騷亂和暴動是目前恐怖活動的主要方式，這些恐怖活動的主要特點(diǎn)就是恐怖分子和廣大群眾相混雜，難以對其進(jìn)行有效的區(qū)分。為了恰當(dāng)?shù)刂浦惯@些非法活動，必須有適當(dāng)?shù)奈淦餮b備來完成這些任務(wù)，非致命動能武器就是其中之一。
　目前的非致命動能武器主要是靠發(fā)射動能彈使受彈者產(chǎn)生疼痛而將其制服。其發(fā)射的彈藥主要有裹鉛的軟橡皮彈、尾翼穩(wěn)定橡皮彈、硬橡皮彈、木釘彈等。這種發(fā)射藥驅(qū)動的彈丸出口速度難以快速調(diào)節(jié)，在使用時不方便。
　磁阻驅(qū)動器作為非致命反恐防暴武器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
   (1)可控性較好。通過選擇不同的電路參數(shù)如電壓、電容值、觸發(fā)位置、觸發(fā)級數(shù)等就可以方便地調(diào)節(jié)彈丸的出口速度。
　(2) 隱蔽性好，安全性好。發(fā)射過程全部依靠電能工作，彈丸是從磁場中獲得的能量而不是依靠傳統(tǒng)的火藥，擊發(fā)是通過半導(dǎo)體開關(guān)，發(fā)射時沒有聲音及火花。
　(3) 攜帶輕便。槍管及外圍加固結(jié)構(gòu)只需采用非導(dǎo)磁材料，而不需要再采用鋼材等較重的材料。
　在特定的磁阻驅(qū)動器結(jié)構(gòu)下，放電電容的電壓與容值的選擇成為影響彈丸出口速度的一個重要因素，甚至可以通過快速選擇電容器參數(shù)來調(diào)整彈丸出口速度以方便實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。本文展開了關(guān)于電容器參數(shù)對出口速度影響的理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。
1 結(jié)構(gòu)及理論分析
　磁阻驅(qū)動器是由一個驅(qū)動線圈和一個鐵磁性彈丸以及附屬部件構(gòu)成。它利用驅(qū)動線圈與鐵磁性彈丸組成的磁路的磁阻變化來吸引彈丸加速運(yùn)動。其作用原理是磁阻最小原理。磁通總是趨向于經(jīng)過磁阻最小的路徑，鐵磁性的彈丸具有比空氣高得多的磁導(dǎo)率，因此彈丸放置在驅(qū)動線圈內(nèi)部時，在彈丸與空氣組成的磁路里，彈丸就會向磁阻最小的方向運(yùn)動。也可以認(rèn)為是驅(qū)動線圈中的電流與被磁化的鐵磁性彈丸中的磁化電流之間的安培力，由于磁化電流與驅(qū)動線圈中的電流具有相同的方向，因此彈丸受到吸力而加速。
1.1 磁阻驅(qū)動器結(jié)構(gòu)
　典型的磁阻驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動線圈用直徑為1 mm的漆包線繞制，軸向長度為40 mm，從左至右，由內(nèi)至外繞4層，內(nèi)直徑10 mm，外直徑約為18 mm，放入鐵殼內(nèi)并采用環(huán)氧樹脂灌裝。彈丸采用絡(luò)鋼制成，直徑為9 mm,長度為40 mm與驅(qū)動線圈等長。槍管為非導(dǎo)磁材料。

1.2 磁力驅(qū)動器理論分析
    對于如圖1所示的實(shí)際磁阻驅(qū)動器結(jié)構(gòu)而言，其理想化的磁阻驅(qū)動器磁通路徑如圖2所示。在驅(qū)動線圈中通有電流的情況下，在其周圍產(chǎn)生磁通。磁通經(jīng)過鐵殼、空氣、彈丸而閉合。由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于彈丸的磁導(dǎo)率，根據(jù)磁阻最小原理，彈丸就會向前運(yùn)動。在彈丸的加速過程中認(rèn)為彈丸居中于槍管，忽略磨擦及空氣阻力。驅(qū)動線圈中電流一般由儲能電容器提供。儲能電容器所在的主電路及控制電路如圖3所示。

    在圖3所示的磁阻驅(qū)動器主電路及控制電路圖中，由儲能電容器C3、可控硅開關(guān)K、驅(qū)動線圈L組成主放電回路。驅(qū)動線圈直流電阻為0.16 Ω。驅(qū)動線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管和電阻，其作用是在驅(qū)動電流達(dá)到峰值后以迅速衰減電流，避免給儲能主電容C3反向充電。驅(qū)動可控硅開關(guān)的主要器件是脈沖變壓器，通過三極管為脈沖變壓器提供原邊電流，脈沖變壓器次級產(chǎn)生脈沖經(jīng)過整形后提供給可控硅控制級和陰極。C1為22 μF，25 V，目的是加快脈沖變壓器產(chǎn)生脈沖的陡度。R2的作用是限制流過脈沖變壓器的電流幅值。R3、C2，R4及二極管的目的是整形。R1、R2、R3、R4的阻值分別是1 kΩ、25 Ω、1 kΩ、20 Ω;C2為10 V，0.047 μF。并聯(lián)接在可控硅控制級與陰極的二極管和電阻是為了保護(hù)可控硅。通過K1控制彈丸的發(fā)射。
    當(dāng)K1閉合時，脈沖變壓器產(chǎn)生的脈沖信號導(dǎo)通可控硅K?？煽毓鐺導(dǎo)通后，驅(qū)動線圈L產(chǎn)生的磁場，在彈丸上會產(chǎn)生磁化電流、渦流。描述運(yùn)動的彈丸的相關(guān)場量方程為：
   
其中運(yùn)動彈丸中的磁場由自由電流Jf、磁化電流JM產(chǎn)生。磁化電流JM等于磁化強(qiáng)度M的旋度。α_m是介質(zhì)分界面上磁化電流面密度，n是分界面上由介質(zhì)1指向介質(zhì)2的單位法向量。彈丸上的自由電流認(rèn)為由感生渦流以及動生電動勢產(chǎn)生的動生渦流組成。

    用柱坐標(biāo)系表示為:

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　根據(jù)以上控制方程式(1)~式(6)，結(jié)合電磁場Ansoft有限元軟件，應(yīng)用瞬態(tài)場求解器對上述磁阻驅(qū)動器發(fā)射過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真過程中除彈丸和鐵外殼為導(dǎo)磁性材料，其磁化B-H曲線數(shù)據(jù)由相應(yīng)材料獲得，其余部分材料是非導(dǎo)磁材料，可以認(rèn)為它們和空氣有同樣的磁導(dǎo)率。
2.1 仿真結(jié)果分析
　仿真計(jì)算分兩類，一類為固定容值變化電壓（容值為1 360 ?滋F);另一類為固定電壓(100 V)，變化電容值。表1為固定容值變化電壓得到的仿真數(shù)據(jù);表2為固定電壓變化容值得到的仿真數(shù)據(jù)。
　從表1可以看出,在容值固定的情況下，隨著充電電壓的升高，出口速度單調(diào)遞增。而電流達(dá)到峰值的時間卻基本相同。這是因?yàn)橛沈?qū)動線圈和彈丸組成的等效電感在發(fā)射過程中變化不大造成。隨著電壓的增加，速度到達(dá)峰值的時間越來越快，速度達(dá)到峰值的時間也是彈丸居中的時間，因?yàn)樗俣冗_(dá)到峰值的時候說明彈丸已經(jīng)沒有再受到加速力，同時彈丸居中時也是受力為零的位置。

　表2數(shù)據(jù)為在固定電壓值為100 V下，出口速度隨電容容值變化的情況。從表2可以看出,隨著電容容值的升高，出口速度單調(diào)遞增，但是增加的幅度沒有電壓對速度的影響大。電流達(dá)到峰值的時間卻是隨著容值的增加而增大，這是因?yàn)殡娙萑葜翟黾訒斐芍鞣烹娀芈?RLC電路)放電周期變大，因此電流上升變慢。速度到達(dá)峰值的時間是越來越快，相比之下要慢于電壓增加而增加的速度，但是電容值增加導(dǎo)致總的效果也是增加了出口速度。
　由表1和表2可以看出,在固定容值、電壓變化和固定電壓、變化容值時，出口速度基本呈線性變化，但是電壓變化對出口速度影響強(qiáng)于電容值變化所產(chǎn)生的影響。為了獲得更有利于增加彈丸出口速度的電容器電壓及容值參數(shù)，又進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。根據(jù)表1和表2所列數(shù)據(jù)分別擬合了電壓和容值參數(shù)對于彈丸出口速度的關(guān)系式。式(7)分別對應(yīng)于出口速度隨電壓及電容變化的關(guān)系式

　對于兩個線性表達(dá)式，容易得出電壓與電容都取最大值時，能得到最大出口速度的看法。實(shí)際情況下由于彈丸中的反向渦流的反作用以及線圈的承載能力，并不是選取大的電壓與電容值就能得到高的出口速度。通過仿真得出在1 000 V與7 480 ?滋F的組合下，彈丸被加速至居中時，驅(qū)動線圈內(nèi)電流雖然處在下降階段，但是電流較大，因此彈丸一離開線圈就會受到阻礙作用。所以此時應(yīng)選擇IGBT開關(guān)而不能再使用可控硅開關(guān)，從而使驅(qū)動線圈中電流降為零。
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置組建
　依照圖1所示的結(jié)構(gòu)及圖3所示的電路組建實(shí)驗(yàn)裝置。主放電單個電容器選擇450 V，680 μF，通過串聯(lián)2電容器來進(jìn)行容值為1 360 μF而變化電壓的實(shí)驗(yàn)，通過串聯(lián)多個電容來進(jìn)行容值變化而電壓不變的實(shí)驗(yàn)?？煽毓栊吞枮門90RIA120。采用西安華科光電有限公司生產(chǎn)的DB650-5-5型激光管作為測量槍口初速的光路發(fā)生器。光跳變信號通過光纖傳輸，光電轉(zhuǎn)換至示波器進(jìn)行時間測量，求取平均速度。發(fā)射過程中，用開環(huán)霍爾電流傳感器CHF-B300(宇波模塊)，測量經(jīng)過驅(qū)動線圈的脈沖電流。通過可控硅觸發(fā)電路的脈沖變壓器將主放電回路與控制電路進(jìn)行隔離，防止主放電回路影響和干擾控制電路。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　按照固定容值、變化電壓和固定電壓、變化容值分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用槍口的測速光路進(jìn)行出口速度的測量。根據(jù)光電跳變信號時間間隔及相應(yīng)的設(shè)定距離可以確定彈丸的平均出口速度。圖4為容值固定、電壓從100 V到600  V變化和電壓固定、容值從340  μF～1  700  μF變化時，實(shí)際測算的彈丸出口速度。

　從圖4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，容值為340 μF時，電壓從100 V增至480 V的過程中，隨著電壓的增加，彈丸的出口速度在增大。但是由于反向渦流的作用，在電壓從480 V增至600 V的時候，彈丸的出口速度出現(xiàn)一些下降，也就是反向渦流的制動阻礙作用超過了磁化電流的作用。
　容值為680 μF時，出口速度開始明顯變小的電壓值提前至360 V。在600 V時比480 V的出口速度略有回升，同樣的現(xiàn)象發(fā)生在1 020 μF的容值下。
　容值為1 360 μF時，出口速度開始下降的電壓值為480 V，電壓增至600 V時，出口速度明顯降低。容值為1 700 μF，出口速度處于遞增狀態(tài)。
　電壓固定在100 V~600 V的范圍內(nèi)時,出口速度隨容值的增加而增加。但是電壓在480 V時,除了1 360μF、1 700μF的電容器對應(yīng)的出口速度比360 V快外,其余均由于反向渦流的影響，出口速度要低于360 V對應(yīng)的出口速度。電壓到600 V時，雖然容值在增加但是出口速度增幅基本不明顯。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中看出,在電壓為480 V,電容為1 700 μF時,出口速度達(dá)到了最大值。
　本文在磁阻驅(qū)動器理論分析的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件仿真(忽略渦流影響)，得到彈丸出口速度在固定電容、變化電壓或者固定電壓、變化電容的情況下，彈丸出口速度呈現(xiàn)升高的變化規(guī)律。也就是說高的電壓與電容能夠獲得最大的發(fā)射速度和發(fā)射效率。但是通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，由于鐵磁性彈丸的導(dǎo)電性，在電壓與容值都升高的情況下反向渦流的阻礙作用明顯，導(dǎo)致速度降低。
    下一步的研究工作為：通過理論研究，分析及改善反向渦流影響并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)實(shí)際彈丸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，以提高發(fā)射效率和出口速度。
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