容对后级发射线圈放电，在后级发射线圈上产生冲击电流与磁场，且磁场方向应当与前级磁场方向一致，使前级发射线圈上的电流，在后级发射线圈电流上升段下降至零，使前级续流开关元件关断，则此后前级发射线圈对弹丸的磁阻力将保持为零。
优选地，所述弹丸为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径小于发射线圈，由铁磁材料制成。
优选地，前级发射线圈与后级发射线圈空间上轴心同一直线，按照弹丸发射方向依次排布，且发射线圈之间间距为零。
优选地，前级发射线圈的标记端与后级发射线圈的标记端不是同名端。
优选地，前级放电开关元件、后级放电开关元件采用晶闸管；前级续流开关元件、后级续流开关元件采用快速晶闸管。
优选地，N为大于1的任意自然数，i为不大于N的所有自然数。
本发明与现有技术相比较具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：
1.本发明巧妙地利用线圈之间的互感，在后级线圈的电流上升段将前级线圈电流减小到零，使前级续流开关元件关断，从而使前级线圈对弹丸的阻力保持为零，提高弹丸发射动能；
2.本发发明在传统多级磁阻电磁发射方案的基础上进行了改进，对弹丸脱离前级线圈时的阻力进行了抑制，提高了弹丸发射动能；且本发明技术方案改动较小，容易实现，对于相关科学实验与实际应用有重要的使用价值。
附图说明
图1为本发明改进后多级磁阻电磁发射方案示意图。
图2为本发明改进后两级发射方案示意图。
图3为传统两级发射方案示意图。
图4为传统两级发射方案发射线圈电流波形以及弹丸速度波形。
图5为本发明实例三中改进后两级发射方案发射线圈电流波形以及弹丸速度波形。
具体实施方式
下面就本发明的优选实施例结合说明书附图做进一步说明：
实施例一：
参见图1和图2，一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置，包括弹丸100以及N级加速模块，N为大于1的自然数；
所述第i个加速模块由前级发射线圈110连接一个前级控制电路111构成；前级控制电路111包括前级续流开关元件112、前级放电开关元件113和前级电容114；
所述前级续流开关元件112、前级放电开关元件113的阴极与前级发射线圈110的标记端1100相连；所述前级电容114的正极与前级放电开关元件113的阳极相连，负极与前级发射线圈110的未标记端相连；所述前级续流开关元件112的阳极与前级发射线圈110的未标记端相连；
所述第i+1个加速模块由后级发射线圈120连接一个后级控制电路121包括后级续流开关元件122、后级放电开关元件123和后级电容124；所述后级续流开关元件122、后级放电开关元件123的阴极与后级发射线圈120的未标记端相连；所述后级电容124的正极与后级放电开关元件123的阳极相连，负极与后级发射线圈120的标记端1200相连；所述后级续流开关元件122的阳极与后级发射线圈120的标记端1200相连。
对于第i个加速模块以及第i+1个加速模块，所述出口减速抑制方法为：
控制前级放电开关元件113导通，使前级电容114对前级发射线圈110放电，在前级发射线圈110上产生冲击电流与磁场，利用磁阻拉力使弹丸100加速，当弹丸100运动至与前级发射线圈110中点重合时，控制后级放电开关元件123导通，使后级电容124对后级发射线圈120放电，在后级发射线圈120上产生冲击电流与磁场，且磁场方向应当与前级磁场方向一致，使前级发射线圈110上的电流，在后级发射线圈120电流上升段下降至零，使前级续流开关元件112关断，则此后前级发射线圈110对弹丸的磁阻力将保持为零。
本实施例磁阻电磁发射出口减速抑制装置，在改进了原有电路的基础上，使得前后级线圈之间的互感能被用来转移线圈能量，减小前级线圈对弹丸离开时的阻力，达到提高弹丸出口动能的目的。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，参见图1和图2，所述弹丸100为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径小于发射线圈，由铁磁材料制成。
在本实施例中，前级发射线圈110与后级发射线圈120空间上轴心同一直线，按照弹丸100发射方向依次排布，且发射线圈之间间距为零。前级发射线圈的标记端1100与后级发射线圈的标记端1200不是同名端。前级放电开关元件113、后级放电开关元件123采用晶闸管；前级续流开关元件112、后级续流开关元件122采用快速晶闸管。
在本实施例中，N为大于1的任意自然数，i为不大于N的所有自然数。
本实施例采用线圈之间的互感，结合新型电路将前级发射线圈内的电流抽走降至零，使前级续流回路的开关元件关断，从而使前级发射线圈对弹丸脱离时施加的磁阻力逐渐降为零，达到抑制出口减速、提高弹丸发射动能的目的。
对比例：
如图3所示为传统两级发射方案示意图。两级发射线圈绕制方法相同，间隔一定距离，且均连接相同电路，通过放电开关元件控制电容放电，线圈电流通过前级续流二极管115以及后级续流二极管125续流。控制前级放电开关元件113导通，弹丸100开始运动，当弹丸运动至与前级线圈110中点重合时，触发后级开关元件123导通，后级发射线圈120电流快速上升。在互感作用下，前级发射线圈110电流下降或降至零。当后级发射线圈120电流下降时，前级发射线圈110电流上升或重新建立。此时弹丸由于惯性，正在脱离前级线圈110。前级发射线圈110上的电流将对弹丸产生阻力。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，参见图1和图2，取N为2，可得如图2所示为改进两级发射方案示意图。两级发射线圈绕制方法相同，不间隔一定距离，且均连接相同电路，通过放电开关元件控制电容放电，线圈电流通过开关元件续流。控制前级放电开关元件113导通，弹丸100开始运动，当弹丸运动至与前级线圈110中点重合时，触发后级开关元件123导通，后级发射线圈120电流快速上升。在互感作用下，前级发射线圈110电流下降至零，前级续流开关元件112关断。当后级发射线圈120电流下降时，前级发射线圈110电流无法重新建立。此时弹丸100由于惯性，正在脱离前级线圈110。前级发射线圈110上没有电流，无法对弹丸产生阻力。
对比例建立如图3传统两级发射方案仿真模型。具体参数描述如下：
弹丸：半径18mm，轴向长度60mm，质量0.485kg，材料为10号钢。
前级发射线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数160，材料为铜。
后级发射线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数160，材料为铜，与前级间隔13mm。
前级发射电容：容值3.3mF，初始电压350V。
后级发射电容：容值3.3mF，初始电压350V。
传统方案前级发射线圈电流、后级发射线圈电流、弹丸速度随时间变化曲线如图4所示。图中m1点为弹丸与前级线圈中点重合时的弹丸速度，此时速度变化率为零，即弹丸受到的作用力为零。此时，触发后级放电开关元件导通，后级发射线圈电流开始快速上升，在互感作用下，前级发射线圈电流下降，但是不能到零，随后后级发射线圈电流开始快速下降，在互感作用下，前级发射线圈电流上升，前级发射线圈仍会对弹丸产生阻力。
建立如图2改进两级发射方案仿真模型。具体参数描述如下：
弹丸：半径18mm，轴向长度60mm，质量0.485kg，材料为10号钢。
前级发射线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数160，材料为铜。
后级发射线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数160，材料为铜，与前级间隔0。
前级发射电容：容值3.3mF，初始电压350V。
后级发射电容：容值3.3mF，初始电压350V。
改进方案前级发射线圈电流、后级发射线圈电流、弹丸速度随时间变化曲线如图5所示。图中m1点为弹丸与前级发射线圈中点重合时的弹丸速度，此时速度变化率为零，即弹丸受到的作用力为零。此时，触发后级放电开关元件导通，后级线圈电流开始快速上升，在互感作用下，前级线圈电流下降到零，续流开关元件关断，随后后级线圈电流开始快速下降，前级线圈电流不会上升，前级线圈不会对弹丸产生阻力。
由图4图5对比可知，传统方案弹丸发射速度为15.2m/s，改进方案弹丸发射速度为16.5m/s，弹丸动能提升了17.8％。
表1的数据说明了传统方案仿真模型线圈间距选择13mm的原因。
表1.传统技术方案的仿真模型线圈间距与弹丸发射速度表
线圈间距(mm) 0 10 11 12 13 14 15 20
弹丸发射速度(m/s) 14.2 15.15 15.18 15.19 15.19 15.18 15.16 14.92
实施例三在传统多级磁阻电磁发射方案的基础上进行了改进，对弹丸脱离前级线圈时的阻力进行了抑制，提高了弹丸发射动能。且方案改动较小，容易实现，对于相关科学实验与实际应用有重要的使用价值。
综上所述，上述实施例磁阻电磁发射出口减速抑制装置采用线圈之间的互感，结合新型电路将前级发射线圈内的电流抽走降至零，使前级续流回路的开关元件关断，从而使前级发射线圈对弹丸脱离时施加的磁阻力逐渐降为零，达到抑制出口减速、提高弹丸发射动能目的。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明的设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所做出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (6)

1.一种磁阻电磁发射出口减速抑制装置，包括弹丸(100)以及N级加速模块，N为大于1的自然数；其特征在于：
所述第i个加速模块由前级发射线圈(110)连接一个前级控制电路(111)构成；前级控制电路(111)包括前级续流开关元件(112)、前级放电开关元件(113)和前级电容(114)；所述前级续流开关元件(112)、前级放电开关元件(113)的阴极与前级发射线圈(110)的标记端(1100)相连；所述前级电容(114)的正极与前级放电开关元件(113)的阳极相连，负极与前级发射线圈(110)的未标记端相连；所述前级续流开关元件(112)的阳极与前级发射线圈(110)的未标记端相连；
所述第i+1个加速模块由后级发射线圈(120)连接一个后级控制电路(121)包括后级续流开关元件(122)、后级放电开关元件(123)和后级电容(124)；所述后级续流开关元件(122)、后级放电开关元件(123)的阴极与后级发射线圈(120)的未标记端相连；所述后级电容(124)的正极与后级放电开关元件(123)的阳极相连，负极与后级发射线圈(120)的标记端(1200)相连；所述后级续流开关元件(122)的阳极与后级发射线圈(120)的标记端(1200)相连。
对于第i个加速模块以及第i+1个加速模块，所述出口减速抑制方法为：
控制前级放电开关元件(113)导通，使前级电容(114)对前级发射线圈(110)放电，在前级发射线圈(110)上产生冲击电流与磁场，利用磁阻拉力使弹丸(100)加速，当弹丸(100)运动至与前级发射线圈(110)中点重合时，控制后级放电开关元件(123)导通，使后级电容(124)对后级发射线圈(120)放电，在后级发射线圈(120)上产生冲击电流与磁场，且磁场方向应当与前级磁场方向一致，使前级发射线圈(110)上的电流，在后级发射线圈(120)电流上升段下降至零，使前级续流开关元件(112)关断，则此后前级发射线圈(110)对弹丸的磁阻力将保持为零。
2.根据权利要求1所述的磁阻电磁发射出口减速抑制装置，其特征在于，所述弹丸(100)为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径小于发射线圈，由铁磁材料制成。
3.根据权利要求1所述的磁阻电磁发射出口减速抑制装置，其特征在于，前级发射线圈(110)与后级发射线圈(120)空间上轴心同一直线，按照弹丸(100)发射方向依次排布，且发射线圈之间间距为零。
4.根据权利要求1所述的磁阻电磁发射出口减速抑制装置，其特征在于，前级发射线圈的标记端(1100)与后级发射线圈的标记端(1200)不是同名端。
5.根据权利要求1所述的磁阻电磁发射出口减速抑制装置，其特征在于，前级放电开关元件(113)、后级放电开关元件(123)采用晶闸管；前级续流开关元件(112)、后级续流开关元件(122)采用快速晶闸管。
6.根据权利要求1所述的磁阻电磁发射出口减速抑制装置，其特征在于，i为不大于N的所有自然数。
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