设计原理与方法：

1.电磁发射系统类型选择

  电磁发射按结构可分为导轨型、线圈型和重接型。导轨型因电枢和导轨间有强烈的腐蚀以及磨损而不做研究。重接型因需要较高的初速度弹丸和实心的非铁磁性材料良导体弹丸的缺点而不做研究。线圈型，按线圈排列可分为平行排列和同轴排列。平行排列适合加速质量较大的物体如磁悬浮列车，因此不做研究。同轴排列适合加速较小质量物体如炮弹等，从结构上又可分为有刷型和无刷型。有刷型因滑动接触导致速度受限因此不做研究。无刷型按加速机理可分为感应型和磁阻型。本作品主要对感应型和磁阻型发射器进行研究并制作创新结合型的发射器。

感应型线圈发射器设计

脉冲感应型发射器加速弹丸，要求给驱动线圈施加脉冲电流，即驱动线圈中的电流变化率很大，此时弹丸才会被铰链磁通感应出一环形电流(涡流)，此环形电流与两线圈的磁场相互作用产生安培力，从而驱动弹丸线圈朝前运动。

M为两种线圈互感；

为弹丸线圈总电流；

为弹丸电感；

分别表示为弹丸和驱动线圈中的电流；

为线圈作用在弹丸上的驱动力。

3.磁阻型线圈发射器设计

磁阻型线圈发射器是利用线圈磁路的磁阻变化吸引弹丸运动来加速弹丸的。磁阻型线圈发射器由螺线管驱动线圈和铁磁材料弹丸组成，在线圈腔管内放置铁磁材料能减小磁阻。当弹丸运动时，环绕线圈磁路的磁阻将发生变化，于是就对弹丸产生了作用力。铁磁材料的弹丸比被它取代的空气有更大的磁导率（）。当弹丸行进到线圈中心时，磁通较容易形成和通过，这是因为磁路的空气气隙变小，磁路的磁阻也小，此时对弹丸的作用力亦最小，当弹丸从线圈中心移开时，原来弹丸向前的磁力现在变为拉弹丸向后，因此，弹丸到达线圈中心后必须立即采取某些措施以使它不被拉回。实际的磁阻型线圈发射器是具有一系列时序接通的线圈，它将拉着弹丸沿炮管向前运动。应特别注意，弹丸仅受拉力，而不受推力作用，它不具备那种线圈弹丸发射器在适当选择两种线圈电流方向时对弹丸可拉、可推的优点。

N为螺线管匝数；

I为螺线管中恒定电流；

为螺线管长度；

A为螺线管面积；

为铁磁物质的磁化率；

为真空磁导率。

4.结合型线圈发射器设计

    根据上述分析得到的结果可知，磁阻型线圈发射器只能拉动弹丸，而且其放电电压受限，发射速度较低。而感应型线圈发射器只可推动弹丸，其电源电压要求较高，其发射速度也较高。结合两种线圈发射器的特点，设计出了一种新型线圈发射器，该结合型发射器是一种混合型线圈发射装置，具有磁阻型和感应型两种发射方式。既可拉动弹丸又可推动弹丸，既可实现低速发射，又可实现高速发射。

    该结合型发射器，弹丸结构是关键，其既要适合磁阻型发射又要适合感应型发射。结合型线圈发射器弹丸结构如图所示。弹丸主体为圆筒形，A3钢作为弹丸的主体材料，在弹丸后半部外层嵌入一“铝”金属层。该设计方案目的在于:弹丸首端进入线圈时，新型线圈发射器实现磁阻型发射;而当弹丸尾端要离开线圈时，利用弹丸尾部的铝层产生较大涡流，实现感应型发射，从而实现两种发射方式共同加速。

结合型发射器结构结合了两种发射器最佳的结构参数。新型发射器线圈长度为50mm，内半径为25mm。弹丸总体结构按照最佳的磁阻型结构设计，长度比选为n=1，弹丸和线圈长度均为50mm，壁厚为2mm。弹丸后半部由铝和A3钢共同组成，其中铝层的设计是参考最佳的感应型结构所得，长度比n=3:5,铝层的长度为30mm。

外加导磁铁轭设计

在驱动线圈外包裹一层贴片将磁场束缚在线圈内而不向外辐射，增强磁场强度。分别设计全包裹导磁铁轭和半包裹铁轭。

蓄电池放电与电容器放电对比

分别用蓄电池和电容器对线圈进行放电，得到的弹丸出口速度进行对比。

回收线圈设计

在驱动线圈后添加一个合适尺寸的闭合线圈，目前正在申请专利中。

实验仪器与装置:

弹丸和线圈等长，线圈每一级前加装传感器，传感器与控制电路相连，控制电路根据传感器提供的弹丸位置来发出驱动信号控制相应的电源对线圈放电。发射器出口处安装速度检测装置把测得的弹丸出口速度传给控制电路并显示。

数据测量与分析:

实验数据

项目

一级加速

二级加速

三级加速

不加导磁铁轭

32m/s

38m/s

41m/s

全包裹导磁铁轭

38m/s

42m/s

45m/s

半包裹导磁铁轭

37m/s

41m/s

44m/s

蓄电池放电

36m/s

42m/s

45m/s

电容器放电

32m/s

38m/s

41m/s

不加回收线圈

32m/s

38m/s

41m/s

加回收线圈

40m/s

45m/s

49m/s

蓄电池+全包裹导磁铁轭+回收线圈

43m/s

49m/s

54m/s

2.实验数据分析

   实验时，由光电传感器得到的信号驱动MOSFET管控制电路的放电时间。对结合型发射器系统进行实验，得到弹丸速度值如下表所示。从表中还可看出，多级加速，后几级所获得的速度越来越少。而且当弹丸长度与线圈长度相同时，所获得的出口速度最大。因为，只有二者等长时才能使线圈对弹丸的作用时间最长。

实验中，还分别用蓄电池和电容器对线圈进行放电，得到的弹丸出口速度如下表所示。可见，蓄电池驱动所获得的弹丸出口速度较大。而且还发现，若续流时不加消耗电阻Rz，弹丸会被线圈中的剩余电流所阻，甚至停滞在线圈之中。发射效果比无续流二极管还差。采用消耗电阻续流，线圈电流在续流时迅速下降至0，实际发射效果得到大幅改善。

实验中，全包裹和半包裹导磁铁轭效果相差不大，但比不加导磁铁轭效果要好很多。

实验中，添加回收线圈后，发射速度有很大提高。

结论：

1.结合两种线圈发射方式的特点，设计出了结合型线圈发射器。结果表明，该结合型线

圈发射器既可实现对弹丸的“拉”，又可实现对弹丸的“推”;既可实现磁阻型加速方式，又可实现感应型加速方式;既可实现高速发射，又可实现低速发射。速度调节方便，具有良好的发射效果和应用价值。

2.多级加速

效果并不理想，效率越来越低，很难做到精准匹配。

3.导磁铁轭的作用比较明显，而且不需要全包裹即可取得良好效果。

4.蓄电池的放电效果要优于电容器，使效率增大。

5.回收线圈能明显提高发射速度。