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线圈式电磁枪弹丸的自旋稳定

实验发现,普通弹丸在不带自旋的情况下发射,会在空中翻滚。
20121005_093213_373-vi.jpg 翻滚导致弹丸横着着靶

翻滚会增加空气阻力,降低精度和穿透力。为了避免这些不利影响,通常的做法有:使用球形弹丸,使用气动稳定的弹丸(比如某些内螺纹圆柱销),以及使用自旋稳定的弹丸。其中,自旋稳定是,通过高速旋转产生陀螺效应,稳定弹丸,使弹丸始终指向其前进方向。

相比于气动稳定,自旋稳定的好处主要在于阻力小,稳定性好以及弹丸成本低。比如普通圆柱销或者方键,其价格按重量算基本等于钢材的价格。而气动稳定的内螺纹圆柱销,价格则是钢材价格的数倍。使用尾翼的气动稳定同样有较高的加工和装配成本。

自旋稳定对于转速的要求,比通常所认为的要高得多
比如曾有人尝试,使用标称5000rpm的电机对4mm*35mm的圆柱形弹丸进行预旋。不过并没有成功稳定弹丸:https://kechuang.org/t/80288
也有人尝试在弹丸上斜向开槽,使弹丸在气流的作用下产生旋转。不过同样没有成功稳定弹丸:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/p/5095683672(另外,貌似独头霰弹也并不是靠气流使弹丸旋转来稳定弹丸,而是使用了气动稳定)

关于究竟多大的转速可以使弹丸稳定,有一些经验公式可以参考。比如Miller twist rule,或者Greenhill's Rule。这两个公式本身是用来计算膛线的缠距的,不过也可以通过计算结果推导出弹丸转速。Miller twist rule的资料如下

attachment icon Miller twist rule.pdf 141.40KB PDF 247次下载 预览
将Miller twist rule中的参数转换为公制单位,同时考虑到公式对速度的修正,以及转速与缠距和出速的关系,可以得到,对于音速以下的弹丸有如下公式
$$ n=0.423v\sqrt{\frac{sdl(1+l^2)}{m}} $$
对于音速以上有
$$ n=1.12v^{5/6}\sqrt{\frac{sdl(1+l^2)}{m}} $$其中
n为转速,转/秒
v为弹丸出速,米/秒
s为稳定系数,无量纲,一般认为s=1以下不稳定,通常取s=2
d弹丸直径,毫米
l弹丸长径比,无量纲
m弹丸重量,克

上述公式对于艇尾型弹头精度较高,对于平底型弹头(平底尖头)计算结果可能偏高。对于平头平底的圆柱形弹丸,目前还不知道会偏高还是偏低。

按上述公式计算出来的结果往往比一般认为的大得多,比如上面提到过的4*35mm定位销,按出速70m/s,稳定系数2算,需要1183r/s的转速(7.1万rpm)

值得注意的是,尽管自旋稳定所需的转速极高,但是转动的动能其实很小。依然以4*35mm铁质定位销为例,在7.1万rpm的转速下,其转动动能仅为0.75J。对于长径比更小的弹丸,自旋稳定所需的转速会更小,转动动能也会明显更小。因此,我们完全可以接受以百分之一甚至千分之一量级的效率使弹丸转动。


自旋稳定的实现方法

在传统的火药枪或者气枪中,自旋稳定是通过膛线实现的。然而对于线圈式电磁枪,由于加速力较小,且发射的弹丸材质相对较硬,常见的膛线阻力过大难以使用。如果有加工条件,也许可以考虑多边形膛线,比如用带旋转的内六角型枪管发射六角形弹丸。
PrincessRoyalGunFront.jpg 六角形膛线的火炮

也可以用电机带动弹丸。淘宝上有较多7万rpm以下的小尺寸高速电机,目前还没发现过10万rpm以上的电机。如果能达到其标称的转速,实际上就能满足多数情况下的需要。考虑到将弹丸旋转至合适的速度并不需要工作很长时间,也许可以适当的让电机超压工作。最大的困难可能在于高速旋转时的震动。个人感觉相应的机械结构设计起来可能会比较困难。

还可以考虑用旋转磁场直接驱动弹丸。
对于同轴感应式,可以参考异步电机的方式,对弹丸进行预旋或者在发射的过程中旋转弹丸。有一些相关文献可供参考

attachment icon 多极矩电磁发射技术研究进展.pdf 3.29MB PDF 425次下载 预览

attachment icon Gyroscopic Stabilization of Launch Package in Induction Type Coilgun.pdf 163.74KB PDF 183次下载 预览
对于磁阻式,可能也可以参考异步电机来旋转弹丸。另外,也可以参考反应式步进电机,用同步的磁场驱动弹丸,不过这要求弹丸不能是圆柱或者圆管。现有的标准件中,可以考虑用方键。
image.png 方键


[修改于 4 年前 - 2018-02-11 12:37:50]

21
虎哥
4年5个月前
1楼
综合比较一下,似乎有尾翼弹是最经济的,但是尾翼又导致电磁特性的变化。看来需要设计一种奇技淫巧的弹丸,不用旋转或只需低速旋转,又能保持一定的气动稳定。
zx-16533
4年5个月前
2楼

引用 三水合番:
多极矩电磁发射技术研究进展.pdf3.29M
这个和我之前的yy(https://kechuang.org/t/71057)有点类似,原来早就已经有了。。
这个是直接用加速线圈产生扭转的磁场,也更容易实现。
引用 虎哥:
也许可以使用非金属材料的尾翼?
三水合番作者
4年5个月前
3楼
引用 虎哥:
成本这个感觉现在还不太好比较。毕竟,还没有看到过实现自旋稳定的,具体实现起来成本有多高还不知道……目前来看,气动稳定最便宜的方案是用“内螺纹圆柱销”,直接用标准件作弹丸就行,大概几毛钱一个。淘宝上看,内螺纹圆柱销每个价格要比普通的圆柱销贵个一两毛钱。几百上千发的发射的话,仅从物料成本上看,自旋稳定讲道理应该还是有些优势的……
引用 radio:
也许可以使用非金属材料的尾翼?
有人用过3D打印的尾翼,说是可以稳定 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/p/5511755881
power_rdx
4年5个月前
4楼
引用 虎哥:
圆柱弹头后面接一段同等粗细的纸管即可,这是最古老但又行之有效的窜天猴稳定方案
虎哥
4年5个月前
5楼
引用 三水合番:
贴吧上这位的工艺做得不错。
当然这个不能仅看物料成本,如果想在炮上就让弹丸旋转起来,要么能量损失较大(不能光看转动动能),要么结构复杂(比如几万转的电机和传动),说起来都是武器设计的大忌。现在大家都在探索各种可能性,其实也可以来个各种方案的理论和效益计算,看看谁在目前知识条件下最好,然后深耕这一种。
zx-16533
4年5个月前
6楼
引用 三水合番:
感觉这个内螺纹圆柱销后面套个螺纹型号一致的尼龙螺柱效果会更好一点。。
三水合番作者
4年5个月前
7楼
引用 radio:
记得螺纹型号一致的六角尼龙螺柱更粗……(貌似螺纹一样的螺丝,头也比圆柱销粗)
zx-16533
4年5个月前 修改于 4年5个月前
8楼
引用 三水合番:
刚才找了个M3的来量了下,确实是这样。。
M3的尼龙六角螺柱比M3的铜六角螺柱粗,和M3的螺母大小一样。。
也许可以弄成这样: IMG_20180213_134004.jpg
不过要把铜螺柱换成钢的
飘羽拂尘
3年11个月前 修改于 3年11个月前
9楼

如果弹丸进炮管的时候就已经有旋转初速了呢(比如炮管也旋转起来),炮管只负责直线加速,是否膛线什么的都可以不需要了。弹丸应该会又快又稳,大家觉得我这个想法怎么样

wbh23333
3年10个月前
10楼

@飘羽拂尘进入炮管后与壁管摩擦损耗太大了


zyperfect
3年10个月前
11楼

个人更倾向于使用尾翼稳定类型的弹丸,现成的话有种鱼镖就很像,只要稍加改造应该能使用。

1536664578754.jpg

御坂14500
1年10个月前
12楼
引用zyperfect发表于11楼的内容
个人更倾向于使用尾翼稳定类型的弹丸,现成的话有种鱼镖就很像,只要稍加改造应该能使用。

这种折叠结构一般会比较复杂,电磁特征会变化


航模发烧友
1年10个月前
13楼

感觉可以参考脱壳穿甲弹,包裹一个电磁特性好的材料,里面装一只尾翼稳定穿甲弹心,出膛后抛掉外壳就好,这样还不用考虑穿甲硬度和 电磁性质 和 什么旋转不旋转的。

我说要有光
1年10个月前
14楼

用电动机先给转起来不就完了

黑体辐射
1年10个月前
15楼

我先试一下异步电机原理能把弹药加速到多少转。


IMG_20200818_164622.jpg IMG_20200818_182253.jpg

三水合番作者
1年10个月前
16楼
引用黑体辐射发表于15楼的内容
我先试一下异步电机原理能把弹药加速到多少转。

这口径似乎相当大,恐怕真能叫电磁“炮”了😂

可以试试加个定子铁芯聚焦磁场,把内径缩到更常见的6-8mm这种级别。


黑体辐射
1年10个月前
17楼
引用三水合番发表于16楼的内容
这口径似乎相当大,恐怕真能叫电磁“炮”了😂可以试试加个定子铁芯聚焦磁场,把内径缩到更常见的6-8m...

快好了😘

wx_camera_1597938595804.jpg


2SC1970
3个月4天前
18楼

也许可以考虑用散热风扇改成电磁自旋?

虎哥
3个月4天前
19楼
引用黑体辐射发表于17楼的内容
快好了😘

这么牛逼的设计,效果怎么样,旋转磁场真的让弹丸转起来了吗?

黑体辐射
1个月26天前
20楼
引用虎哥发表于19楼的内容
这么牛逼的设计,效果怎么样,旋转磁场真的让弹丸转起来了吗?

没有后续了,顺带学习了同步电机和异步电机的原理,这个弹丸旋转用异步电机原理旋转可以实现,同步电机方案不好做速度快了容易失步。


黑体辐射
1个月26天前
21楼
引用虎哥发表于19楼的内容
这么牛逼的设计,效果怎么样,旋转磁场真的让弹丸转起来了吗?

失败以后改成磁力搅拌器了。同步电机速度不能过快。

petal_20220509_125753.mp4 点击下载

国外有用霍尔电机做的旋转弹丸的。具体电路如下,转速可以达到2百万转每分钟。

mmexport1652072199783.png

视频:

mmexport1652072608593.mp4 点击下载


三水合番
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