多級脈沖式電磁加速推進(jìn)器

符津

研究背景

目前，電磁加速器多為單級加速器，單級彈射，能量利用率較低，導(dǎo)致最終獲取的動能相對較小。因此，為了提高能量利用率，獲得更大的動能、更快的速度，我設(shè)計了這款多級脈沖式電磁加速推進(jìn)器。設(shè)計靈感來源于粒子加速器的啟示，由多級加速電場對電子進(jìn)行加速的原理獲得多級加速。

研究思路與設(shè)計

研究思路

單級電磁加速器結(jié)構(gòu)制作比較簡易，只需要一個充電開關(guān)與放電開關(guān)即可完成一次電磁脈沖產(chǎn)生磁場，然后對物體產(chǎn)生一定拉力，電路比較簡單。但想追求更高動能，還要用多級加速。多級電磁加速器相對于單級加速器更為復(fù)雜，最困難的是同步率問題，即如何讓彈體通過線圈時剛好處于加速區(qū)間。經(jīng)過查詢資料，響應(yīng)開關(guān)我選擇了單向可控硅。光電門的響應(yīng)時間極快，可以忽略不計，可控硅的響應(yīng)時間最快為10μs，因此我選擇了光電門和可控硅作為檢測模塊和開關(guān)，這樣可以大大縮短導(dǎo)軌的長度。

多級電磁加速器工作原理

多級電磁加速器由環(huán)繞于加速軌道的一系列固定的加速線圈構(gòu)成，它利用加速線圈產(chǎn)生的電磁力作為彈丸的加速力。當(dāng)給加速線圈突然加上強(qiáng)電流時，加速線圈相當(dāng)于一個磁場瞬間出現(xiàn)而又立即消失的強(qiáng)電磁鐵，將彈丸吸引到加速線圈中間，利用加速的那一瞬間產(chǎn)生的巨大慣性使彈丸繼續(xù)前進(jìn)，彈丸加速時依次給加速線圈供電，于是產(chǎn)生沿軌道運(yùn)動的磁場，產(chǎn)生連續(xù)的加速力，從而使被加速物體持續(xù)進(jìn)行加速運(yùn)動。

我利用計算機(jī)軟件進(jìn)行了多次模擬發(fā)射計算并且取最優(yōu)，通過階梯細(xì)化的方法，得出了兩級之間最佳加速距離分別為20mm、33mm、47mm、59mm、68mm、76mm、82mm、88mm和92mm。隨著級數(shù)的增加，提升率逐漸減小，當(dāng)級數(shù)達(dá)到一定時，速度增加量可能為0（峰值速度），因此多級加速器的最終速度存在峰值。

制作與調(diào)試

制作過程

◇加速線圈的繞制。我選擇了一個恰好適合的骨架，在骨架上往同一方向繞制，每層26～30匝，共繞6層，一共156～180匝，每層均用502膠水進(jìn)行固定。

加速軌道與線圈固定。由于亞克力管的長度和固定問題，無法按照光電門與線圈中心的每一級最佳距離進(jìn)行固定。經(jīng)過計算結(jié)果得知，本次制作的加速軌道對彈體的加速結(jié)果最終約為70m/s，

光電門的測試。往亞克力管內(nèi)伸入1根直徑為5mm的碳棒，遮擋光電門，通過發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮判斷是否有信號輸出，發(fā)光二極管依次正常點(diǎn)亮，光電門正常工作。加速軌道部分制作完成。

儲能部分的制作。將電容通過纖維膠帶固定成一排，用導(dǎo)線將電容的負(fù)極全部并聯(lián)起來，再用整流二極管6A10串聯(lián)到每一個電容的正極上，然后通過導(dǎo)線將正極全部并聯(lián)。由于受到整流二極管的限制，因此能同時給予9個電容充電，但不能同時進(jìn)行放電，放電只能單節(jié)進(jìn)行，1個電容只給1個加速線圈放電。

將儲能部分和加速軌道部分連接。首先將9個可控硅的k引腳并聯(lián)共地，再將9個光電門并聯(lián)共地，電容也是共地。

將可控硅的G引腳和光電門的信號發(fā)射端相連接。當(dāng)光電門給可控硅輸入約為1.5V的導(dǎo)通電壓時K與A導(dǎo)通，接下來將線圈的一段與電容連接，另一段與可控硅的A引腳連接，然后將控制第一級的可控硅G引腳串上1個用于壓降的電阻，再串聯(lián)1個非自鎖開關(guān)，用于手動驅(qū)動第1級加速線圈?？傮w部分至此基本完成（見圖1）。

測試階段

首次發(fā)射工作正常，電容剩余電壓均為20～22V，為可控硅的截止電壓。再次試射時部分電容電壓未得到釋放，工作異常。用萬用表檢測發(fā)現(xiàn)可控硅已經(jīng)損壞。分析表明，加速線圈同時又是一個大負(fù)載電感，在電流急劇減小時會產(chǎn)生反向電動勢，此反向電動勢可能將單向可控硅燒毀。經(jīng)過查詢，我選擇了反向耐壓值高達(dá)1000V快恢復(fù)二極管，以吸收大負(fù)載電感產(chǎn)生的反向電動勢。

我將fr607以反向電壓的方向，反向并入加速線圈中，同時更換了新的可控硅。最終作品如圖2所示。經(jīng)多次試射，工作正常，電容剩余電壓均為20～22V。

經(jīng)測試，第1級至第9級推進(jìn)分別獲得速度為18.3m/s、40.38m/s、44.25m/s、46.88m/s、50.33m/s、54.86m/s、60.26m/s、66.2m/s和72.41 m/s。

結(jié)論

觸發(fā)電流不變時，每級加速線圈匝數(shù)增加，磁場變大，最終彈體速度變大。

每級加速線圈匝數(shù)不變，觸發(fā)電流增大，磁場隨之變大，最終彈體速度增大。

隨著級數(shù)增加，彈體經(jīng)過每級速度增加量逐級減小。相對于單級電磁推進(jìn)器達(dá)到相同速度，所需的觸發(fā)電流更小，同時證明多級電磁推進(jìn)器能量利用率更高。

亞克力管在多次實(shí)驗(yàn)之后，沒有被彈體刮花。說明彈體處于磁懸浮狀態(tài)，阻力小。

創(chuàng)新點(diǎn)

多級脈沖式加速。

光電門可控硅開關(guān)系統(tǒng)。

能量利用率提高，速度更快。

所需電流相對較小，使用線徑相對單級加速器更細(xì)。

磁懸浮推進(jìn)，摩擦力小。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學(xué)組工程學(xué)一等獎。

專家評語

選題符合客觀科學(xué)規(guī)律，運(yùn)用所學(xué)知識開展研究，開發(fā)了3代樣機(jī)，實(shí)物演示達(dá)到了預(yù)期目的。在單級電磁加速器的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制作了多級電磁加速器，通過理論分析、軟件仿真計算優(yōu)化電磁加速器結(jié)構(gòu)。目前只是子彈的直線運(yùn)動，若能像炮彈一樣，改變子彈的外形，也能有一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，射程和威力將會大大提高。