多級脈沖式電磁加速推進器

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，我設計了這款多級脈沖式電磁加速推進器。設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行加速的原理獲得多級加速。

研究思路與設計

研究思路

單級電磁加速器結構制作比較簡易，只需要一個充電開關與放電開關即可完成一次電磁脈沖產生磁場，然后對物體產生一定拉力，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間。經過查詢資料，響應開關我選擇了單向可控硅。光電門的響應時間極快，可以忽略不計，可控硅的響應時間最快為10μs，因此我選擇了光電門和可控硅作為檢測模塊和開關，這樣可以大大縮短導軌的長度。

多級電磁加速器工作原理

多級電磁加速器由環繞于加速軌道的一系列固定的加速線圈構成，它利用加速線圈產生的電磁力作為彈丸的加速力。當給加速線圈突然加上強電流時，加速線圈相當于一個磁場瞬間出現而又立即消失的強電磁鐵，將彈丸吸引到加速線圈中間，利用加速的那一瞬間產生的巨大慣性使彈丸繼續前進，彈丸加速時依次給加速線圈供電，于是產生沿軌道運動的磁場，產生連續的加速力，從而使被加速物體持續進行加速運動。

我利用計算機軟件進行了多次模擬發射計算并且取最優，通過階梯細化的方法，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。隨著級數的增加，提升率逐漸減小，當級數達到一定時，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行固定。經過計算結果得知，本次制作的加速軌道對彈體的加速結果最終約為70m/s，

光電門的測試。往亞克力管內伸入1根直徑為5mm的碳棒，遮擋光電門，通過發光二極管是否點亮判斷是否有信號輸出，發光二極管依次正常點亮，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，用導線將電容的負極全部并聯起來，再用整流二極管6A10串聯到每一個電容的正極上，然后通過導線將正極全部并聯。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，但不能同時進行放電，放電只能單節進行，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引腳并聯共地，再將9個光電門并聯共地，電容也是共地。

將可控硅的G引腳和光電門的信號發射端相連接。當光電門給可控硅輸入約為1.5V的導通電壓時K與A導通，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1個非自鎖開關，用于手動驅動第1級加速線圈。總體部分至此基本完成（見圖1）。

測試階段

首次發射工作正常，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。用萬用表檢測發現可控硅已經損壞。分析表明，加速線圈同時又是一個大負載電感，在電流急劇減小時會產生反向電動勢，此反向電動勢可能將單向可控硅燒毀。經過查詢，我選擇了反向耐壓值高達1000V快恢復二極管，以吸收大負載電感產生的反向電動勢。

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。經多次試射，工作正常，電容剩余電壓均為20～22V。

經測試，第1級至第9級推進分別獲得速度為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。

結論

觸發電流不變時，每級加速線圈匝數增加，磁場變大，最終彈體速度變大。

每級加速線圈匝數不變，觸發電流增大，磁場隨之變大，最終彈體速度增大。

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

亞克力管在多次實驗之后，沒有被彈體刮花。說明彈體處于磁懸浮狀態，阻力小。

創新點

多級脈沖式加速。

光電門可控硅開關系統。

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。

磁懸浮推進，摩擦力小。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

選題符合客觀科學規律，運用所學知識開展研究，開發了3代樣機，實物演示達到了預期目的。在單級電磁加速器的基礎上，設計并制作了多級電磁加速器，通過理論分析、軟件仿真計算優化電磁加速器結構。目前只是子彈的直線運動，若能像炮彈一樣，改變子彈的外形，也能有一定的旋轉運動，射程和威力將會大大提高。