(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811140753.7
(22)申请日 2018.09.28
(71)申请人 武汉大学
地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山
武汉大学
(72)发明人 张亚东 熊敏 龚宇佳
(74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务
所(特殊普通合伙) 42222
代理人 彭艳君
(51)Int.Cl.
F41B 6/00(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及高速发射技术，具体涉及一种回
旋式电磁线圈加速器，包括k 个回旋加速圈，k 为
n 段匀速运动弯曲轨道，n 为正整数，直线出膛段，
以及n 套脉冲电源、2n 套脉冲电源或3n 套脉冲电 源；每段直线加速段与每段匀速运动弯曲轨道首
尾相连，最后一段直线加速段与直线出膛段相
连；每个回旋加速圈之间通过转轨器连接；n 套脉
冲电源、2n 套脉冲电源或3n 套脉冲电源用于对n
段直线加速段进行供电。该发射器通过分圈和分
段，实现物体的持续加速，并且可以做到电源的
循环利用。降低了成本，减小了总体设备体积，可
用于微纳卫星、火箭、航天飞机、导弹、风洞试验
等领域，
具有良好的应用价值。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109253657 A 2019.01.22
C N 109253657
A
1.一种回旋式电磁线圈加速器，其特征是，包括k个回旋加速圈，k为正整数，每一回旋加速圈均包括n段直线加速段，n段匀速运动弯曲轨道，n为正整数，直线出膛段，以及n套脉冲电源、2n套脉冲电源或3n套脉冲电源；每段直线加速段与每段匀速运动弯曲轨道首尾相连，最后一段直线加速段与直线出膛段相连；每个回旋加速圈之间通过转轨器连接；n套脉冲电源、2n套脉冲电源或3n套脉冲电源用于对n段直线加速段进行供电。
2.如权利要求1所述的回旋式电磁线圈加速器，其特征是，直线加速段采用同步感应线圈发射器驱动载荷，同步感应线圈发射器包括多级线圈、电枢、载荷、连接器、发射筒、适配器和驱动电路；多级线圈依次排列通过封装固定于发射筒上，第k个回旋加速圈的第n段直线加速段的最后一级线圈与发射筒头部的距离大于两级线圈的长度；载荷仅采用一个电枢推进，电枢和载荷通过连接器连接，适配器装载于载荷外侧，使载荷与电枢以及发射筒同轴；各级线圈连接驱动电路。
3.如权利要求2所述的回旋式电磁线圈加速器，其特征是，电枢和载荷具有一定初速度加速或零速度加速，当电枢和载荷以零速度进入第1个回旋加速圈的第1段直线加速段时，电枢的初始位置位于第1个回旋加速圈的第1段直线加速段第一级线圈的中部；当电枢和载荷以一定初速度进入第1个回旋加速圈的第1段直线加速段时，电枢对应第一级线圈的点火位置根据其初速度确定。
4.如权利要求1所述的回旋式电磁线圈加速器，其特征是，均速运动弯曲轨道在低速段采用普通轨道，高速段采用磁悬浮轨道。
权 利 要 求 书1/1页CN 109253657 A
一种回旋式电磁线圈加速器
技术领域
[0001]本发明属于高速发射技术领域，尤其涉及一种回旋式电磁线圈加速器。
背景技术
[0002]线圈炮的工作原理主要基于法拉第电磁感应定律和洛伦兹力公式。线圈导通后，脉冲电源在短时间内(毫秒级)将存储的电磁能加载至线圈，线圈电流在“炮管”内部产生的瞬变磁场将在导体电枢内感应出
以周向分量为主的涡流，磁场的径向分量与该涡流的相互作用使得电枢所受洛伦兹力以轴向分量为主，该力向炮口方向推动电枢和载荷；当电枢到达合适的位置时，导通下一级线圈，以同样的方式给予电枢推力，并尽量避免反方向的拉力；直至到最后一级线圈将载荷射出。正是基于这样的原理，可不断增加激励线圈的级数，从而获得较大的炮口速度。
[0003]目前同步感应线圈发射器大多数是针对大质量物体的中低速发射，高速甚至是超高速的研究很少见诸报道，并且大质量物体的超高速发射所需能源巨大，成本较高，实现起来极为困难。
发明内容
[0004]本发明的目的是提供一种降低电源成本，减小发射器体积的电磁线圈发射器。[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种回旋式电磁线圈加速器，包括k 个回旋加速圈，k为正整数，每一回旋加速圈均包括n段直线加速段，n段匀速运动弯曲轨道，n为正整数，直线出膛段，以及n套脉冲电源、2n套脉冲电源或3n套脉冲电源；每段直线加速段与每段匀速运动弯曲轨道首尾相连，最后一段直线加速段与直线出膛段相连；每个回旋加速圈之间通过转轨器连接；n套脉冲电源、2n套脉冲电源或3n套脉冲电源用于对n段直线加速段进行供电。
[0006]在上述的回旋式电磁线圈加速器中，直线加速段采用同步感应线圈发射器驱动载荷，同步感应线圈发射器包括多级线圈、电枢、载荷、连接器、发射筒、适配器和驱动电路；多级线圈依次排列通过封
装固定于发射筒上，第k个回旋加速圈的第n段直线加速段的最后一级线圈与发射筒头部的距离大于两级线圈的长度；载荷仅采用一个电枢推进，电枢和载荷通过连接器连接，适配器装载于载荷外侧，使载荷与电枢以及发射筒同轴；各级线圈连接驱动电路。
[0007]在上述的回旋式电磁线圈加速器中，电枢和载荷具有一定初速度加速或零速度加速，当电枢和载荷以零速度进入第1个回旋加速圈的第1段直线加速段时，电枢的初始位置位于第1个回旋加速圈的第1段直线加速段第一级线圈的中部；当电枢和载荷以一定初速度进入第1个回旋加速圈的第1段直线加速段时，电枢对应第一级线圈的点火位置根据其初速度确定。
[0008]在上述的回旋式电磁线圈加速器中，均速运动弯曲轨道在低速段采用普通轨道，高速段采用磁悬浮轨道。
[0009]本发明的有益效果：通过分圈和分段，实现物体的持续加速，并且可以做到电源的循环利用。降低了成本，减小了总体设备体积，可用于微纳卫星、火箭、航天飞机、导弹、风洞试验等不同质量、不同加速度、不同目标速度的发射、增程试验和商业应用，具有良好的应用价值。
附图说明
[0010]图1为本发明一个实施例回旋式电磁线圈加速器n套电源方案的结构示意图；[0011]图2为本发明一
个实施例回旋式电磁线圈加速器2n套电源方案的结构示意图；[0012]图3为本发明一个实施例同步感应线圈发射器结构示意图；
[0013]图4(a)为本发明一个实施例各线圈驱动电路的开关S第一种连接方式线路图；[0014]图4(b)为本发明一个实施例各线圈驱动电路的开关S第二种连接方式线路图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0016]本实施例通过以下技术方案来实现，一种回旋式电磁线圈加速器，包括：k个回旋加速圈，每一回旋加速圈均包括n段直线加速段和n段匀速运动弯曲轨道；直线出膛段，n套脉冲电源；每段直线加速段与每段匀速运动弯曲轨道间隔连接，最后一段直线加速段与直线出膛段连接。n套脉冲电源进行连续充放电，分别对各回旋加速圈中的n段加速段线圈进行供电。各回旋加速圈之间通过变轨器连接。
[0017]典型的回旋加速器共有k个回旋加速圈，每个回旋加速圈中有n段直线加速段和n 段匀速运动导轨段。每段直线加速段和每段匀速运动导轨段首尾相连，最后一段直线加速段与直线出膛段相连。每个回旋加速圈之间通过转轨器连接。
[0018]每个直线加速段都需要采用同步感应线圈发射器，保证其速度能够达到设计的要求。
[0019]匀速运动弯曲轨道在低速段可采用普通轨道，以便降低成本，高速段采用磁悬浮轨道，以便减小载荷受到的摩擦力。
[0020]为了节省电源投资，在不同圈对应的直线加速段采用同一个加速段共用电源，共n 套，并对电源馈电单元进行电流转换处理，电源需要进行k次连续的充放电。
[0021]为了提高设备的利用效率，每套电源的充放电时间应尽可能短。在确定了充放电的时间后，根据速度及加速度指标，可确定每段直线加速段的加速距离、加速时间、各段加速器的出口速度等参数，进而计算出各曲面匀速段铁轨所需要的长度。为了尽可能节约场地，使模型紧凑，允许载荷在第m(1≤m≤k-1)个加速圈中做匀速循环运动(即经m圈一次加速后，后续等待电容器充电，载荷在圈内做匀速运动)，直至第m+1个加速圈的电源充电后，可通过变轨装置将载荷从第m圈引入第m+1圈。根据圈中各加速距离，以及各圈之间的间距，优化各段直线加速器的位置及电源位置。
[0022]n个匀速运动弯曲轨道建议采用磁悬浮技术以降低摩擦、碰撞等损耗。而在低速段可采用普通导轨以便降低成本。具体结构需要根据发射物体的质量和速度以及所用材料进行核算。
[0023]如图1所示，为本实施例回旋式电磁线圈加速器n套电源方案的结构示意图。为了
解决高速直线电磁加速器占用场地过大、投资过大的问题，提出了一种回旋式电磁线圈加速器，包括：
共有k＝3个回旋加速圈，每个回旋加速圈中包括n＝4段直线加速段，均采用同步感应线圈发射器，n＝4段匀速运动弯曲轨道，均采用磁悬浮轨道，以及最终的直线出膛段，共有n＝4套脉冲电源进行连续充放电，分别对各加速圈中的n＝4段直线加速段进行供电。
[0024]3个回旋加速圈中的每一个回旋加速圈中共有4段同步感应线圈发射器，均由脉冲电容器供电。为了方便设计，每个直线加速段内的供电电容器能量W相等，各段直线加速段的同步感应线圈发射器级数相等，每个加速段的发射效率η、加速度a基本相同，在此基础上，可以很方便的根据设计的出口速度得到任意一个加速段的入口及出口速度，将问题归结与对每一个直线加速段的设计。例如，假设发射载荷质量为m，则载荷获得的动能为E＝Wη＝0.5*mv2，而需要的总加速长度为s＝v2/(2a)，如果各级同步感应线圈发射器长度均相同，则每组同步感应线圈发射器的长度均为l＝s/(k*n)，各直线加速段的入口速度和出口速度可从第一级开始逐级算出。
[0025]图1中，3个回旋加速圈对应的第j(1≤j≤n)段直线加速段均共用1套脉冲电源，这样总的脉冲电源容量就为4套(而非12套)，可将电源成本降低为1/3。第j段直线加速段对应的脉冲电源需进行3次充放电。第j(1≤j≤n)套电源对3个回旋加速圈的第j(1≤j≤n)段直线加速段依次放电时，可采用转换开关完成1套脉冲电源对不同负载的放电。
[0026]图1中，为了提高设备的利用效率，每套电源的充放电时间应尽可能短。在确定了充放电的时间后，
根据速度及加速度指标，可确定每段直线加速段的加速距离、加速时间、各段加速器的出口速度等参数，进而计算出各曲面匀速段铁轨所需要的长度。
[0027]图1中，为了尽可能节约场地，使模型紧凑，允许载荷在第m(1≤m≤2)个回旋加速圈中做匀速循环运动(即经m圈一次加速后，后续等待电容器充电，载荷在圈内做匀速运动)，直至第3个加速圈的电源充电后，可通过变轨器将载荷从第m圈引入第m+1圈。根据圈中各加速距离，以及各圈之间的间距，优化各直线加速段的位置及电源位置。均速运动弯曲轨道在低速段可采用普通轨道，高速段可采用磁悬浮轨道，转轨器轨道亦可采用无摩擦力的磁悬浮系统，具体的轨道结构和机械强度需要根据加速载荷的质量、长度、各段出口速度进行综合设计。
[0028]如图2所示，为另一个实施例回旋式电磁线圈加速器2n套电源方案的结构示意图；当设计速度较高时，一种规格的电源可能难以满足设计要求，此时需要容量更小、电压更高的4套，此时电源成本将变为2/3，第j段直线加速段对应的两种脉冲电源共需要进行3次充放电，其中第n套大容量低压电源如图中电源11、电源12、电源13、电源14进行2次连续充放电，而第n套小容量高压电源，电源21、电源22、电源23、电源24进行1次连续充放电。为了保证电源的使用寿命，可设计为各k/2次充放电。如果回旋加速圈数较多时，应尽量使各套电源的连续充放电次数一致。如果要进行更高的速度设计，可进一步增加电源，但建议最多三种电源，否则可能因成本提高太多而难以实用。
[0029]每个直线加速段均采用同步感应线圈发射器驱动载荷，根据速度的要求，设计一定的级数，以此保证出口速度达到设计的要求。同步感应线圈发射器包括多级线圈1、电枢4、载荷5、连接器、发射筒2、适配器6和驱动电路等部件；多级线圈1依次排列通过封装3固定于发射筒2上，以实现电绝缘及机械加固；第k个回旋加速圈的第n段直线加速段的最后一级
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