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同步感應電磁線圈發(fā)射器具有發(fā)射拋體質量范圍大、受控性好、不接觸無燒蝕等優(yōu)點，是電磁發(fā)射研究熱點之一。通過增加線圈級數(shù)，實現(xiàn)高初速發(fā)射，可廣泛應用于遠程壓制、防空反導、近程主動防護等，也可用于彈射火箭類負載，具有廣闊的軍事應用前景。

為了獲得更高的出口速度，同步感應線圈發(fā)射器一般采用多級線圈發(fā)射結構。多個同口徑、同軸驅動線圈串列組成線圈發(fā)射器身管。脈沖電源對各級驅動線圈適時放電，放電電流產(chǎn)生的磁場與電樞感應電流相互作用加速電樞運動。

雖然電磁線圈發(fā)射原理簡單，但由于多級線圈發(fā)射器參數(shù)之間相互耦合，互相約束，獲得較高的拋體速度和能量轉化效率比較困難，嚴重制約了該項技術工程應用。如何提高發(fā)射效率，國內(nèi)外專家學者進行了大量的研究。

現(xiàn)有研究主要從驅動線圈和拋體的空間幾何結構和電參數(shù)、觸發(fā)位置和電源參數(shù)等方面進行優(yōu)化，提升了發(fā)射系統(tǒng)的效率，取得了一定的效果，但是隨著發(fā)射器級數(shù)的增加，可優(yōu)化的變量迅速增加，為提升效率帶來了困難。對多級同步感應線圈發(fā)射器電樞加速機理、受力變化特性、磁場變化特性等沒有開展深入研究。磁場變化作為影響電樞電流和發(fā)射效率的關鍵因素，需要進行深入研究。

西北機電工程研究所的研究人員從電樞加速本質特征磁場變化的角度，研究了多級同步感應線圈發(fā)射器的加速原理，以達到提高效率的目標。采用有限元方法對發(fā)射過程中的電樞運動和電樞電流分布進行計算，獲得了電樞加速機理和運動特性。根據(jù)電樞的運動特性和磁場分布，提出了改變磁場方向提升發(fā)射效率的方法。通過改變驅動線圈的電流方向，在發(fā)射器膛內(nèi)產(chǎn)生了方向相反的兩種磁場，分析電樞運動規(guī)律及電流分布，獲得了改變磁場方向對發(fā)射效率的影響機理。

研究人員發(fā)現(xiàn)：同向磁場條件下，電樞在加速過程中，受電樞運動和驅動線圈電流減小的影響，電樞截面電流密度矢量呈現(xiàn)方向相反的兩種狀態(tài)，從而影響了電樞的加速效果。通過改變部分驅動線圈的磁場方向，顯著提高了電樞初速。

圖1 15級電磁線圈發(fā)射裝置

通過分析加速機理可知，磁場同向時電樞加速主要發(fā)生在電流的上升沿，而磁場反向時電樞加速主要發(fā)生在電流的下降沿，反向時上升沿的作用在過渡段是為了使得反向的電流更大，在一般加速段是為了降低前級電流減小的影響并增加反向電流，且增加加速時的電磁力，提升系統(tǒng)發(fā)射效率。

15級電磁線圈裝置的發(fā)射試驗結果表明，磁場同向時，后四級線圈發(fā)射效率為7.6%，而磁場反向后效率達到了28.3%，效率得到了顯著的提高。理論和試驗結果表明，通過改變磁場方向可用于提升發(fā)射效率，為后續(xù)多級線圈發(fā)射裝置的設計提供了理論參考。

以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“基于磁場方向變化的同步感應線圈發(fā)射器效率提升分析”，作者為張濤、國偉 等。