車載電磁炮的設計與實現

曹靖偉 張珂 毛桂平 蔡冬如 張鵬

摘要：在分析理解電磁線圈炮的原理及工作過程的基礎上，結合當今武器裝備發展現狀，通過車載方式使電磁線圈炮實現移動打擊與快速機動。本文從設計、制作和性能三個方面介紹如何實現電磁炮射擊、移動與遠程操控，從而更好應用在戰場上。

Abstract： Based on the analysis and understanding of the principle and working process of the electromagnetic coil gun， combined with the present situation of the development of weapon equipment， the electromagnetic coil gun can be used to realize mobile strike and fast maneuver. This paper introduces how to achieve electromagnetic gun shooting， moving and remote control from three aspects of design， production and performance， so as to better apply to the battlefield.

關鍵詞：電磁炮；車載；高新技術；武器裝備

Key words： electromagnetic artillery；vehicle；high technology；weaponry

中圖分類號：U671.91+6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）27-0160-05

0 引言

隨著世界新技術革命的蓬勃發展，高新技術越來越多的融入到武器運用中。現階段武器裝備的更新換代越來越快，其發展趨勢已經從普通的熱武器向高技術兵器轉化。面對世界格局的新變化，各國都展開對新概念武器裝備的軍備競賽。電磁發射是一種全新概念的發射方式，電磁線圈炮在軍事領域有著巨大的潛在優勢和廣闊的應用前景。電磁炮作為新概念武器之一，具有能量高、無污染、性能好等特點被廣泛關注。電磁線圈炮是指通過電磁感應原理，利用電流產生強磁場，進而利用安培力加速載荷并發射的技術。與傳統依靠工質膨脹做工驅動載荷運動的發射方式相比，電磁軌道炮可將載荷加速至極高速度，加速過程更加平穩，且速度和加速度可任意調控，而且它使用的能源從火藥轉變為更加清潔可靠的電能，大大降低了成本和維護難度，提高了安全性和機構運行的可靠性，同時還具有能量轉化效率高、結構簡單、噪聲小、安全性高等特點，具有較強的軍事應用潛力。

本文采用車載的方式實現電磁線圈炮的移動，同時增加遠程終端控制，實現對車載的移動和電磁線圈炮的遠程操作以及部分附加功能，使其具備更加完善的性能。

1 車載同軸電磁線圈炮的設計與實現

廣義上講，所有驅動部分由線圈構成的電磁發射器都可稱為線圈炮。所謂的線圈炮，一般是指使用脈沖或交變電流產生磁行波來驅動帶有線圈的彈丸或磁性材料彈丸的發射裝置，它利用驅動線圈和彈丸線圈間的磁耦合機制工作，本質上是一臺直線電動機。

1.1 同軸線圈炮的原理

在電磁場中，磁感應強度，其中0真空磁導率是個常數，其值為，n為線圈的匝數，I為流過線圈的電流（圖1中為單向電流流過螺線圈內部磁場）。

炮彈受到的電磁力，其中B為磁通密度，S為與磁通密度正交的面積，可見磁場密度越強，炮彈垂直于磁場的面積越大，炮彈收到的磁力越大。

如果線圈有持續的恒定電流通過，炮彈只會在線圈中作往復運動，需要計算合適的電容量，使電容的放電時間接近炮彈運動到線圈重點的時間，炮彈才能在慣性的作用下繼續運動。

1.2 同軸線圈炮的設計和工作過程

本文采用二級同軸線圈炮作為車載武器模型（圖2為二級同軸線圈炮的電路圖），這是綜合考量線圈炮的威力要求以及小車載重要求所得到的比較合適的級數。單級電磁炮對于彈丸的選擇彈性較但威力較小，射程不過1-2米；三級及以上級數的電磁線圈炮由于電容等配件的增加，重量已經影響到了小車的機動性，如果有性能更加優秀的小車可以考慮增加級數來增加射程及威力。

電磁線圈炮擁有與小車電源獨立的直流電源，電壓以7.5V-12V為宜，可通過DC--DC升壓模塊將其升壓至450V給電容模塊充電，注意首次充電相當于短路，需要斷續充電防止電流過大燒壞升壓模塊，電容電壓最好不超過420V以保證安全性和穩定性，每一級線圈有獨立的電容模塊。線圈通過可控硅開關并聯在電容兩端，可控硅開關的激發級分別由繼電器開關K2和光電開關控制連接在直流電源正極，光電開關位于第二級線圈之前。

通過遠程控制繼電器開關K1閉合，升壓模塊開始工作給電容充電，達到一定電壓關閉K1，此時線圈炮處于待發狀態?？刂评^電器開關K2閉合，第一級線圈回路中的可控硅開關被接通，電容開始對線圈放電將線圈中的彈丸加速打出。彈丸經過光電開關兩個二極管之間時光電開關被接通，使得第二級線圈回路中的可控硅開關接通，電容模塊對第二級線圈放電使彈丸繼續加速射出。

由于線圈實際上是一種電感，在電容放電后線圈會產生感應電動勢阻礙原電流的減小，這是很危險的，因此需要利用二極管單向導通的特點回收部分感應電動勢的能量，最好串聯一個電阻保護二極管。

本文利用電磁原理、單片機技術以及各種驅動裝置制作一臺可以移動的電磁炮（如圖3、圖4）。下面將著重講解其原理與構造。

2 同軸線圈炮的實現

本次實驗采用兩級線圈炮進行實驗，介于考慮安全因素與所需功率因素，采用如下材料進行設計制作：電源開關（繼電器開關）2個、整流二極管（IN4007）3個、儲能電容（330～450V，200～2000UF鋁電解電容）2組、共陰極升壓器一個（自帶整流）、可控硅（70TPS12或70TPS16）2個、光電開關1個、漆包線線圈（2個）、電源（12V 10A）、發射管（內徑4-10毫米，管壁薄，硬，不導電的為宜）20厘米左右1根、100Ω電阻若干、導線若干。

由于導線、漆包線等部分裸露在外，用絕緣膠帶加以包裹，使其不漏點，確保安全（如圖5電磁炮實物圖）。

電容對線圈放電時電流可以達到幾百至上千安培，用普通的空氣開關作為啟動開關是危險的，這里選用可控硅開關，但需要設計額外的觸發電路。

在制作線圈時，第一級線圈前5層每層35圈，第6層15圈，之后的每一級線圈層數逐漸減小，匝數逐漸增多，這樣的線圈效果比較良好，但由于材料等的不同，這個方案并不絕對，需要自行探索。每級線圈之間間隔大約為2cm，這個距離并不絕對，根據每一級的彈丸初速與電容的放電時間可作調整，中間用一個光電開關作為下一級的觸發開關。

在射擊精度方面，采用將紅外激光固定在炮管上的形式進行瞄準，通過校靶的方式調整瞄準點的位置。但這種方法的電磁炮精度不高，如果改進一下子彈彈型后，射擊精度會有較大提升。比如用寬膠布在子彈上面纏一個尾翼，就像一個管子套在一個柱體上。通過實驗后發現：平頭彈最標準，效率也最高，均優于尖頭其次。下一步將在炮管內增加膛線的方式使彈丸旋轉，讓彈丸在飛行過程中保持穩定的飛行姿態，以便提高射擊精度。

3 車載部分材料與模塊型號選擇和設計

3.1 系統硬件設計

對于小車設計而言，采用五大部分設計，其中包括有最小控制系統、上位機、無線路由、驅動模塊、電源電路等（系統結構框圖如圖6所示）。

通過圖6可以看出，電源為系統各個模塊進行供電，單片機最小控制系統通過接收路由器模塊發來的指令實現對下位機各個模塊的控制，單片機最小控制系統作為整個系統控制中心使各個模塊進行相互協調工作。

3.2 核心模塊的選擇與設計

通過對比研究各單片機的性能，最終選用STC12C5A60S2單片機。該單片機是由我國宏晶科技公司自行生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，其具有高速、低功耗、抗干擾強等特點，是新一代8051單片機。其指令代碼、管腳不但完全兼容傳統8051系列單片機，而且其片內具有基于FLASH工藝的大容量程序存儲器，用戶可以直接用電的方法瞬間擦除、改寫。運行速度要比傳統單片機塊8-12倍。雖然其功能簡單，對開發設備的要求也很低，但是基本上可以達到本課題的功能要求。

本設計下位機控制系統的主控芯片為STC12C5A60S2，最小系統設計原理如圖7所示，整個最小系統電路由上電復位電路、晶振電路和STC12C5A60S2芯片組成。

3.3 電機驅動模塊的選擇

本實驗采用兩臺電機交叉使用，從而實現兩個自由度的控制。通過研究對比，采用L298N驅動模塊。L298N芯片是意法半導體公司（全世界最大半導體公司之一）生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。其內部集成有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，L298N是15跟引腳的直插型芯片。采用標準邏輯電平信號控制，其主要特點有：工作電壓高，一般在3-46V；額定功率為25W，輸出電流大，電流峰值瞬間可達到3A；每個H橋可以持續的提供2A工作電流。該芯片不僅可以作為一臺兩相或四相步進電機的驅動器，還能夠直接驅動兩臺直流電動機，達到本實驗的需要要求。

本次設計底部采用履帶式支撐結構，應用四個直流電機為整個小車提供動力，并讓左邊兩個電機串聯共同驅動，右邊兩個電機串聯共同驅動，減少模塊的使用，加強小車的平穩性。

3.4 路由器的選擇

對于路由器的選擇，考慮到價格、體積以及負載等方面因素，最終決定采用Robot-LinkWIFI模塊。Robot-LinkWIFI模塊是深圳市小二極客科技有限公司自行研發的WIFI產品。該模塊采用高通AR9331作為主控芯片，其內置有廠家專有固件，支持視頻傳輸及數據指令的雙向傳送功能。最大無線傳輸率可以達到150Mpbs，模塊使用協議符合國際標準的IEEE802.11n/g/b協議。采用5V外部電壓供電并提供USB數據線和手機適配器兩種供電模式，其配備有32M的內存，4M的FLASH內存，調試接口齊全，大大滿足了電子愛好者、DIY愛好者的需求。接口：1USB2.0、1MicroUSB（電源接口），可用排針引出的內置TTL端口及一個Reset按鍵。

路由器模塊主要用來接收上位機傳來的數據指令，并把數據指令進行轉化，再以TTL電平的方式傳送給單片機。

3.5 電源電路的選擇

STC12C5A60S2最小系統的正常工作電壓在3.5-5.5V之間，無線路由器在正常運行時需要5V的電源供電，直流電機則需要5-10V之間的電源供電，根據這些模塊的供電需求，決定采用兩個串聯單節3.7V的二次鋰電池通過XL4015降壓輸出穩定5V電壓為他們供電，而無線路由器則單獨采用5V移動電源經過USB為其供電。

本設計把供電電源分為兩部分，一個是兩節3.7V鋰電池的串聯組合，另一個是移動電源。其中兩節串聯3.7V鋰電池經過XL4015降壓模塊輸出穩定5V電壓，為單片機、舵機以及直流電機進行供電，移動電源通過USB獨立為路由器模塊進行供電。XL4015可調降壓電路圖如圖8所示。

3.6 上位機開發語言的選擇

根據所學知識與運用情況，決定選擇C#語言，，它秉承了C和C++的強大功能同時優化它們存在的復雜性，并結合運用了VB的可視化圖形操作用戶界面和C++的高速運行效率的優點。

本設計選擇在C#語言框架下的Windows窗體應用程序進行開發。在Windows應用程序窗體中添加本設計所需的控件，設計好控件的分布結構，然后在各個控件中編寫相應的代碼，設定好通信串口和與下位機的通信協議。這樣基本完成上位機軟件的設計。

3.7 其他附件的選擇

在本課題設計中，攝像頭模塊主要負責采集高清視頻圖像信息，通過路由器的SOCKET服務將采集到的高清視頻圖像信息進行打包，并傳到上位機上。點擊提前設置好的“開啟攝像頭”控件，上位機界面上的視頻窗口就會顯示攝像頭采集到的視頻畫面，實現實時視頻傳輸功能。最終采用USB無驅高清攝像頭。

在舵機云臺的選擇中，使用SG90小型舵機，采用兩個舵機疊加的方式實現二自由度轉向。

4 系統軟件設計

4.1 主函數流程圖

本次程序設計主要分為上位機程序設計和單片機程序設計兩大部分，每部分又由各個子程序模塊組成。上位機軟件程序需要基于車載小車的功能進行開發，以C#語言為基礎，主要包括：電機驅動模塊、舵機、視頻傳輸等。

單片機軟件程序大致分為三大部分：主函數、串口接收中斷函數和數據指令解碼。主函數流程圖如圖9所示。

4.2 上位機C#程序設計

上位機設計是在Visual Studio 2012集成開發環境下進行開發的，并采用 C#語言結構框架進行編程的，大致的編程設計過程如下：第一步：先在VS2012集成環境下創建一個基于C#框架上的窗體開發項目。第二步：在Form窗體中添加本設計所用到的控件。第三步：在每個控件中編寫相應的指令代碼。第四步：設定好與WiFi模塊的通信協議。第五步：聯合調試。

5 實驗相關參數測量及誤差分析

5.1 實驗相關參數測量

在實驗中，分別在距離胸環靶靶心1米、5米、10米、15米處各射擊10枚炮彈，看擊中胸環靶的環數，測量精確度并繪制表格（如表1所示）。

第二次實驗中，讓小車以0.3m/s的速度前進，以同樣方式進行實驗，測量精確度并繪制表格（如表2所示）。

第三次實驗中，讓小車以0.3m/s的速度后退，以同樣方式進行實驗，測量精確度并繪制表格（如表3所示）。

5.2 實驗誤差分析

經實驗發現，在擊發后的彈丸是以縱向旋轉的姿態向前運動，這是影響射擊精度的原因之一；其次，在校靶后的射擊中，彈丸多集中在靶紙下方且彈丸大多橫向打到靶紙；第三，射擊五次左右需要重新校靶才能保證原有射擊瞄準點在靶心處；在移動射擊中，射擊精度會降低很多，但向前運動時精度高于向后運動時的精度。

由于彈膛內沒有膛線，無法使彈丸賦旋，導致彈丸射出后運動不規則；彈丸射出后，由于重力影響，會使彈丸向下運動，導致彈丸大多集中在瞄準點下方；由于彈丸后坐力較大，射出后炮管會有輕微抖動，導致激光偏離原來瞄準位置，所以在射擊一定次數后，要重新進行校靶。

6 總結

本實驗已初步實現電磁炮的移動射擊和遠程操控，并能夠以視頻傳輸的方式擺脫傳統射擊方法，但在實驗中存在炮彈初速不足，易損失射速等缺陷，擬在下次實驗中，在炮管中增加膛線來解決類似問題。在車載電磁炮的整體設計中，由于設計考慮不足，無法實現炮彈的自動進彈和連續射擊，在以后實驗中望能夠加以彌補，使實驗更加完善。

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