模擬電磁曲射炮的設計

尤麗萍

（泉州信息工程學院，福建泉州，362000）

0 引言

模擬電磁曲射炮是運用電磁發射技術的曲射炮，其本質是一種電磁炮。模擬電磁曲射炮是兼具電磁炮和曲射炮優勢的新型武器，利用電磁能驅動，發射彈丸對目標進行曲線射擊，目前世界上對電磁曲射炮的研究基本上以電磁軌道式曲射炮和電磁線圈式曲射炮居多。

相較于傳統火炮，電磁炮的優勢具有更高的能量、更好的可控性、更清潔的能源等優點。曲射炮并非發射結構彎曲，而是指對打擊目標實施曲線射擊的火炮，其彈道為曲線，與之相對的是彈道幾乎呈直線的直射炮。曲射炮具有結構簡單，操作容易，射擊盲區小等優點，還因其機動性優良而常常作為隨步兵作戰的武器之一。[1]

1 設計任務

1.1 電磁發射的分類及優缺點

目前世界上所有的發射方式都可以歸結為三類：即機械能發射、化學能發射以及電磁能發射。機械能發射實質上就是早期人類所使用的投擲器或是冷兵器時代的投石車及弓箭，它具有結構簡單的優點，將具有彈性的繩索或竹片等物體擰緊或拉緊，使之具有彈性勢能，之后靠瞬間釋放的彈性勢能來發射物體。[2]但機械能發射最大的限制就在于被發射物體的質量無法做到很高，射速和射程也通常不過幾百米。[3]火藥發明之后，化學能長期統治著人類文明歷史中的發射技術，它能夠將被發射物體的射程提高到數公里至數十公里，發射速度也能達到幾十公里每小時的量級，這是機械能發射技術所望塵莫及的。但化學燃料的爆燃也存在很多不可控因素，會導致嚴重的安全隱患，對存儲、運輸、使用都提出了嚴苛的要求；同時化學爆燃所產生的氣體對環境造成了污染，爆燃產生的炮口火焰以及后坐力，也對被發射物體打擊目標的精確度產生了極大地影響。[4]而相較于化學能發射，電磁能發射在許多方面都有著明顯的優勢，從環境角度來說，電磁能源更加清潔，發射時幾乎無煙塵、無炮口火焰；從改善發射性能來看，電磁發射后坐力更小，有利于提高發射精度，就目前研究成果來看，電磁能發射可以承載質量更大的物體，也能使其發射速度提高到幾公里每秒的量級，射程也可以更遠。[5]

1.2 功能要求

本設計選用線圈式電磁炮為研究對象，就改善目前現有電磁炮的不足，設計并制作一臺小型線圈式電磁炮[6]。其將具有以下功能：

（1）設計并制作一個模擬電磁曲射炮，炮管水平方位及垂直仰角方向可調節。

（2）用電磁力射出彈丸，擊中目標環形靶，發射周期不得超過30秒。

（3）電磁炮由直流穩壓電源供電，電磁炮系統內允許使用容性儲能元件。

（4）電磁炮放置在定標點處，炮管初始水平方向與中軸線夾角為 0°、垂直方向仰角為 0°。

（5）環形靶水平放置在地面，靶心位置在與定標點距離200cm≤d≤300cm，與中心軸線夾角a≤±30°的范圍內。

（6）環形靶放置在靶心距離定標點 200～300cm 間，且在中心軸線上的位置處，鍵盤輸入距離d值，電磁炮將彈丸發射至該位置，距離偏差的絕對值不大于50cm。

（7）用鍵盤給電磁炮輸入環形靶中心與定標點的距離 d及與中心軸線的偏離角度a，一鍵啟動后，電磁炮自動瞄準射擊，按擊中環形靶環數計分；若脫靶則不計分。

（8）在指定范圍內任意位置放置環形靶，一鍵啟動后，電磁炮自動搜尋目標并炮擊環形靶，按擊中環形靶環數計分，完成時間≤30s。

（9）環形靶與引導標識一同放置在距離定標點d=250cm的弧線上（以靶心定位），引導標識處于最遠位置；電磁炮放置在定標點，炮管水平方向與中軸線夾角a=-30°、仰角0°；一鍵啟動電磁炮，炮管在水平方向與中軸線夾角a從-30°至30°、再返回-30°做往復轉動，在轉動過程中（中途不得停頓）電磁炮自動搜尋目標并炮擊環形靶，按擊中環形靶環數計分，啟動至擊發完成時間≤10s。

2 系統方案設計

2.1 硬件電路組成

根據所述方案設計，硬件電路由主控芯片、陀螺儀、TFmini、測速光耦、超聲波、微動開關、激光準直、12864液晶、裝彈舵機、電機驅動、步進電機、5110液晶、發射控制電路、系統電源電路幾部分構成,硬件電路組成結構圖1如下。

圖1 硬件組成結構圖

主控電路芯片采用STC15F2K60S2芯片，因為其內部資源豐富且剛好滿足設計需求。采用貼片的LQFP44引腳封裝，具有較多的IO口，且焊接方便。在數據采集電路中，用TFmini激光測距傳感器采集距離數據；用LTH30132槽型光耦，配合驅動電路來采集彈丸運動數據；用六軸MPU6050陀螺儀來采集炮管運動狀態數據；采用微動開關和激光準直來獲取初始化狀態。發射電路采用JQF38F40A大功率繼電器控制高壓電容充放電狀態切換，大功率繼電器通過驅動電路由主控芯片控制。機動結構中，負責炮管運動狀態的是42系列步進電機，由雷賽TB6600驅動器驅動，主控芯片連接TB6600驅動器。自動裝彈結構由SG90舵機實現，SG90直接由主控芯片輸出PWM波控制。顯示模塊采用5110及12864共同實現，數據口直接連接主控芯片。設定輸入所需的編碼器也直接連接主控芯片。因系統有多種電壓，故而采用線性穩壓電路進行電壓變換，上部電源板采用LM317可調穩壓電路、L7805CV穩壓電路，ASM1117穩壓電路等，將12V轉為4到8V可調電源、5V穩壓電源、3.3V穩壓電源等等。下部電源主要是LM2596可調電路輸出5V控制供電，以及升壓電路產生的400V左右的發射供電。

2.2 機械方案設計

為能實現設計任務，滿足結構要求，設計機械結構總體分為兩大部分，下部為底座和水平角度驅動結構，上部為垂直方向驅動結構。采用步進電機加同步輪傳動的方式連接旋轉臺轉軸，轉軸帶動水平結構件的方式作為水平旋轉結構；垂直角度旋轉結構采用步進電機通過傳動皮帶輪，帶動具有軸承結構的工字型支架來實現，發射炮管固定于工字型支架中心線上。該設計能夠保證結構穩定性以及符合機械設計規范，發射炮管的運動位置處于系統旋轉中心，不存在水平偏角問題，各個電機受力也均符合設計規范，以確保系統運行穩定。裝配示意圖詳見圖2所示。

圖2 裝配示意圖

2.3 主程序設計

為能實現設計任務，主體程序設計以及功能流程圖如圖3所示。

圖3 主程序設計流程圖

自動搜尋目標、運動控制、發射判斷、自動打靶程序控制思路流程圖如圖4所示。

圖4 自動打靶程序流程圖

3 調試測試

3.1 測試方案

硬件測試：如圖5所示，手動將炮管的仰角θ固定為30°，多次測量彈著點與定標點的距離，驗證測試系統的穩定性。

圖5 測試示意圖

硬件軟件聯調：根據設計題目要求配置好電磁炮，分別完成要求（1）～（4），測試穩定后完成（5）～（9）的內容，多次測量并記錄數據。

3.2 測試條件與儀器

測試條件：經過多次檢查，硬件電路與所設計的系統電路原理圖不存在差錯，而且器件安裝與PCB圖一致。確認無誤后，檢查程序代碼是否完善，程序編譯通過后，給系統燒寫程序。在距離定標點2 m～3m、正負 30°的范圍內，除靶標外無其他干擾物體。[7]

測試儀器：220V交流電源，數字萬用表，卷尺，量角器，模擬靶標，自制電磁炮。

3.3 測試結果及分析

（1）硬件測試結果

以30°仰角發射時測試結果如表1所示。

表1 30度發射距離

該角度下，發射距離是可以滿足設計要求的，但由于實際測量時的不可控因素，例如線圈溫度的變化、后坐力導致的炮口抖動、彈丸的銹蝕等都有可能造成射程的改變。由表中數據可知，相鄰兩次的距離差值也遠小于50cm，基本達到了設計要求。

（2）聯合調試分析與結論

將環形靶放在距定標點2.5m處時，測試結果如表2所示。

表2 2.5米處命中環數

將環形靶放置在距定標點2.7m且與中心軸線的偏離角度為+20°處，測試結果如表3所示。

表3 偏角20度距離2.7米命中環數

自動識別打靶在不同角度值和不同距離值的情況下命中環數測試數據，測試結果如表4所示。

表4 多角度多距離命中環數

根據上述測試數據，由此可以得出以下結論：

（1）環形靶在中心軸線時，系統穩定性好，命中環數高，受環境影響小，精度高。

（2）環形靶與軸線有一定角度時，命中環數開始波動，精度下降。

（3）系統進行自動識別打靶時，命中環數波動較大，但仍能擊中靶心。

綜上所述，實驗結果能夠達到設計要求。

4 結束語

本設計根據設計需求，按照方案設計、方案論證、硬件電路、機械結構、軟件程序的順序展開工作。本文按照該順序，詳細介紹了系統中所用到的電路以及程序，以模擬電磁曲射炮為研究對象，實現了手動控制發射任務，實現了自動目標追蹤及打擊，設計精度除能滿足設計題目要求外還有所提高，解決了設計當中的技術難點，完成了設計任務，最后經過調試測試驗證結果，證明符合設計目標要求。