基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统

本发明涉及基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，属于高射速武器点火发射和无线电能传输。

背景技术：

1、随着各国武器技术的不断升级迭代，导弹的飞行速度不断攀升，无人机的集群与协同技术愈加成熟，重要目标的近程防御面临极大的挑战。目前理论分析认为：要拦截2.5马赫以上速度的导弹，高射速武器的射速应达到8000～10000发/分。对于拦截飞行速度更高的武器，对高射速武器的射速以及弹幕密集程度都提出了更高的要求。1996年澳大利亚的迈克奥维尔(mike odwyer)提出一种新型的发射方式“金属风暴”，其采用串联装药的结构与电子点火的击发方式，极大提高了武器射速。该技术的核心为：在单个身管中预置多个首尾相接的弹丸，采用电子击发装置顺序击发，且一般使用时为多管联装。由于金属风暴发射时不需完成开锁、后坐、退壳、复进、进弹、闭锁、击发等一系列机械动作，极大缩短了发射时间，可实现超高频率射击。采用这种技术的高射速机炮很适合作为保护机场、大型舰船等重要设施的近程防空武器，可以实现对高机动武器、无人机集群、装甲集群等目标的有效打击，对于近程防空、集群目标打击、区域封锁等都具有重要意义。

2、高射速武器的关键技术是高射速串联发射技术。该项技术还存在很多亟需解决的问题，其中之一就是电点火技术。常规的电点火技术是通过导线连接外界电源或内置充电电容供能，这两种方式都需要导线与弹丸进行直接接触，对身管的结构进行改造，而且点火触点容易被污染，降低点火的可靠性。另外由于高射速武器内部存在复杂金属环境，导致无线能量传输过程中损耗、干扰严重，传输效率极低，无法满足高射速武器的感应点火需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，通过线圈间的磁场感应耦合实现初次级线圈间的能量传递，接收线圈连接拓扑电路，拓扑电路再将能量传递给火工品，最后火工品引燃发射药实现能量传递，完成整个点火过程。

2、本发明的技术解决方案是：

3、基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，该点火系统为筒状结构，由内向外依次为接收线圈骨架4、接收线圈6、内身管8、外屏蔽层9和外身管10；

4、发射线圈7镶嵌在内身管8内部。

5、所述高射速武器采用定制化弹药进行串联叠装结构设计，该种弹药依靠弹托进行定位，同时借助止退环实现对火药燃气的密闭，以保证击发，在实际装填中对止退环施加一定的预紧力，使其内表面紧贴弹托表面。其工作原理是在发射过程中通过自锁以保证弹丸的位置与整体的气密性；高射速武器发射端电源输入电路选用全桥逆变电路，采用脉宽控制进行调节逆变器输出等效电压，以mos管作为开关管，高射速武器接收端能量输出的整流电路采用肖特基二极管作为开关管，基于上述设计进行场路耦合电路仿真，验证系统效果；

6、所述无线点火系统中的接收线圈6通过拓扑电路将能量传输给高射速武器的火工品，将火工品点燃，激发弹丸；接收线圈6连接拓扑电路，拓扑电路再将能量传递给新型火工品，最后新型火工品引燃发射药实现能量传递，完成整个点火过程；

7、所述内身管8的材质为氧化铝陶瓷；

8、所述外身管10的材质为钛合金；将初级发射线圈7直接嵌入氧化铝陶瓷中，陶瓷外侧采用钛合金身管进行预紧以增强身管可靠性；

9、所述外屏蔽层9的材质为铝金属薄层；

10、所述接收线圈骨架4的材质为铁氧体，还能够起到内屏蔽层的作用；

11、所述拓扑电路采用s-s拓扑作为谐振补偿电路；

12、所述无线点火系统的传输效率模型为：

13、

14、所述无线点火系统的接收端负载电压增益模型为：

15、

16、其中，x2为接收线圈的电抗，k为耦合系数；

17、因为负载为纯阻性，电压增益与负载功率正相关，采用电压增益表征功率变化；

18、接收线圈6为单层线圈，节距p＝1.33mm，线圈半径r＝0.5mm，线圈匝数n2＝11，线圈材料为铜质利兹线；

19、发射线圈7为单层线圈，节距p＝1.33mm，线圈半径r＝0.5mm，线圈匝数n1＝10；线圈材料为铜质利兹线；

20、接收线圈6与发射线圈7之间的线圈间距离d＝4mm。

21、有益效果

22、(1)本发明中的串联叠装结构设计能够实现弹药的有效定位和对火药燃气的密闭，以保证击发，止退环产生的沿径向向内的力还会防止弹托与弹芯异位。

23、(2)本发明中的点火系统结构设计将线圈及拓扑电路放置在弹丸后部，避免了弹丸前部存在较多金属以及前部因承受前一发弹丸火药燃气向后的压力而容易产生轻微形变的影响。

24、(3)本发明使用强度高的氧化铝陶瓷与钛合金相结合的方案作为身管材料，将初级发射线圈直接嵌入氧化铝陶瓷中，陶瓷外侧采用钛合金身管进行预紧以增强身管可靠性，能够实现线圈之间能量的有效传输。克服了无论高磁导率、低电导率的材质还是单纯高电导率的材质在一定厚度时都会对两侧线圈间的能量传递造成影响，导致能量传输效率极低的问题。

25、(4)本发明以铁氧体为接收线圈骨架材料和内层屏蔽材料，铝作为外层屏蔽材料。此方案能够使磁场被很好的限制在了内外层材料之间，达到了很好的屏蔽效果，并且外层屏蔽采用金属薄层，避免影响整体强度。

26、(5)本发明选取s-s拓扑作为谐振补偿电路，该拓扑电路对于电路中的寄生参数并不敏感，元器件参数易于计算，适用于小口径高射速武器的点火系统。经过场路耦合电路验证，系统的感应点火时间满足要求。

27、(6)本发明针对实例设计的线圈结构参数，其理论传输效率η＝73.4％，电压增益k＝1.38，能很好地满足应用需求。

28、(7)本发明的一种基于电磁感应耦合的高射速武器，包括串联叠装结构设计、点火系统结构设计、身管材料和磁屏蔽设计、线圈设计、场路耦合仿真电路设计。本发明主要针对高射速武器串联发射技术，根据高射速武器的特性要求和结构限制进行针对性设计，弥补了常规电点火技术存在的触点易污染、接触不良等缺点，克服金属环境对能量传输损耗过大问题，显著提高了无线能量传输效率，提高了点火系统的可靠性和高射速武器的作战效能。

技术特征：

1.基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，其特征在于：

技术总结
本发明涉及基于电磁感应耦合的高射速武器无线点火系统，属于高射速武器点火发射和无线电能传输技术领域。本发明主要针对高射速武器串联发射技术，根据高射速武器的特性要求和结构限制进行针对性设计，弥补了常规电点火技术存在的触点易污染、接触不良等缺点，克服金属环境对能量传输损耗过大问题，显著提高了无线能量传输效率，提高了点火系统的可靠性和高射速武器的作战效能。

技术研发人员：申强,王小康,严泽旭
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6