[讨论]再谈脉冲波形与效率
kuanglong72007/01/13电磁炮 IP:青海

在此,我只重点讨论如何提高感应发射的效率,对于感应式发射的原理及具体计算不再重复。
一:脉冲波形
现今我们全是采用电容驱动发射线圈,电容对发射线圈的放电如不加控制,其线圈中的磁通波形如(图1)上升段很快但下降段拖的很长。对于感应发射来说,其上升段才是产生动力的关键,而下降段反倒会产生“反拉”。所以为了提高效率我们尽可能截去这条“尾巴”,为了便于分析我们暂且把它看成一个锯齿波。下面我们具体分析一下感应发射过程中线圈磁场,射弹感应磁场,射弹的受力和它们之间相对位置。发射之初射弹在A点(图2),当线圈接通电容后,线圈中的磁通近似以线性升高,在射弹上感应出一个方向相反大小恒定的磁场,但此时线圈中的磁场强度不高,射弹所受推力不大,由于慣性和磨擦力作用,射弹仍在A点不动,此时射弹所受推力也为线性升高(如图3的A段);当线圈磁场继续上升到一定强度,使射弹所受推力大于磨擦力时,射弹开始运动加速,随着射弹远离线圈,穿过射弹的磁通上升率开始减小(请注意:是磁通的上升率减小,不是磁通减小,磁通还是在上升),射弹中的感应磁场方向不变但场强减小,再加上线圈和射弹间的距离增大,射弹所受推力呈现急速下降(如图3的B段);当射弹飞离线圈一定距离后,虽然线圈磁场继续升高,但穿过射弹的磁通无法增加了,则射弹中感应磁场为零,射弹不再受到线圈的推力,速度也达到最大值,此时也是线圈电流的最佳起始关断点,再升高或维持大电流会严重影响效率;当线圈磁场开始下降时,再叠加射弹飞离线圈的效力,射弹中的磁通开始减小,其感应磁场反向,射弹受到线圈的拉力出现反拉,使其减速,直至线圈磁场降为零,射弹不再受到线圈的任何力作用,反拉效果结束(如图3的C段),此时才是最终射速。从以上分析我们不难得出结论:想提高感应发射的率效,首先激发脉冲要有足够高的上升率,在射弹中感应出高磁场使之尽快克服阻力开始运动(压缩A段),因为此阶段中电流没做功。其次脉冲上升沿要足够长,以便射弹获得更多动能并且在出现反拉前尽可能使之远离线圈(延伸B段),此阶段中电流才是做“正功”。最后脉冲下降沿要尽可能短,虽然磁通骤降会在射弹上感应出更大的反向磁场,但此时增加的热损和铜损是削弱反拉提高效率的(损耗提高效率很少见),再加缩短了反拉时间,此时射弹也远离线圈,反拉力所做的功大大减小(压缩C段),此阶段中电流是做“负功”,再者截下这条尾巴(超过50%的电量)用于下次发射,一下子就把理论效率提高了一倍。其实“汤姆斯的飞碟”就证实了这点,在他的实验中似乎没有控制脉冲波形。所以在低电量实验时,脉冲上升段短,出现反拉时铝碟离线圈近,反拉作用力大,能量利用率低;高电量实验时,脉冲上升段长,出现反拉时铝碟离线圈远,反拉作用力小,能量利用率高。这就造成了能量提高一倍,铝碟射高增加4.3倍的实验结果。但是总体说来他的研究方向没错,以高电压大电流向小匝数线圈放电,以压缩脉冲,提高效率。
二:射弹的选择
射弹的材质当然是电阻率越小越好(超导体就别想了),而形状也很重要,由于“积肤效应”射弹中的感应电流主要集中在边缘,中间部分的“电流/质量比”并不高,所以我选用铜环或空心铜柱体,提高“电流/质量比”,材料也易得。




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来自:物理高能技术 / 电磁炮
7
 
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~~空空如也
goldcyd
17年6个月前 IP:未同步
15757

首先,感应式电流太大,业余条件下几乎无法用半导体材料控制关断(可以尝试在电流过零时,在几千分之一秒内断开回路中串联的超高速大电流继电器,估计是个天价)。

通过实验,实际中如用cbb电容向大约十匝左右直径1厘米的线圈放电(不论加不加负载),大约5个正弦波周期衰减到零。

按你所述,应是电容携带能量比较高,在第一个电流周期的四分之一上升期内,弹丸就飞出了线圈。那么这种情况应是,电容的电场能在第一个电流上升的四分之一周期内变成线圈磁能和弹丸的磁能,以及弹丸飞出时携带的动能,在四分之一的电流顶点,线圈和弹丸的磁场储能达到最大,这时的推力如果在很近的距离应是最大(如果弹丸已飞出很远,也不一定)。接着电流开始下降,这时线圈的磁场能转为电场能回送到电容,如果弹丸离线圈很近,则弹丸携带的磁场能有一部分也将通过耦合回送到电容,此时电容电压反向,当走到二分之一周期时线圈电流为零磁推力降到最弱。但这时弹丸因不是紧密耦合,所以弹丸上应有残余的磁能,在四分之三周期时,电流反向重新建立反向线圈磁场,在这个过程弹丸受很微小的拉力(因线圈电流至少下降一倍,且弹丸磁场比最高时下降接近一倍,同时两者之间的距离很远,磁力随着空间距离的三次方递减),再向后线圈能量在四五次自由震荡中消耗尽,弹丸磁场能量也将线形衰减到零。

我建议,匹配好电容和电感的数值,包括电容上所储的能量。让前两个自由震荡结束后弹丸刚好飞离线圈可能效率会高一些。

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kuanglong7作者
17年6个月前 IP:未同步
15758

我的意思是不能让电容和电感自由震荡,如此大的震荡电流其损耗可想而知,线圈和电容要配备冷却系统了。就是要在1/4周期内关断电容和线圈的通路。因为反拉不是在3/4周期时产生的,最迟是在1/2周期时产生的。文中我说过,最迟在线圈电流下降时(1/2周期的起始点),穿过射弹的磁通就开始降低了,射弹中的感应电流和磁场就反向了,此时线圈磁场只是降低还没反向,所以就产生反拉。

另外我对磁阻发射也有个看法,把脉冲波形尽可能压缩在射弹刚进入线圈到线圈中点这段时间内,可以提高效率。因为此时线圈和射弹的闭合回路磁阻最小。不知goldcyd可否赐教?
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goldcyd
17年6个月前 IP:未同步
15759

我也不想让它自由震荡呀,关键是用什么控制开通和关断,常规半导体控制通流能力强的首推可控硅,但在两千伏以上(直至1万多伏),万安以上(直至几十万安),不知道满足这个要求的可控硅要多少钱,估计能买个汽车了。

磁阻发射不是尽可能那样,而是只能那样才可以。

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kuanglong7作者
17年6个月前 IP:未同步
15760

所谓\"尽可能\"就是在我们现有条件下尽力去达到.对感应式而言半导体开关是不行了,真空继电器太贵,我看只有用老办法\"间隙放电\".

还有,您看我这篇文章中的分析有错误或疏漏吗?要是基本理论都搞错了,那实验也是浪费钱!

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goldcyd
17年6个月前 IP:未同步
15761

是啊,当初我想买一个真空触发间隙,中国很少有卖的,最后找到一家生产厂,最小2000安电流的,还没有现货,要8000元人民币。

感应式我也是只做了几次实验,太深的道理我也不很清楚。我所写的是我实验的结果,通过示波器看到的。

不过我看你的分析,好像有电流突变的情况,应有不成立的地方。不含轭铁时,线圈和线圈必须在很近的情况下,才能发生良好的互感。在电流最高时,线圈和线圈离得很近,这时轴向受力最大(同时还要受最大的径向力,1万的电流足以把1毫米内径的铜管压成你不认识的形状,弹丸最好采用实心铝材,上面绕上铜或铝线圈最好,弹丸越轻效率越高),如果线圈已离开几个厘米,同时电流也大幅减小了,即使产生拉力也是很小了。

我所建议的尽量在两个震荡周期内飞出线圈,并不一定是最佳方案(甚或是错的),这只是我几次初步实验的结果,并不是最终结论。以后还做不做这个实验,要看兴趣和时间了。

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kuanglong7作者
17年6个月前 IP:未同步
15762

跟你遭遇差不多,我在网上看到的铜钨合金间隙,那个美国鳖三要我8000美金。

目前对我的小发射装置而言,射弹的径向强度还不是什么问题。我用的是铜环,准确点说是空心铜盘,没变形,就是空气动力性能差,飞出去时没方向性,没法测速。

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