CN116294791A - 适用于各类枪炮的直流线圈炮 - Google Patents

Abstract

利用电流的磁效应，直流永磁直线电机、电磁铁原理，组合运用到电磁炮领域，发明了能把兆安级电流控制到百安级电流以下来达到并超越轨道炮性能的直流线圈炮。将炮管全长设计成不断交替变化磁极的若干级电磁铁，借鉴直流电机的电刷换向原理改用接近开关无接触方式解决，用磁感线首选磁阻最小最佳路径闭合、线圈下磁阻最小区域磁感线最密集的特性，来吸斥磁极方向不变的永磁体炮弹，充分利用磁体的吸斥力作用于炮弹上，炮弹不断加速最后达到预定速度发射，集轨道炮和线圈炮的优点于一身，避其缺陷，可广泛运用于手枪、步枪、轻重机枪、装甲车和坦克的火炮、地基或舰载重炮系统。炮弹不仅可单纯作为动能武器，还可安装引信填装炸药延时爆炸增加威力。

Description

适用于各类枪炮的直流线圈炮

1、技术领域 国防军事，枪械，中学物理，电流磁效应，电磁感应，电动机，电磁铁，力学，动能

2、背景技术 电磁炮又称脉冲能量电磁炮，是一种先进的动能武器，与传统的以火药为动力大炮相比，具有初速度大、射程远、弹丸稳定性好、隐蔽性好、弹丸发射能量可调、成本低等优势。线圈炮是电磁炮的最早形式，是将多个线圈组合起来，同轴排列，称为驱动线圈，弹丸也是个同轴线圈，从轴的一端开始运动，控制系统给驱动线圈依次通电，弹丸线圈通过这些驱动线圈时，在洛伦兹力作用下不断加速，线圈越多、电流越强，弹丸线圈的出炮口速就越大。理论上其优势明显，弹丸线圈就像磁悬浮列车，不与加速线圈触碰，无摩擦阻力，装置磨损小，无须兆安级的电流，能实现的洛伦兹力也较大，能量利用效率高，可发射更大质量炮弹。但是，目前皆认为其存在诸多缺陷，根据楞次定律，感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，和旋转式感应电动机原理一样，电动机的转速由供电频率和极对数决定，定子的旋转磁场决定转子的感应电流的磁场，转子感应电流的磁场永远在追赶定子的旋转磁场并永远追不上，存在一定的转差率才能得以旋转工作，所以感应电动机也称为异步电动机。电动机的功率只能决定它能带动负载能力的大小，额定转速不由功率来决定。直线电动机可理解为把旋转电动机展开的特殊形式，在这里线圈炮与直线电动机原理一样，但必须逐级增加每级加速线圈的供电频率，才能使弹丸前进速度不断增加，达到需要的出口速度，同步技术理论上说起来容易，实际要做到非常困难，且单独增加频率不同步改变电压，非常容易到达

，导致加速度很难做大。目前认为，较为成熟的技术是轨道炮，要求出口速度大的适用于军事用途的一般不考虑线圈炮。轨道炮的基本原理其实也很简单，就是我们中学物理所学到的，直导线通电后环绕导线形成环形磁感线，磁感线方向可用右手定则判断，两根通电电流方向相反的平行导线间的磁感线方向相同，在这样的磁场中如果有可滑动通电导体，那么，该通电导体就会受到洛伦兹力的作用，力的方向可用左手定则来判断，但是，磁感应强度、作用力都由电流产生，所以，轨道炮需要兆安级电流，不能发射更大质量的炮弹，要有滑动的通电导体来推动炮弹，则轨道的电离烧灼严重，各国都在研制实验阶段，即使目前已部分解决电能供应，新材料的研制也部分解决轨道的烧灼问题，但离实战需求还有一段不小的距离。我国已率先且仅此一家实现了舰载试验。从效率方面考虑，目前轨道炮能量利用率只能达到30%，理论上最高也只能达到50%,而线圈炮能量利用率理论上能达到100%。我国已报道用于消防灭火的电磁炮或许是这种能量利用效率高，可发射更大质量炮弹的，不追求超远距离的线圈炮。与火工枪炮原理不同，现认为电磁炮本身并不适合设计膛线，为了稳定飞行姿态，防止子弹出膛百米就开始玩布朗运动，需要加大子弹的长径比，让子弹变得细长。

直流电动机是将直流电能转换为机械能的装置，因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。以直流永磁旋转电动机来说，它具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的优越性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，永磁体磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。直线直流电动机和直线

相比，明显的优点是：运行效率高，没有功率因数低的问题；控制比较方便、灵活。

电磁铁是利用电流磁效应的一类应用技术，内部带有铁心的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁,当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。按激磁线圈供电的种类可分为直流电磁铁和交流电磁铁；按磁路的形状可分为开路导磁体和闭路导磁体；还有按动作速度、衔铁吸合方式等分类。归纳起来可分为拍合式、螺管式和E型电磁铁三大类。直流电磁铁激磁线圈中通过的是直流电，所建立的磁通是不随时间而变的恒定磁通，在铁心中没有涡流和磁滞损耗，铁心不发热，可将线圈直接绕制在铁心上，铁心兼起传导散热作用，铁心材料可用整块的钢或工业纯铁制造，加工方便，常做成圆柱形；而交流电磁铁激磁线圈中通过的是交流电，所建立的磁通是随时间而变的交变磁通，在铁心中有涡流和磁滞损耗，导致发热，铁心材料不可用整块的钢或工业纯铁制造，往往需要用薄的硅钢片叠合而成，为加工方便，常做成方形，线圈也制成方形；螺管式电磁铁由于其吸力大、行程长，在交流和直流电磁铁中都得到广泛的应用。

一定规格的线圈，其直流电阻是一定的，如果，忽略温度对阻值的影响，在耐压范围内，给它通直流电与通交流电，电流的大小是不同的。在直流电路中，限制电流通过的只有电阻，根据欧姆定律，直流电路中电流的大小等于电压除以电阻值，与线圈周围有没有导磁体以及磁路是完全经铁磁质闭合还是是否存在空气间隙无关，电流的大小与线圈的匝数的乘积即磁势只对铁心铁磁质磁饱和程度有影响，在未达到磁饱和状态下，能充分利用电流磁效应的磁能，但反过来铁心饱和不饱和不影响线圈通过的电流。而在交流电路中，限制电流通过的除电阻之外还有电磁感应所产生的感抗和静电感应产生的容抗。线圈本身的直流电阻反而是次要因素，容抗小到可忽略不计，阻碍交流电电流通过的最大障碍是感抗，感抗的大小与交流电的频率、有无铁磁质铁心、磁路的闭合方式、磁路气隙的长短、铁心磁饱和的程度又有很大的关系。再进一步的，直流电磁铁应用于下述的本发明的有关方面，我们要充分利用电流的磁效应，尽量减小其不可避免的热效应，炮管充当电磁铁磁路高速通道，并将磁感线屏蔽在炮管内部，充分利用磁力。在铁心磁矩达到饱和之前，允许线圈提供的最大磁势作为设计参数，磁势等于电流与匝数的乘积，在纯电阻电路中，I=U/R,焦耳热Q=I²Rt=U²t/R,减小线圈的直流电阻能减小供电电压，是充分利用电流的磁效应的同时能减小热效应副作用的较好方案，但有利就有弊，线圈体积就要增大，具体如何实施对于机电行业领域的专家来说，如何取舍不是问题。

直流电动机的调速方法之一，调节电枢绕组的供电电压即可同步线性改变电动机的转速。用在下述的发明里，在线圈耐压允许范围内，电压的高低决定炮弹的出膛初速，也就决定其射程。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关型传感器。当检测体到达接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适应能力，都是一般机械式行程开关所不能相比的。常见的有电感式、电容式、霍尔式，光电式开关也可归类为接近开关，各类接近开关对物体的材质、距离感知要求不同。

电磁炮已进入舰载打靶试验，由于其需要强大的电力供应，对舰载发电系统要求高，只能运用于大型舰船，如何减小电力需求？无论是现有技术相对成熟最有发展潜力的已进入舰载打靶试验的轨道炮，还是被研究最早的线圈炮，以及电热炮和重接炮，都需要电能来提供作用力，涉及到需要强大的电能来源限制了它的使用场合，电能的利用率问题等。关于这个方面，我们设计的该类电磁线圈炮，供电是直流电，电力来源不在本发明权利限制内，我们可站在巨人的肩膀上，可以充分利用马伟明院士带领的团队研发成功并远超美国的中压直流供电系统技术。

现代科技信息万变，就像马伟明院士所讲，不久的将来，中国的火炮或将由传统化学能火炮全面进入“电磁炮”时代。采用同样的原理可否制造电磁枪？能不能广泛运用于手枪、步枪、轻重机枪、装甲车和坦克的火炮、地基或舰载重炮系统？电流的磁效应利用的同时避不开电流的热效应的副作用，力的作用的时间受到炮管长度限制，弹丸的自重及出口速度如何取舍等问题，用中学所学物理和数学知识虽无法从定量上完全解释明白，拟就现有电磁炮设计存在的缺陷从定性方面加以改进。

3、发明内容 本发明是设计能适用于各种枪炮的直流线圈炮。是直接在炮管夹层中同轴安装多级直流驱动线圈，在第一级线圈前、最后一级线圈后、相邻每两级线圈间安装接近开关感应头，炮管内可设计膛线，高压直流电电源供电，由炮弹在炮管内飞行位置经过接近开关，由接近开关感知反馈自动控制各级线圈换向供断电，换向产生的反电动势又能被及时重复利用，来驱动发射炮弹，炮弹不仅仅只作为动能武器，还可填装炸药以及安装引信定距爆炸产生碎片加大威力。

回头看小学时玩的玩具电磁炮，用中学物理知识分析其原理，玩具电磁炮由干电池向线圈提供电能，由电流的磁效应产生磁场，磁化铁磁质炮弹，对炮弹产生吸力，力对炮弹作用，将炮弹发射出去。这里涉及的物理知识，螺线管通电会产生磁场，直流电产生的磁场与条形磁铁类似，磁场方向可用右手螺旋定则判断，磁场强弱与线圈的匝数以及电流的大小成正比，如果在线圈内插入铁磁质，会大幅增加磁场强度。这里直流螺线管匝数已是定值，由直流电提供电能，产生的磁场强弱只与电流强度成正比，亦即电压的高低决定电流的大小，螺线管中点处磁场最强，并且铁磁质炮弹被磁化后的磁极极性始终与螺线管的极性相反，到达中点时吸力最大，如果电源保持越过中点时同样反向吸力也是最大，所以它的设计，限于干电池供电电压低，要用升压模块提高电压，又要在炮弹到达线圈中点前及时断电，不再有反向吸力阻碍，靠炮弹的惯性将炮弹发射出去。用升压模块的高电压为电容充电，利用电容快速放电的特性做到铁磁质炮弹不越过中点就及时断电（实际上是电容已把储存的电能放完，无电可供），这里通的是直流电，线圈电阻是定值，无交流感抗等问题，电流的大小直接与电压正相关，用提高供电电压的方式来增加磁场强度，也就是对炮弹增加作用力、同时及时断电，靠炮弹的惯性运动将炮弹发射出去。通电螺线管的另一个重要特性没能利用，就是在螺线管中插入铁磁质会大大增加磁感应强度。通常应用的电磁铁，就是将线圈套在一定形状的导磁体上所构成的，在这样的线圈中，只要通进很小的激磁电流，就可以产生很强的磁场，产生强大的吸力。如果插入空心管状铁磁质铁心会是怎样的情况？更进一步的，空心管状铁磁质铁心将螺线管罩在管内，将磁感线屏蔽密集聚拢在管内局部,磁力利用率是否会更高？

交流线圈的电磁炮虽然是最早被设想用于电磁炮的，之所以说不适用于电磁炮，是因为它的同步技术比直流线圈的要复杂得多，我们用一级驱动线圈来分析下，假设该线圈达到一定的长度，由交流电供电，由于交流电的特性，线圈内产生的磁场方向也在随交流电的频率不断交变着，弹丸线圈在变化的磁场中生成感应电动势，线圈是闭合的，就有感应电流，根据楞次定律，感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，和异步电动机原理一样，弹丸线圈的磁场总是在不停的去追赶驱动线圈的磁场的变化并永远追不上才能运动，弹丸直线前进方式是脉动的，和通电直流线圈的中点处磁场最强不同，弹丸线圈在驱动线圈中从线圈入口到出口几乎是匀速运动，到出口时还是受楞次定律“来拒去留”特性有一个明显的减速过程。增加功率只能增加磁场强度，能够驱动更大质量的弹丸，但不能提速，如果再增加线圈级数，只有按驱动线圈顺序逐级提高交流电的频率才能增加弹丸运动速度。如果是多级线圈逐级启动，每次启动电流都大于正常运行电流的数倍，效率难以提升。

通过对玩具电磁炮的分析，针对现有设计存在的问题，结合理论用实践来判断能否在炮管夹层中同轴安装多级直流驱动线圈，铁磁质炮管兼当铁心将磁感线屏蔽密集聚拢在管内来增加磁感应强度的方法，不是驱动普通铁磁质，而是驱动永磁体炮弹，不单纯用其吸力，而是吸斥力共同作用，充分重复利用炮管的有限长度。为此做了简单的定性实验，进一步用所学理论验证其可行性。前两个实验是他人已做过的实验，不再重复操作，仅简单介绍与本发明相关的原理，其中第一个实验就是我们课本上描述过的。

实验一，将磁铁在铜管中做自由落体运动，结果，磁铁下降速度小于磁铁在铜管外自由落体运动时的速度。中学物理我们学过楞次定律，铜管可被看做径向上若干个闭合线圈，磁铁穿过铜管时，相当于给每个线圈一个变化的磁场，闭合线圈受变化的磁场影响会产生感应电流，感应电流的伴生磁场反过来作用于磁铁，阻碍其磁场的变化，表现为和磁铁本身的磁场相斥，导致磁铁下降速度减小。

实验二，空心螺线管，不限于通直流或交流电，为解释简便，这里仅以通直流电的螺线管来解释。通电的瞬间能将置放于管口的不限于球状、条状、长或短柱状铁磁质吸入螺线管内，铁磁质运动速度与本身质量、形状、螺线管的直径、匝数、通电电压（直流电螺线管有电阻、无阻抗，电压直接决定电流）相关，通电保持，铁磁质在螺线管中越过中线后会被迅速拉回停留在螺线管中央。理论依据，通电螺线管，由于电流的磁效应，螺线管中磁感线相对最密集，整个螺线管就像一块条形磁铁，中央磁场强度最大，放于管口磁场影响范围内的铁磁质能被磁化，变成极性相反的磁铁，受到螺线管的吸力作用，根据牛顿第二定律，铁磁质会加速进入螺线管内，越近螺线管中央受力越强，故铁磁质是做的变加速直线运动，如果在铁磁质进入螺线管中点前突然切断电源，则根据牛顿第一定律，铁磁质会保持惯性飞出螺线管，如果电源保持不断，则铁磁质在螺线管中由于惯性的缘故可能会越过中线一点点，但由于铁磁质是被通电螺线管磁化形成的磁性，磁感线方向与螺线管磁感线方向一致，螺线管中央磁场强度最大，根本就出不了螺线管而只能立即停留在磁场强度最强的螺线管中央。

根据所学课本知识，通直流电螺线管，螺线管形如一块条形磁铁，磁极方向可用右手螺旋定则判断，磁场强弱与螺线管的匝数及通电电流大小成正比。更进一步的，相同的电流和匝数，螺线管直径越小管内磁感线越密集，亦即磁感应强度越大；在螺线管内放置铁磁质，会大幅增加磁感应强度。

结合理论知识及前述他人所做实验，按自己的发明设想思路，做如下与本发明相关的定性实验：

实验三，取一次性注射器外管筒，外径13.60mm，壁厚0.80mm，用线径0.48mm漆包线手工绕制螺线管，五层共约250匝，螺线管总长约25mm，钕铁硼强磁铁，圆柱体，直径及长度都是12mm，磁场方向为轴向，18650电池，电压3.7V，将钕铁硼磁铁放置在针筒附近，不限于平齐螺线管管口，螺线管通电，按通电螺线管形成的磁极和永磁体磁极的极性，表现为同极相斥、异极相吸。为异极性时永磁体被吸入螺线管内总是停留在螺线管中点，这时断电，电源反接，永磁体被斥出，斥出的方向不定，与螺线管微微倾斜角度有关。

实验四，截取两根普通铁管，分别是外径15.86mm、壁厚0.80mm和外径19.38mm、壁厚1.10mm的，正好能分别用5ml、10ml一次性注射器针管作为可移动内衬，其尺寸是外径13.60mm、壁厚0.80mm和外径16.44mm、壁厚0.98mm，两个钕铁硼强磁铁，都是圆柱体，直径及长度一个都是12mm、另一个都是15mm，磁场方向为轴向，也恰好能分别在5ml、10ml一次性注射器针管内移动（15mm 的永磁体能装入10ml一次性注射器针管，但移动阻力大，实验中是带着针筒在铁管内移动）。将磁铁分别装入针筒内插入铁管，用针管做内衬的目的是防止磁铁吸住铁管管口阻挡其前进，无论是水平放置，或垂直放置，垂直放置时磁铁在上方自由落体或在铁管下方，当磁铁与铁管口距离小于30mm时，磁铁会被快速吸入铁管，进入深度与起始磁铁与铁管管口距离有关，因考虑铁管管壁材质密度不一定均衡，摩擦阻力因素，最主要的是磁铁与铁管同心度问题，导致磁铁两端对管壁磁化强度不一致吸力不均衡，所以磁铁所能进入的深度不做定量依据，这里只能算定性实验。实验的目的也不为推翻实验一，理论上与实验一并不相悖，力学理论告诉我们，力是改变物体运动状态的因素，这里可用牛顿定律来解释，牛顿第一定律告知我们惯性定律，牛顿第二定律告诉我们，对于一定质量的物体，作用力越大，在力的方向上产生位移的加速度就越大。铁管受到磁铁磁场影响被磁化，铁管被固定，表现为磁铁受力加速运动被吸入铁管内，当磁铁完全进入管内后，磁铁两端的管壁被磁化强度一致，磁铁两极均受力，大小相等方向相反，如果不计重力及摩擦力，磁铁会按牛顿第一定律保持匀速运动，还是有楞次定律的作用及本实验材料同心度问题，磁铁进入一定深度会停下来。实验同时显示，在磁场能吸引磁铁运动的范围内，磁铁与管口距离越远吸入深度越长，距离越近吸入深度越短，因为吸力与距离成一定几何级数反比（不是算术级关系），尽管磁铁与管口距离相同时的吸力是一样的，加速度一致，但因释放距离不同，入口处初速度不一样。

实验五，同样用线径0.48mm漆包线在两个直径不同的铁管上手工绕制螺线管，五层共约250匝，螺线管总长约25mm，匝数一致，螺线管长度一致，因线管直径不同，用线总长不同，直流电阻稍有差别。分别将匹配针筒插入铁管，磁铁放置于针筒内，磁铁与铁管管壁口距离大于30mm放置，根据磁铁磁极极性，当线圈通电电流方向使螺线管相对磁铁面产生的磁极极性相同时，磁铁被排斥射出，调换电源极性，磁铁被快速吸入并停留在线圈中点，这时，再次调换电源极性，实验设计预想会和无铁磁质铁心的空心螺线管一样排出磁铁，结果与设计不同，磁铁不动，分析原因，3.7V电源供电所提供的磁势不足以逆转已被磁铁磁化的铁心的磁场方向，且铁心材质不属于软磁材料也有一定的关系。

实验六，购买两款电感式接近开关，LJ12A3-4-Z/BX（非屏蔽式）LJ12A3-2-Z/BX（屏蔽式）各一，直流常开PNP型，供电电压6-36V，前款检测距离4mm，后者2mm，用12V稳压电源直流供电，两款感应头前方及周围均无金属物干扰时，正对感应头有金属物接近时分别是4mm和2mm有触发开关动作，当金属物从侧方切入或移除时，要至ABS材质感应头边缘向中点1mm处才能触发开关动作，实际上是平齐到内部线圈边缘部位。用钕铁硼强磁铁作为触发物，正对感应头接近或移除时，或从侧方切入或移除时，触发距离增加到额定距离的三到五倍，与永磁体磁场强度有关。用外径15.86mm、壁厚0.80mm普通铁管罩住LJ12A3-4-Z/BX（非屏蔽式）接近开关，接近开关在铁管内全段受管壁金属影响都处于触发闭合工作状态，只有当感应头完全露出管口外才能发挥正常功能。用外径15.86mm、壁厚0.80mm普通铁管罩住LJ12A3-2-Z/BX（屏蔽式）接近开关，接近开关在铁管内全段都处于正常常开状态，管壁金属不对感应头起触发影响，感应头平管口或陷入2mm（检测距离）或伸出安装，符合安装要求可正常工作。更进一步的，感应头平管口或陷入2mm安装，用钕铁硼强磁铁从侧方接近铁管，磁铁磁极的平面与管口平面垂直相交并已露出管口平面，即使已吸住铁管，都不能触发接近开关工作。分析，目前理论认为，无任何隔磁材料可完全阻断磁感线，所谓隔磁还不如说磁引导更合适，用磁导率更高的材料引导磁感线密集快速通过以减少漏磁到需要屏蔽的部位是实现磁屏蔽的较好方式。这里，铁管属于铁磁质，磁导率是空气的数千倍，磁感线经过管壁快速通过，在接近开关感应头感应检测范围内漏磁极少，不足以触发开关动作，用钕铁硼强磁铁从接近开关感应头正前方方接近铁管，大于标定的检测距离可触发开关动作，本实验是通过理论并再实践进一步验证，为本发明奠定坚实的基础。

实验七，取一次性注射器外管筒，留针管乳头侧阻挡钕铁硼强磁铁，外径13.60mm，壁厚0.80mm，用线径0.48mm漆包线手工绕制螺线管，为了能置入前述的铁管内，只绕了三层共约150匝，螺线管总长约25mm，截取外径19.38mm、壁厚1.10mm的普通铁管罩住螺线管，钕铁硼强磁铁，圆柱体，直径及长度都是12mm，磁场方向为轴向，18650电池，电压3.7V，将钕铁硼磁铁放置在针筒内，一同插入铁管，由于本身磁性的关系，磁铁被吸停留在针管乳头侧，螺线管通电，按通电螺线管形成的磁极和永磁体磁极的极性，为异极性时永磁体被吸入螺线管内停留在螺线管中点，这时断电，电源反接，永磁体被排斥又快速射至针管乳头侧或相反侧。

根据以上实验，设想的电磁炮是这样的，炮管分两层，以电感式接近开关做为控制电路触发器为例，内层膛管用非金属材料制作，可设计膛线，兼作电磁线圈的龙骨架，壁厚以小于接近开关的检测距离来设计，在内层膛管外直接安装多级直流供电的螺线管线圈，线圈的两端套装与外炮管同质的铁磁质垫片，紧贴第一级线圈垫片前、最后一级线圈垫片后、每相邻两级线圈垫片间安装屏蔽式电感型接近开关，外罩铁磁质外炮管。炮弹内安装永磁体，螺线管通电会产生磁场，外炮管和垫片充当通电螺线管高速磁路的磁介质，将磁感线屏蔽在炮管内闭合，炮弹内永磁体充当通电螺线管管内高速磁路的磁介质闭合磁感线或可按重接炮解释为磁感线重接，炮弹内磁场方向恒定，通电螺线管由于通电方向的变化，会规律的形成两个磁场，与永磁体异极相吸同极相斥，来不断加速炮弹获得一个高的出炮口速度。电源是高压直流电，同步系统用前述的屏蔽型接近开关感知炮弹位置自动同步来解决，后续将结合附图详细说明。

本发明是通过永磁体炮弹的运动位置，触发入口接近开关工作，经中间继电器耦合开关，将第一级驱动线圈两接头按序同时接通高压直流电的正极和负极，炮管内电磁铁磁感线方向与炮弹内永磁体的磁感线方向一致，吸引炮弹加速运动，当炮弹完全进入线圈，这时炮弹尾端已离开接近开关的感应头，驱动线圈两接头与高压直流电的正极和负极断开，断开的瞬间线圈内会产生反电动势，永磁体达到线圈中点，尚未触发级间接近开关工作，随惯性继续前进，弹头触发第一、二级线圈间的第二个接近开关工作，经中间继电器耦合开关，将第一级驱动线圈两接头反过来接通高压直流电的负极和正极，同时，将第二级驱动线圈的两接头按序接通高压直流电的正极和负极，第一级线圈电流换向，反电动势被同时利用，螺线管内磁极反转，变成强大的斥力继续推动炮弹前进，第二级线圈对炮弹是还是吸力，斥、吸力的方向和炮弹运动方向一致，共同作用于炮弹，推动炮弹进入第二级驱动线圈，重复前述动作，这样炮弹在炮管内被吸、斥、吸、斥力作用下不断加速，至末级驱动线圈出口时触发出口接近开关工作，中间继电器只是对最后一级线圈电流换向，电磁铁磁感线方向与炮弹内永磁体的磁感线方向相反，对炮弹是斥力运动，无炮管单纯铁磁质对炮弹内永磁体反向吸力牵制。因为每一级线圈出口速度决定下一级线圈入口初速，炮弹质量一定，作用力的大小直接决定炮弹的加速度大小，所以炮弹在炮管内是不断持续加速，达到高的炮弹出膛速度。

4、附图说明 图1是以三级驱动线圈为例来说明的本发明直流电磁炮示意图，根据炮管长度设计实际线圈级数。炮管分两层，以电感式接近开关做为控制电路触发器为例，内层膛管用非金属材料制作，可设计膛线，兼作电磁线圈的龙骨架，壁厚以接近开关的检测距离来设计，在内层膛管外直接安装多级直流供电的螺线管线圈，线圈的两端套装铁磁质垫片，紧贴第一级线圈垫片左侧、最后一级线圈垫片右侧、每相邻两级线圈垫片间安装屏蔽式电感型接近开关，以小圆圈在图中表示，在首级驱动线圈左侧和末级驱动线圈的右侧的接近开关感应头，下面以入口感应头和出口感应头相称，每相邻两级线圈间的接近开关感应头以级间感应头相称。炮弹运行过程中只能触发一个感应头工作，接近开关以低压直流常开型电感式屏蔽型为首选，对金属物体有感知，通过中间继电器控制线圈与高压直流电的通断及换向，中间继电器图中未画出，选型及功效以文字说明来解释。

图2是炮弹轴向投影平面图示意图，炮弹头部园锥形，尾端缩小直径园钝为减小空气阻力，头尾形状弹道专家可按实际理论具体设计弧度。可设计引信点火触发装置。中段为标准圆柱体，圆柱体直径就是炮弹直径，与炮管内径匹配，保证运行中轴向旋转稳定，在投影平面图中为长方形，长方形的长边为触发接近开关感应头有效长度，略短于两个垫片厚度加驱动线圈长度的长度，头尾圆锥部分超出感应头检测距离的部分不计入炮弹长度，永磁体占据圆柱体中，永磁体两端包括外壳为非铁磁质金属体，根据不同炮型可设计为中空内部可填装炸药及引信。中空者，永磁体也为圆柱体管状，磁极在长轴两端，N极指向炮弹头侧。外壳整体为非铁磁质金属体。

图3是炮弹轴向投影平面图标磁感线的示意图，因为内部有永磁体，N极指向炮弹头侧，所以其磁感线方向在炮弹内固定指向右侧。

图4示炮弹在上膛、闭锁后的左侧起始位置。

图5到图11是炮弹在不同位置时受力运动原理示意图，一并说明。炮弹内永磁体磁感线始终指向右侧，故没再表示。解锁击发后，炮弹具备一定的初速度进入炮管，图5示触发第一级线圈的入口感应头工作，通过中间继电器控制首级线圈的两接头按序同时导通高压直流电的正负极，由于电流的磁效应，炮管就象一块中空电磁铁，首级线圈磁感线如箭头方向标注，磁感线在磁阻最小的铁磁质炮管内最密集走行，经该线圈前后同质垫片环形走行，经线圈包绕下的膛管内空气介质闭合，膛管内磁感线方向与炮弹永磁体磁感线方向一致，将炮弹加速吸入第一级线圈中央。到图6位置，炮弹永磁体到达第一级线圈中点，其入口及级间感应头均检测不到金属物接近，与实验六所述吻合，炮弹中的永磁体自己的磁感线闭合路径同样喜好最小磁阻最短线路，在永磁体两端立即经垫片、外炮管铁磁质形成闭合回路，漏磁通不延伸至顺磁质的炮弹外壳的圆柱体部分的两端，磁场不增加接近开关的检测距离，线圈断电，炮弹随惯性继续前进。到图7位置，触发级间感应头，所有的级间感应头控制的中间继电器均为两组开关触头，继电器工作控制前级线圈的两接头同时换向导通高压直流电的负极及正极，同时控制后级线圈的两接头分别同时按序导通高压直流电的正极及负极，前级线圈电流换向，磁感线反转，膛管内磁感线方向在前级线圈处向左，在后级线圈处向右，相邻两个螺线管工作都对炮弹有磁力作用，前为斥力、后为吸力，都逼迫炮弹前进。线圈断电瞬间形成的反电动势，再供电时为换向供电，反电动势又得以充分利用。到图8位置，炮弹永磁体到达第二级线圈中点，与到图6位置解释一致，到图9位置，与到图7位置解释相同，到图10位置，炮弹永磁体到达第三级线圈中点，与到图6位置解释一致，如果有多级线圈，重复前述原理。到图11位置，炮弹触发出口感应头工作，对应的中间继电器和入口感应头对应的中间继电器一样，只有一对开关触头，但对线圈的供电换向，通过中间继电器控制末级线圈的两接头分别同时导通高压直流电的负极和正极，膛管内磁感线方向与炮弹永磁体磁感线方向相反，对炮弹产生的是斥力，如此，炮弹离开铁磁质炮管出口时没有外炮管铁磁质对永磁体的反向吸力牵制，炮弹在每一级线圈入口初速都是逐级增加，炮弹不断加速前进，同步系统实际是由炮弹的移动触发接近开关工作简单控制执行。

5、具体实施方式 本发明主旨是利用电流的磁效应，借鉴直流永磁电动机、直流直线电动机、电磁铁原理，组合运用到电磁炮领域，将直流电动机的电刷换向问题用接近开关无接触方式解决，用磁感线总是首先选择磁阻最小，其次最短路径闭合，磁阻最小区域线圈中点磁感线最密集的特点，充分利用磁体的吸斥力作用于装有永磁体的炮弹上，集轨道炮和线圈炮的优点于一身，避其缺陷。把电磁铁理论，螺线管中插入铁磁质铁心用很小的激磁电流就会大大增加磁感应强度，灵活应用到直流线圈电磁炮设计当中，把轨道炮需要的兆安级电流控制到直流线圈炮的百安级电流。还可像电动机功率大小可以不同一样，按不同的需求来设计，能广泛运用于手枪、步枪、轻重机枪、装甲车和坦克的火炮、地基或舰载重炮系统，还可用调节供电电压的高低的方法来控制功率，真正做到无声、无光、隐蔽性强。

我们知道，无论是轨道式还是线圈式电磁炮，都是将电能转化为动能来发射炮弹，轨道炮需要兆安级电流，线圈炮同步系统过于复杂，洛仑兹力告诉我们，要想提高炮弹出膛初速，要么增长电磁轨道（增加炮管长度），要么加大电磁力。本发明是将炮管全长设计成不断变化磁极的若干级同轴电磁铁，来吸斥磁极方向不变的永磁体炮弹，炮弹不断加速最后达到预定速度发射。作用力来自两方面，一是炮弹里的永磁体，一是炮管电磁铁，炮管兼电磁铁铁心来加大电磁力，减小所需提供的电能。炮弹根据炮管规格制定，永磁体选择目前磁场强度最大的钕铁硼磁铁，其规格决定了它所能提供的磁能，基本已是一个定值。如何提高炮管电磁铁性能从如下几个方面考虑。

电路中在电动势的驱动下，确实存在电荷在电路中流动，并因此引起电阻的发热。而磁路中磁通是伴随着电流存在的，对于恒定电流，在磁导体中，并没有物质或能量在流动，因此不会在磁导体中产生损耗，即使在交变磁场中，磁导体的损耗也不是磁通流通产生的，磁路中磁导率是与磁通密度有关的非线性参数。作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通量Φ与磁阻Rm的乘积，磁阻是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用Rm表示，通电线圈产生的磁动势等于线圈的匝数N与线圈中所通过的电流I的乘积，直流电磁铁，线圈中通过的是直流电，阻碍直流电流通过的就是导线电阻，导线电阻由线材电阻率、截面积、长度决定，温度变化对电阻有一定的影响，磁动势也就与供电电压线性相关。磁动势是磁场强度在磁路上的积分，磁路中磁阻的大小与磁路的长度L成正比，与磁路的横截面积S成反比，并与组成磁路的材料性质有关，用式Rm=L/(μS)来表示，μ为磁导率，磁导率是表征磁介质磁性的物理量，表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力或是其在磁场中导通磁力线的能力，它不是一个恒定值，还与磁介质中磁矩的饱和程度有关，越是饱和磁导率越小，并且，达到一定的温度（居里点温度）该铁磁质性质改变变成顺磁质。

所以，炮管选用磁导率高，居里温度点高的工业纯铁或相类似材料制造，适当增加壁厚以减小磁阻与线圈匹配增加磁感应强度，前述的垫片实际在磁路中起导磁作用，故应与外炮管厚度一样，兼起支撑内炮管作用。内炮管内可制作膛线，根据炮管长度、炮弹触发接近开关有效感应距离，可决定若干级线圈，每级线圈的长度相同，选择的线径、匝数由功率来确定，这一点相对电动机设计、电磁铁设计相关领域技术人员来说属于通用技术。根据每一级线圈的长度来确定间隔垫片安装入口、级间和出口接近开关感应头，气密封闭，一字直线排列或螺旋排列根据布线由相关领域专家确定，由于工业纯铁的磁导率高，两垫片间实际存在磁屏蔽，不干扰接近开关工作。

炮弹的直径与炮管内膛直径匹配，长度按能保证炮弹在膛内轴向旋转稳定和线圈长度匹配来设计，按附图描述的永磁体在炮弹中部，永磁体的长径比达到吸斥力能最大发挥比较合适，小型炮弹内永磁体用实心圆柱体，大型炮弹内永磁体用空心圆柱体，可填装高能炸药和引信，相关行业的专家凭经验粗估再通过实验数据可决定永磁体的规格，这属于能量利用率问题。

炮弹的上膛-闭锁-击发仍然运用现有的枪炮原理改制，关于电源，舰载、地基重炮、装甲车坦克车载根据电磁炮功率用途可用直流发电机提供所需电压的直流电源及接近开关用的低压直流电源，阵地大炮、轻重机枪等可用阵地电源整流或移动发电机供电，手枪、步枪由于射程及子弹质量均小，所需功率较小，可用移动电源加直流升压模块供电，现有技术不难解决。

在电流的磁效应被利用的同时，不可避免的电流的热效应需要同时处理，根据焦耳定律，发热与电流的平方、电阻及时间成正比，在这里，线圈通过的是直流电，发热公式可转换为电压、电阻的关系，保证磁效应首先被利用的前提下，降低线圈直流电阻可降低供电电压。每发炮弹只对每级线圈电流换向各一次，炮管磁滞及涡流发热很小，炮弹在炮管内象磁悬浮列车一样，摩擦发热也很小，发热主要在线圈，线圈可直接接触炮管，炮管可协助线圈散热，还可在炮管外外加顺磁质导磁性能差、散热性能好的轻质金属散热片，根据功率选择自然通风、强迫风冷、制冷剂循环制冷处理，属一般通用技术。

接近开关是现有成熟产品，按这里要求精度制定数据制造改良不是难题，根据开关频率首选但不局限于屏蔽型电感式接近开关，可按该原理选用电容式、霍尔式、光电式等，安装电容式、霍尔式、光电式接近开关，内炮管材质需要相应改变，按对应的检测距离来匹配炮弹的设计，相关领域专家很容易理解并按本原理改进。

中间继电器也属现有成熟产品，入口和出口接近开关对应的中间继电器开关触头一样，与驱动线圈的接头接线相反，级间接近开关对应的中间继电器要增加一对触头，分别与相邻两级螺线管相接，按接近开关驱动信号实施相邻驱动线圈正反向供电，可按通用技术设计生产。

以步枪为例来说明具体实施方式，现有火工枪是靠弹壳内火药爆炸的化学能产生的力推进弹头，根据牛顿第二定律公式，F=M*A，具体规格型号步枪的子弹头质量M是定值，化学能产生的力F也是定值，初速度为零，那么子弹出膛末速度即出口速度就是由在枪管中的作用时间和加速度的乘积决定的。再从速度和加速度公式分析，子弹在枪管中走的距离一定，用时越短速度越大。

本设计的线圈炮步枪是这样的，圆柱体永磁体用铝合金薄板包裹为一体，永磁体居中，两头拉长细尖制成子弹。用铝合金是缘于材质较轻（同样作用力下质量小的物体加速度大）、属顺磁质金属材质、可触发接近开关感应头，同理，不局限于此也可用不锈钢、铜制外壳等。内枪管可用电工胶木、耐温玻璃管等材料，外枪管用工业纯铁制作，按子弹长度可配备数级线圈，鉴于枪管直径限制，接近开关实际也可把感应头中LC震荡线圈用金属屏蔽罩保护好安装在枪管中，用排线板引出接线，只允许枪管内子弹运动被感应头正面检测到触发工作，放大线路芯片可安装到电源系统部分。因为子弹在枪管内象磁悬浮运动，摩擦产热很小，线圈可直接绕制在内膛管管外，外枪管协助线圈散热。电源可用锂电加升压模块供电，还可用备用电源双肩背包背在身后用电线连接，现有技术完全可以解决。该设计的步枪无声无火光，子弹出膛初速快，射程更远。

同理，手枪、轻重机枪、大炮、坦克装甲车大炮、地基及舰载远射程电磁炮都可按此理念制造，只不过线圈功率不同，需要的直流电能来源不一样，线圈提供的磁通量不可导致炮管磁饱和，线圈散热问题如前述，可在线圈外加顺磁质导磁性能差、散热性能好的轻质金属散热片，根据功率选择自然通风、强迫风冷、制冷剂循环制冷处理，属于一般通用技术，相关技术专家完全可以理解并根据实际情况调整。

几十年来，各国研制电磁炮，主要还是因为它能突破火工炮炮弹出口速度极限，达到更远的射程。在说明本发明用于能达到并超过现有轨道炮射程的舰炮线圈炮的具体实施方法之前，再来简单分析一下轨道炮原理。轨道炮原理非常简单，就是我们初中物理所学，通电导体在磁场中受力运动，F=BIL，我们课本上经典原理示意图，磁感应强度B是蹄型永磁铁提供，电流I由蓄电池电能供给，导体长度L是在匀强磁场中的垂直与磁感线方向的有效长度，受力方向由左手定则判断。轨道炮要产生推进炮弹的力F，导体长度L受炮管直径限制，无法增加，只有在磁感应强度B和电流I上做文章，磁场是两根轨道靠滑块导体通电由电流磁效应自己生成，导磁介质是空气。根据电流磁效应，通电导体周围存在磁场，单根通电导体绕导体周围有环形磁场，用右手定则可判断磁感线方向，两根平行导体通电电流相反时，由两根导体各自形成的磁感线在两者之间方向是一致的。如果把导体绕成螺线管会增加磁场强度，加铁磁质会明显增强磁场强度，磁感应强度B正比于磁势，当然还与导磁体的磁导率及磁路的截面积和长度有关。磁势的单位是“安培匝数”，在这里，由于受力的导体L要在通电导轨上滑动，只能是单匝线圈即两根通电电流相反的平行导体通过滑块L导通，导磁体是空气，相对磁导率是1，电能提供的磁势能被利用的磁感应强度极低，只有加大电流I才能达到目的，需要达到兆安级电流。本发明是要把兆安级电流控制到百安级电流以下来达到并超越轨道炮的性能，由于供电需求功率减小，配备的舰载发电站规模就小得多了，一般小型军舰上均可配备电磁炮，同样道理，也就不存在轨道烧灼问题，延长了炮管使用寿命。如何能达到？我们再来看一下直流直线电动机基本原理，用永磁体提供磁路，导轨为铁磁质材料制作，为磁路中一部分，导轨中是匀强磁场，线圈为N匝，可在导轨上来回滑动，通电电流方向决定其运动方向，其所受安培力仍然是采用公式F=BIL， B为磁感应强度，I为导体中的电流强度，L为处于磁场中的导体长度，因为导体为多匝线圈时，对于线圈整体：I'=nI， n为线圈匝数，则：F=BI'L=B（nI）L，或者这样理解，F=BIL，电流I不用乘以线圈匝数n，处于磁场中的导体长度L等于一圈线圈的周长乘以线圈匝数n，只要线圈受到的电磁力大于线圈支架上存在的静摩擦阻力，就可使线圈产生直线运动，电流换向可产生往复运动。本发明是用线圈绕在内炮管上，外炮管充当电磁铁铁心，工业纯铁的相对磁导率在7000到10000，用工业纯铁的铁磁质性质来提高磁感应强度B，线圈是绕制在内炮管外，导体长度L与轨道炮比较，轨道炮的导体长度只能小于炮管的内径，而线圈炮导体长度为内炮管外径乘以2πn，要得到与轨道炮相同大小的力，线圈中的激磁电流降至百安级级别以下就可达到所需磁感应强度。线圈不动，由带有磁极方向不变的炮弹来运动，线圈通电换向由接近开关来控制，唯一的易损件是中间继电器触头，相较更换炮管，换中间继电器的成本及工时几乎可忽略不计。即使是百安级级别电流，由于电流热效应，焦耳定律Q=I²Rt，尽管t和R都很小，自然散热炮管发热不可能达到居里温度，不影响炮管导磁性能，但接近开关受温度影响会导致功能不能正常发挥，可在炮管外壁长轴方向铣槽嵌装紫铜管，或加铝串片散热片用制冷剂强迫散热，这是通用技术，铜和铝都是顺磁质，也都是热的良导体，利于散热但不影响这里的磁路，具体行业专家可按实际情况改良。

通过以上原理和方法发明的线圈炮，达到并超越现行研制的轨道炮的性能和用途，由于所需电能大幅降低，对载体发电站要求下降，可适用配备于所有军舰上，同样适用地基、车载，替代绝大多数火工枪炮。由于是直流供电，在移动载体上，直流电源可借鉴马伟明院士带领的团队研发成功并已实施的中压直流供电技术减小交流损耗。

再详细描述下舰载电磁炮的具体实施方案，以电感式接近开关做为控制电路触发器为例，内层膛管用非金属材料制作，可设计膛线，兼作电磁线圈的龙骨架，壁厚以接近开关的检测距离来设计，根据相关材料性能，可选用陶瓷、电工胶木、有一定耐温耐磨性能的聚乙烯复合材料、钢化玻璃管等，在这里不做权利要求限制。按线圈厚度预制有孔垫片，垫片厚度、材质与外炮管一致，孔径为内炮管外径，大径为外炮管内径，外圆制作多个齿状凹陷，可嵌压排线，按螺线管线圈数量先行安装垫片及接近开关并固定，再绕螺线管线圈，标记进线端与出线端按序标记，与接近开关按序接中间继电器，外炮管可在轴向上剖为两半，扣合安装与各垫片点焊或铆接，其外还可套箍若干铝串片散热片既能加固固定外炮管，还可增加散热面积。

同理，按此理念设计的电磁炮，不仅仅只局限用于战争，因为发射装置不需要火工品，炮弹内可充填灭火剂，用于远距离灭火，乃至与在航天发射、电磁弹射等领域都能应用。

Claims (7)

1.一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征在于：炮管内可设计膛线，在双层炮管间同轴安装多级直流驱动线圈，在驱动线圈级前、级间和级后安装接近开关感应头，数量等于线圈级数加一，由炮弹在炮管内飞行位置经过接近开关，由接近开关感知反馈自动控制各级线圈换向供断电，炮管被设计为同轴不断变换磁极极性的直流电磁铁，吸斥磁极方向不变的安装有永磁体的炮弹，供电来自高压直流电电源，还可调节供电电压的高低来调整输入功率，由于直流线圈在磁导率非常高的工业纯铁炮管内，磁感线被屏蔽密集聚拢在线圈内内炮管中，线圈中的激磁电流降至百安级级别以下就可达到所需磁感应强度，达到并超过现有轨道炮的性能，同时还避免了轨道烧灼的副作用，由于对载体的电能需求降低，可配置到地基和各种级别的舰船，以及坦克、装甲车上，根据功率大小不同设计，能运用到手枪、步枪、机枪、各类阵地大炮，炮弹不仅能作为动能武器，还可填装炸药加大威力，真正达到无声无火光，炮弹出膛初速快，射程更远。

2.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：炮弹的规格根据匹配枪炮，用顺磁质金属包裹永磁体，两端可实心也可空心，空心的还可填装炸药和引信，延时爆炸产生碎片增加杀伤力。

3.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：炮管分两层，内炮管内可制作膛线，材质根据接近开关选型决定，外炮管优选但不局限于工业纯铁，利用其磁导率高的特性，充当直流电磁铁的铁心，将磁感线屏蔽密集聚拢在线圈内内炮管中，同等磁势下能产生更强的磁感应强度，亦即吸力或斥力更强，通过线圈电流的换向变换磁极极性，来作用于磁极极性不变的永磁体炮弹，不断吸斥炮弹加速前进。

4.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：两炮管间导磁垫片优选与外炮管同质但不局限于工业纯铁，利用其磁导率高的特性，自形成天然的磁屏蔽空间，不影响接近开关性能的正常发挥，利用其居里温度高的特性，炮管充当直流电磁铁铁心，可协助线圈部分散热，管壁厚度作为磁饱和的重要参数设计线圈功率，来设计不同作用类型的电磁炮。

5.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：首选但不局限于开关频率高的直流屏蔽型电感式接近开关，也可用电容式、霍尔式、光电式等，是根据功能需要由其开关频率来定，根据开关类型，按设计理念调整内炮管材质、炮弹形状和驱动线圈长度设计。

6.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：线圈的通断电及电流的换向是由炮弹前进时，触发各级接近开关工作，给予中间继电器信号执行指令，同步系统简单精准。

7.根据权利要求1所述的一种适用于各类枪炮的直流线圈炮，其特征还在于：无须火工品爆炸提供发射动能，安装引信者到被打击目标附近爆破产生碎片增加杀伤力，无通电滑动导轨电离烧灼火焰，延长炮管使用寿命，真正做到无声、无光、隐蔽性强。

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