多级脉冲式电磁加速推进器

2018-11-30符津

中国科技教育 2018年4期

符津

研究背景

目前，电磁加速器多为单级加速器，单级弹射，能量利用率较低，导致最终获取的动能相对较小。因此，为了提高能量利用率，获得更大的动能、更快的速度，我设计了这款多级脉冲式电磁加速推进器。设计灵感来源于粒子加速器的启示，由多级加速电场对电子进行加速的原理获得多级加速。

研究思路与设计

研究思路

单级电磁加速器结构制作比较簡易，只需要一个充电开关与放电开关即可完成一次电磁脉冲产生磁场，然后对物体产生一定拉力，电路比较简单。但想追求更高动能，还要用多级加速。多级电磁加速器相对于单级加速器更为复杂，最困难的是同步率问题，即如何让弹体通过线圈时刚好处于加速区间。经过查询资料，响应开关我选择了单向可控硅。光电门的响应时间极快，可以忽略不计，可控硅的响应时间最快为10μs，因此我选择了光电门和可控硅作为检测模块和开关，这样可以大大缩短导轨的长度。

多级电磁加速器工作原理

多级电磁加速器由环绕于加速轨道的一系列固定的加速线圈构成，它利用加速线圈产生的电磁力作为弹丸的加速力。当给加速线圈突然加上强电流时，加速线圈相当于一个磁场瞬间出现而又立即消失的强电磁铁，将弹丸吸引到加速线圈中间，利用加速的那一瞬间产生的巨大惯性使弹丸继续前进，弹丸加速时依次给加速线圈供电，于是产生沿轨道运动的磁场，产生连续的加速力，从而使被加速物体持续进行加速运动。

我利用计算机软件进行了多次模拟发射计算并且取最优，通过阶梯细化的方法，得出了两级之间最佳加速距离分别为20mm、33mm、47mm、59mm、68mm、76mm、82mm、88mm和92mm。随着级数的增加，提升率逐渐减小，当级数达到一定时，速度增加量可能为0（峰值速度），因此多级加速器的最终速度存在峰值。

制作与调试

制作过程

◇加速线圈的绕制。我选择了一个恰好适合的骨架，在骨架上往同一方向绕制，每层26～30匝，共绕6层，一共156～180匝，每层均用502胶水进行固定。

加速轨道与线圈固定。由于亚克力管的长度和固定问题，无法按照光电门与线圈中心的每一级最佳距离进行固定。经过计算结果得知，本次制作的加速轨道对弹体的加速结果最终约为70m/s，

光电门的测试。往亚克力管内伸入1根直径为5mm的碳棒，遮挡光电门，通过发光二极管是否点亮判断是否有信号输出，发光二极管依次正常点亮，光电门正常工作。加速轨道部分制作完成。

储能部分的制作。将电容通过纤维胶带固定成一排，用导线将电容的负极全部并联起来，再用整流二极管6A10串联到每一个电容的正极上，然后通过导线将正极全部并联。由于受到整流二极管的限制，因此能同时给予9个电容充电，但不能同时进行放电，放电只能单节进行，1个电容只给1个加速线圈放电。

将储能部分和加速轨道部分连接。首先将9个可控硅的k引脚并联共地，再将9个光电门并联共地，电容也是共地。

将可控硅的G引脚和光电门的信号发射端相连接。当光电门给可控硅输入约为1.5V的导通电压时K与A导通，接下来将线圈的一段与电容连接，另一段与可控硅的A引脚连接，然后将控制第一级的可控硅G引脚串上1个用于压降的电阻，再串联1个非自锁开关，用于手动驱动第1级加速线圈。总体部分至此基本完成（见图1）。

测试阶段

首次发射工作正常，电容剩余电压均为20～22V，为可控硅的截止电压。再次试射时部分电容电压未得到释放，工作异常。用万用表检测发现可控硅已经损坏。分析表明，加速线圈同时又是一个大负载电感，在电流急剧减小时会产生反向电动势，此反向电动势可能将单向可控硅烧毁。经过查询，我选择了反向耐压值高达1000V快恢复二极管，以吸收大负载电感产生的反向电动势。

我将fr607以反向电压的方向，反向并入加速线圈中，同时更换了新的可控硅。最终作品如图2所示。经多次试射，工作正常，电容剩余电压均为20～22V。

经测试，第1级至第9级推进分别获得速度为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。

结论

触发电流不变时，每级加速线圈匝数增加，磁场变大，最终弹体速度变大。

每级加速线圈匝数不变，触发电流增大，磁场随之变大，最终弹体速度增大。

随着级数增加，弹体经过每级速度增加量逐级减小。相对于单级电磁推进器达到相同速度，所需的触发电流更小，同时证明多级电磁推进器能量利用率更高。

亚克力管在多次实验之后，没有被弹体刮花。说明弹体处于磁悬浮状态，阻力小。

创新点

多级脉冲式加速。

光电门可控硅开关系统。

能量利用率提高，速度更快。

所需电流相对较小，使用线径相对单级加速器更细。