设计一台感应炮你需要知道的(理论+实验)
rb-sama 2019-6-1原创 电磁炮
中文摘要
本文用高中物理知识,定性的分析了感应炮设计的要点,并且通过an oft mxwl工具,对不常见的平板感应线圈炮,进行了建模分析,定性的确定了最佳线圈匝数和初始位置。
关键词
感应炮电磁感应线圈炮
induction coil guninduction type coil gun

其实最开始我也钟意磁阻式,但让我真正开始对感应炮感兴趣的是一段视频,https://v.qq.com/x/page/t0329tglu1s.html

这个视频标题是《21mm口径感应线圈炮》,看视频中,一枚贰分硬币 ,能把易拉罐击爆,

我后来用扁皮弹弓试了下,至少需要100mps左右的初速度才可以达到这个效果,这个可是单级的效果。

一毛硬币重量大约2.2g,11joule的存能。

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论坛常见的是磁阻炮,而感应炮见的很少,详见badboyfly和三水合番以及M版主的帖子。

实验贴也只有寥寥无几,国外爱好者玩得也真的少,我就把这个帖子作为这段时间无聊实验的一个记录,

作为对较少见平板线圈炮分析的一个理论设计与实验补充,也给大家带来一些funny。

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我查阅了一些文献,《电炮原理》就是其中很有用的文献,还有很多paper描述了感应电磁炮的模型。

感应线圈炮其实是最有潜力的一种电炮种类,它无需受到磁阻那样最多2T饱和磁场的材质限制,

所以发射推力在材料强度限制内,几乎可以认为是无限大的,并且效率理论上可达100%,不存在拓扑限制。

实际科学家们做出的模型,可以达到45%的效率。

-

书里面的公式我跟着用笔推了一遍,很晦涩,

我建立了一个基本的知识体系后,想用高中物理和数学知识描述一下感应线圈炮的设计。

感应电磁炮可以用电流丝模型来分析,其运动模型简单来说用能量守恒定律来描述。

简单来讲就是,理想状态下,认为弹丸和线圈是由无限个下图的电流丝组成的,

设定两个电感L1,L2分别是工作线圈、L1固定,L2可以被发射出去,他们之间有各自的自感、互感。

pic

总能量Wsum=WL1+WL2

两个电感的能量可以认为是动能和电能的和,而L1是固定的,所以有WL1=EL1

而L2是电枢,则有WL2=EL2+KL2,KL2是动能。

Wsum=EL1+EL2+KL2

L1和L2之间是有互感的,这个互感定义为M,互感的能量以两个电感的耦合变化量存在,以磁场的形式储存能量。

这个计算方法也是1/2I1I2M12,1/2I1I2M21,有M12=M21,We=I1I2M。

Wsum=EL1+EL2+KL2+I1I2M。

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从上面这个公式可以发现规律,实际上两个线圈(弹丸和线圈)之间的互感储存的能量是系统输出的动能。

这个规律非常重要,在设计电炮中经常用到,可以广泛应用于包括轨道炮在内的有电感变化的电炮分析。

-

而牛顿第二定律可知,力量矢量与方向的积是力量的做功。

而把I1I2M=KL2对位移dx微分,得到的就是F=dW/dx=d(I1I2M)/dx,这个公式就是弹丸在发射时候的受力情况。

由于I与位移dx可以认为无关,当作常量微分,所以能够得到F=I1I2dM/dx(著名的感应炮公式)。

-

可以看见F(I1,I2 ,dM/dx,)有三个相关参数,

分别是线圈电流、弹丸(电枢)电流,以及dM/dx,前两个参数从直觉上很好理解。

线圈电流大,所以能量大,受力就大,弹丸感应出来的电流大,安培力就大,也很好理解。

其实在耦合度不变的情况下,I1和I2是满足正相关的,可以近似认为I2=K(M)I2。

但dM/dx怎么去理解它?

-

dM/dx从数学意义上看,就是互感在距离上的微分,物理意义就是随着距离变化的互感变化量。

这样一来,就很好理解了

由于互感是由线圈形状与弹丸形状决定的,由之间的耦合度决定,所以受力的大小除了电流大小之外,

还与弹丸离开线圈,互感减小的速度有关,这个量被称为互感梯度。

pic

从这张图里面,可以看出两个线圈之间的互感,当两者完全重合时候,互感达到最大。

而互感梯度就是互感的对dx的微分,也就是变化率,在大约为线圈总长1/4的位置,能获得最大的加速力。

pic

而在线圈总长1/2的位置,是我们设计的可利用加速区间,此时电磁力符号不变化。

理论上可以认为感应线圈炮是不存在回拉的。

-

但是天底下没十全十美的事,实际上弹丸是在运动中的,我们拿出祖传LTspice做一个电路仿真

pic

把不同耦合下的波形画出来

pic

可以看到,随着耦合度的减小,弹丸电流提前过零,变成与励磁电流相同。

此时根据楞次定律,是相互吸引的关系,这样会产生一个吸引力。这个区间就会让弹丸速度变慢,

那么怎么用高中物理理解呢?

可以想象弹丸是一个导体,在磁场中向前运动,会产生动生电流,和感生电流在过零点相互抵消。

-

如何解决这个问题?

回到前面的电感梯度上来,只需要让弹丸在加速区,尽快的脱离耦合区域,就可以让回拉变得很小。

用ansoft Maxwell为硬币弹射模型建立一个field,在仿真后给出磁力线分布,可见当距离15mm时,磁场影响几乎降低一个数量级。

pic

而电容对线圈的放电,是可以通过过1/2pi*sqrtLC来计算振荡周期。

所以一个设计良好的单级感应电磁炮,是需要让LC放电半周期时,弹丸刚刚脱离“耦合区域”。

1:由于我们希望设计单级尽可能高速度的感应炮,所以放电周期不能很大。

2:这就要求小L和小C的组合,这样唯一的选择就是高电压驱动。

3:考虑到尽快脱离“耦合区域”,这样会要求最开始弹丸就处于电感梯度峰值。

-

综合以上3点,单级感应电磁炮为了达到尽可能高的效率,遵循公式W=MI1I2,F=dM/dxI2I1。

既需要更快的让弹丸脱离,又需要更多的利用整段加速区。

而平板线圈的结构,在初始耦合度接近于0.9,而随着距离的衰减,互感衰减很快,这样就很符合我们对单级线圈炮的定义。

这样意味着整体能量利用效率会很高,并且由于电感梯度很大,加速会很“急”。

-

软件仿真中,设定800V 360uF的电容储能,瞬间的峰值推力可以超过2.8KN,而仅仅持续40us。

pic

以上这两点其实在很多爱好者的实验中,能得到证明,往往发射几次,木质桌面都被打出凹痕,线圈也开胶。

我自己也做了相关实验,用502加水雾固化的线圈用手都掰不动,发射三四次,直接散架。

这一点和线圈间电磁力关系不大,而是由于撞击导致的损坏。

-

接下来利用软件对弹丸仿真,参数仿真功能能够很好的得出最佳值。

pic

扫描5-25圈,发现最佳值出现在16T和22T,分析取前面的值。

从图中可以见到很有意思的现象是,随着匝数加大,速度降低了。

22T是电流和互感梯度的均衡,后者由于回拉,表现出16T一致的初速度,约为130mps。

考虑实际电阻影响,取16T较为合理,。

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动手做实验

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pic

各种匝数的线圈实际对比过,和仿真结果基本吻合,确实是匝数多的那个线圈威力最大。

打软木板,能够留下清晰的痕迹,用弹道摆估测过发射的速度大约100mps,后来这个木板被我打散架了。

pic

这个数据比仿真给出的低不少,可能是因为电阻的影响。

但是效果依然不可忽视,大约115J的储能 11J的动能,此时的单级效率约为10%,这超过了很多多级磁阻。

后面我用这台实验炮打了易拉罐,效果和视频一样(懒得录视频了,按我参数自己去测试)

另外我用一个塑料手电的光杯作为目标物,结果一样很炫酷,直接把塑料材质的光杯带着外壳打的粉碎。

-

实验结果可以见的,这种平板线圈是非常适合作为发射硬币的,感谢发明这种结构的爱好者(我不知道是谁,因为很多书上根本没有这种结构)

这种结构既能够满足高能量利用率,又能满足电感梯度,确实是非常有趣的结构,我建议大家都可以尝试一下。

唯一的几个不足的就是,

我现在几乎无法找到能够让线圈不报废的方法,不管胶多厚,发射几次,线圈必然散架GG

另外一个问题就是不知道怎么固定弹丸,只能垂直放在线圈上面,导致我家的天花板直接遭殃,这就是打碎手电光杯撞到天花板的效果。

pic

把我烦死了,有盆友知道怎么弄的顺带告诉我一下,

-

最后就是,一定一定注意安全,这个威力很大,而且没有炮管导向,方向很随机,11J打到眼睛就完蛋。

所以还是要做好安全防护。

enjoy it


[修改于 25 天前 - 2019-06-02 03:24:34]

+1  科创币    WangGC   2019-06-01   系统且亲民的感应炮相关理论分析+实验+数据分享帖
+1  科创币    WangGC   2019-06-01   系统且亲民的感应炮相关理论分析+实验+数据分享帖
来自 电磁炮
 
14
2019-6-1 20:35:11
1楼

关于如何固定弹丸...最简单的就是找块口香糖或类似的东西粘在线圈上...23333

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rb-sama(作者)
2楼
引用:WangGC 发表于1 楼的内容:
关于如何固定弹丸...最简单的就是找块口香糖或类似的东西粘在线圈上...23333

口香糖就算了吧= =。这个可以用来做做试验233

我感觉这个的难点在于,尽量不能让线圈和硬币之间有厚度,否则初始耦合小了。

M会很小,这样一来效果差很多。

我想的是,能不能做个卡口

[修改于 25 天前 - 2019-06-01 20:50:34]

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3楼

用铜带(扁漆包线)绕制,然后把圆形线圈嵌到3d打印的槽里灌胶

圆片弹丸装在轻质圆锥圆柱骨架的尾端,前面有引导的炮管,应该能够对发射方向起到一定的约束作用

视频中在手上发射,这种瞬间冲击通过手套能够产生有效防护吗

[修改于 25 天前 - 2019-06-01 21:08:21]

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rb-sama(作者)
4楼
引用:布布卡 发表于3 楼的内容:
用铜带(扁漆包线)绕制,然后把圆形线圈嵌到3d打印的槽里灌胶圆片弹丸装在轻质圆锥圆柱骨架的尾端,前面.....

扁漆包线如果绝缘层算在里面,可能会让整体厚度增加。

但是不清楚具体是什么情况,也许值得一试。

你说的是相当于底部推进,前面放有效负荷,这是个好方法,我考虑用磁悬浮感应涡流来导向。

另外他视频里你仔细看,手套里面握着一个塑料板,线圈就固定在上面。

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5楼

我做了跟你类似的线圈pic 

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6楼
引用:rb-sama 发表于4 楼的内容:
扁漆包线如果绝缘层算在里面,可能会让整体厚度增加。但是不清楚具体是什么情况,也许值得一试。你说的是相.....

结合一下3楼的方法,大概在线圈周围用弹性带状材料(如比较软的橡胶条)缠一下,这样材料高出线圈的部分就形成一个直径略小于线圈(及弹丸)直径的部分,就应该可以卡住弹丸,不过耐久和对弹丸稳定性的影响未知

pic

随手画的图...勿喷

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rb-sama(作者)
7楼
引用:WangGC 发表于5 楼的内容:
结合一下3楼的方法,大概在线圈周围用弹性带状材料(如比较软的橡胶条)缠一下,这样材料高出线圈的部分就.....

这是个好方法,说不定可以用POM、尼龙这样耐久比较好的有弹性塑料做一个?

或者是硅橡胶,设计成可替换的结构,不行了就拆掉螺丝换一个。(emoji笑)

[修改于 25 天前 - 2019-06-01 23:22:22]

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8楼
引用:rb-sama 发表于6 楼的内容:
这是个好方法,说不定可以用POM、尼龙这样耐久比较好的有弹性塑料做一个?或者是硅橡胶,设计成可替换的.....

这大得吓人的emoji...如果照上文的线圈损耗情况,估计线圈是先于固定装置失效的(捂脸,一提到螺丝就又想到一个点子,比如3dp一个线圈和固定器的壳子,把线圈和一个直径稍小的四氟/橡胶垫圈一起通过四周的螺栓叠放固定起来,原理和之前的图一样

[修改于 25 天前 - 2019-06-01 23:01:10]

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rb-sama(作者)
9楼
引用:WangGC 发表于7 楼的内容:
这大得吓人的emoji...如果照上文的线圈损耗情况,估计线圈是先于固定装置失效的(捂脸,一提到螺丝.....

论坛的表情功能还没修好233

这让我想到一个好方法,打印一个锥形的PLA或者ABS底托,让底部略小于硬币。

发射的时候,卡进去就可以,随着微小的位移,硬币就能发射出去了。

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10楼

看起来楼主迫切的需要一台好电脑😂

从仿真结果上看,很多电流/加速力都是在一两个步长里升到峰值,再在一两个步长里降下来……这样的仿真结果几乎可以说是没有参考价值……可能需要把步长缩短一个数量级

关于弹道摆测速,可以详细介绍一下吗?比如这里用的摆锤是什么材质的?有多重?发射时升高了多少?升高的高度是怎么测量的?方便后人评判。

关于怎么让线圈不报废,可以参考这个德国的作品

pic

http://www.rapp-instruments.de/index6.htm

(需要在里面找“Wirbelstrom Beschleuniger”点进去)

他是把线圈塞到了PVC块里。可以承受单级230m/s的加速……环氧灌封应该也能得到类似的效果。

另外,建议楼主把公式用latex打一遍……纯文本的公式对读者挺不友好的……

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2019-6-2 00:01:42
rb-sama(作者)
11楼
引用:三水合番 发表于9 楼的内容:
看起来楼主迫切的需要一台好电脑😂从仿真结果上看,很多电流/加速力都是在一两个步长里升到峰值,再在一.....

是的,电脑老旧了,有资源的话可以共享下。

我用1/10图中步长仿真过这个数据,峰值没有太大差别,虽说是有限元,软件设计考虑到了这种情况。

mxwl里面的动态步长就是为此设计,避免漏掉关键数据点,建议你也建模仿真看看再下定论。

摆锤是易拉罐里面塞纸团,风阻小,配重到刚好把易拉罐荡到水平线。

你给的这个方法蛮不错的,我用PLA 3dp试试。

帖子里的那些东西,可以用矩阵写,也可以用椭圆积分写,但是我希望他是高中数学物理知识能表达的。

我不是公式爱好者,我想把学问做简单,形式不重要,重要的是内容。

[修改于 25 天前 - 2019-06-02 00:04:27]

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12楼

文献提供的案例多见铝环镶嵌在弹丸上作为电枢的。感应炮在国内爱好者中的研究历史很长,KC上的第一篇文献引入于2006年,而爱好者中最大的作品诞生于9年前。当年楼主还进行了深度讨论。参见:https://www.kechuang.org/t/24411

但是后来因为一些令人叹息的原因,感应炮的普及程度比磁阻炮还是差远了。

感应炮的最大好处是可以加速非常宏观的物体,比如几十公斤重的火箭、无人机。用感应炮打和平炮弹(比如人影弹),可以大幅降低弹药管理难度。用感应炮作为迫击炮,可以由计算机根据需要随时调整初速,灵活性比定装药高得多。

“跳环实验”这样的装置,太古老了。就这项爱好的发展来说,当前重要工作应该是开发一种发射方向精确的模式设计,比如采用管式结构或者滑轨结构。

[修改于 25 天前 - 2019-06-02 02:05:17]

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rb-sama(作者)
13楼
引用:电炮工程 发表于5 楼的内容:
我做了跟你类似的线圈,做了6个,每2个驱动线圈为一组上下粘在铝轨道上做成了饼式重接炮

多级重接炮需要很高的时序控制要求,

其实单极感应炮在弹丸运动起来有速度之后,也相当于磁力线“重接”。

从物理意义上可以解释为磁力线重接的力把感应炮弹丸推出去,所以这两者没啥界限,

用扁平弹丸是为了受力更大,有更大的截面积,建议做柱状重接,实用性会强很多。

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rb-sama(作者)
14楼
引用:虎哥 发表于12 楼的内容:
文献提供的案例多见铝环镶嵌在弹丸上作为电枢的。感应炮在国内爱好者中的研究历史很长,KC上的第一篇文献.....

一针见血,这种结构稍微一点摆放的误差,都会导致方向的不定,

受力急且大,而且扁平弹丸几乎无法导向,除非外加非磁性材料填充,但是这样会增加无效密度,降低效率。

柱状电枢感应炮确实是更多见,但是没有这种平板的容易见效,所以爱好者们玩的不多。

[修改于 25 天前 - 2019-06-02 03:19:09]

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15楼

导向可以金属环套塑料柱上?

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rb-sama(作者)
16楼
引用:信仰は儚き人間の為に 发表于15 楼的内容:
导向可以金属环套塑料柱上?

可以,但是这应该不是最优方案?

有一种用法是作为底托,发射有效负载,这样的情况用成形线圈效果会更好

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17楼
引用:rb-sama 发表于11 楼的内容:
是的,电脑老旧了,有资源的话可以共享下。我用1/10图中步长仿真过这个数据,峰值没有太大差别,虽说是.....

我之前也试过maxwell的动态步长,但是并没有观察到效果……它还是在按一个固定的步长从头仿到尾……不知道是不是那些设置没搞好。而且楼主在顶楼放的这几张图,也没有观察到有“动态步长”的效果。也是所有曲线的拐点都在一条竖线上……如下图

pic

关于你提到的“用1/10图中步长仿真过这个数据,峰值没有太大差别”可以给一下具体的对比吗?因为比如上面这个图,有些曲线的电磁力只用了一个步长就升到了峰值,又只用一个步长就降回接近零。除非中间那一步的时刻刚好和峰值力出现的时刻重合,不然一定会有很大误差的。

关于我提到的公式,不是说要推椭圆积分之类的东西。是说把它写成更美观的样子,指类似排版方面的工作。比如这样 

$$ F=\frac{dM}{dx}I_{1}I_{2}$$


[修改于 24 天前 - 2019-06-02 14:42:50]

+0.5  科创币    rb-sama   2019-06-02   谢补齐公式
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18楼
引用:rb-sama 发表于16 楼的内容:
可以,但是这应该不是最优方案?有一种用法是作为底托,发射有效负载,这样的情况用成形线圈效果会更好

话说,提到底托,想起来了这么个东西

http://fastmhz.com/induction-launchers-em-rocketry/

在一个“火箭”形的东西下面加了个铝盘,然后用单级感应发射出去。

pic


[修改于 24 天前 - 2019-06-02 15:40:48]

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rb-sama(作者)
19楼
引用:三水合番 发表于18 楼的内容:
话说,提到底托,想起来了这么个东西http://fastmhz.com/induction-laun.....

炮射火箭?

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2019-6-3 10:40:41
rb-sama(作者)
20楼

听了大家的意见,先3dp了一个柱状电枢的支架,支架尺寸如图。

pic

我做了一个简单仿真,发现匝数刚好也是16T的时候达到100mps左右的初速度。

和发射硬币不同的是,需要1100V的充电电压,(这个是把winding当成线圈设定电阻率的仿真值)

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大半年没用,PLA水解了,换线折腾了十多分钟

OK 开机

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打印出来的和电枢对比一下,

电枢用的是内10mm外径16mm的纯铝管

pic

试了一下,刚好放进去,能自由滑动

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过了周末,又开始上班了,留着慢慢折腾把。

[修改于 22 天前 - 2019-06-04 20:37:40]

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21楼

胶的话可以选用铸工胶,这玩意硬的很我修发动机缸体都用这玩意

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2019-6-4 09:19:21
rb-sama(作者)
22楼
引用:galenable 发表于21 楼的内容:
胶的话可以选用铸工胶,这玩意硬的很我修发动机缸体都用这玩意

搜了下,长见识了,这个胶剪切强度怎么样?可以替代塑料吗

我用过E-120HP这种胶,据说是用来粘火箭头锥的。

我打算整体浸入后加外壳灌封

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rb-sama(作者)
23楼

我用软件仿真了柱状电枢的欧姆热分布和磁场分布。

可以看到在视频中,电枢运动,磁场是经历“重接”过程的。

此时磁场是相反的,所以表现为磁力线被排斥,推力峰值在3.5KN左右。

pic

这两张图里,还能看出,在主线圈放电之后,电枢在100us左右,被迅速励磁到相应电流强度。


此时磁场的作用,让电枢迅速的离开主线圈,

其实在200us后,电枢电流与主线圈同向,所以能够在两个闭环磁路中间共线,这时产生的回拉0.5KN左右。

由于电感很小,电枢里的电流仅持续很短一段时间就快速消耗了。


把铝的电阻率考虑进来,此时1100V 360uF能给4.4g重的电枢带来仅仅65mps的终端速度。


从这里面其实可以看出一个问题,那就是这样柱状电枢的设计,其实仅仅只有耦合在后端一部分铝材在导电。

大部分的欧姆热都损耗在后端,

其实这个问题文献里面也有解释,在超大功率的感应炮里,这种效应甚至能让电枢的末端发生气化。


这个问题必须要解决才行


[修改于 22 天前 - 2019-06-05 01:02:22]

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24楼

关于顶楼提到的仿真和实测的误差,刚想到了两个可能的原因。首先是那种菊花一角硬币的材料是铝锌合金,电阻率比仿真用的纯铝高得多。纯铝的电阻率是28.2nΩ*m,然而含锌较高的铝合金比如7075,电阻率能达到51.5nΩ*m,快达到纯铝的两倍了……然后是仿真的线圈填充率是100%,然而实际的线圈因为用的是圆线,而且线之间还多少会有点间隙,填充率可能只能达到比如60%~70%这种……

可以试试把两个考虑进去再仿一遍,看看能不能对上

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rb-sama(作者)
25楼
引用:三水合番 发表于24 楼的内容:
关于顶楼提到的仿真和实测的误差,刚想到了两个可能的原因。首先是那种菊花一角硬币的材料是铝锌合金,电阻.....

话说,这个我考虑过。

https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%80%E8%A7%92%E7%A1%AC%E5%B8%81/3590458?fr=aladdin

这里面说“一角硬币 菊花1角硬币直径22.5毫米,反面图案为菊花图案,面值1角,并注汉语拼音"YI JIAO"。正面图案为国徽宋体汉字"中华人民共和国"、汉语拼音"ZHONGHUARENMINGONGHEGUO"、阿拉伯数字年号。币材质为铝镁合金,外齿为光边。

材质应该是铝镁合金,0.0294-0.0 445 铝-镁,可能要建立一种新的材料仿真才行。

另外填充率的问题,


Maxwell里面是把winding当作一个整体来分析,这样的话,就只是考虑它的物理尺寸以及安匝数。

因为电感和电阻都是不可设置的,但是可以设置上限,其下限应该就是等比分割之后的值。

但是我在仿真里面考虑了线圈内阻因素,所以线圈的仿真应该相对准确。


弹丸的这个因素确实是要好好考虑下,因为如果把弹丸当作多匝线圈仿真的话。

速度可以高出1.5-2倍左右,效率明显表现出来不一样。原理是匝数N倍,电流I/N。

电阻是N*R的话,WL=I^2*R/N那么损耗仅仅为原来的1/N,这个结果很不错。


至于是否真的能达到这种效果,我得买一些铝漆包线来测试看看。

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rb-sama(作者)
26楼

接上文:

最新实验数据,依然还是喜闻乐见的仿真数据。

pic

这个是现在线圈匝数的情况下,发射4.1g电枢的情况,我手上只有780V最高的电源(没错爆款升压板)

在800V的电压下,电枢仅仅能达到可怜的43mps


但是我的电容最大能充电到1100V,我手上还有一个2000V的,心有不甘,所以我把100-2000V的电压输入都做了个模拟。

跑了20分钟左右,结果出来了,

pic

在2000V的情况下,这个线圈参数能够把电枢加速到140mps左右,此时能量约为40J。

但是电容储能大约780J,这样一来,效率也就仅仅为6%。

而储能115J情况下,62.5mps的初速,效率为7%左右,反而高一点,其实也符合直觉,加速缓和效率高。


动手做实验:

它是主线圈,还是之前3dp出来的PLA材质,耦合度被壁厚限制了,很无奈。

没有又薄强度又高的材料,碳纤维倒是可以,但没找到。

pic

用PE膜拉紧线圈后用塑料胶带粘牢。

pic

之前以为有4.4g,其实只有4.1g的电枢。

发射视频效果如图。

这个是视频中被打的电子烟包装盒,硬纸壳材质。

pic

这个材质还是比较结实的,摸起来有点像木板,可以看到已经被打破了。

这个时候我们利用慢动作视频来计算一下速度,

已知道电枢4.1g,纸盒95g,那么估算出视频中纸盒被抛起的高度,理论上可以算出此时电枢的速度。

利用视频中发射瞬间和最高点的截图,

pic

经过我实测,这个高度约为20cm,

这样就可以知道纸盒被赋予的动能为E=95e-3*9.8*2e-2=0.01862‬joule

而纸壳被赋予的速度约为V=sqrt(2E/m,=sqrt(0.01862*2/95e-3=0.014mps,

而m1v1=m2v2,

有95e-3*14e-3=41e-3*V2

V2=32.43mps,

也就是说,如果发生全动量交换,不考虑电枢逃逸的能量,这个值和图2仿真得出的非常近似,

考虑电枢逃逸的速度,和高度误差,大约就是40mps左右,也验证了仿真建模的准确性。


我对匝数、线径做了最大填充率处理,实际上我现在用的这种电容,是可以把电枢有效的加速到62.5mps的速度,

此时效率约为7%和我之前测试硬币10%还是有很大差距的

pic


So,现在实验的进度,卡住了,我缺一个能充电到1100V的电容充电模块



[修改于 22 天前 - 2019-06-04 20:25:09]

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27楼

v形放置的2个或4个线圈,配合相应形状的发射物,这样可以自定心。通过控制每个线圈的电压或其他电参数,还可以控制发射方向。由于几何形状的原因,平板型不是作为进攻武器而是作为电磁反应装甲更加有前途。

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28楼

线圈的机械强度问题可以考虑高强度黄铜或钨铜厚板切割成型。线圈质量大也能减少冲击力。非牛顿流体,我觉得也是个非常好的办法。发射后的破坏会自动修复而不会像固体那样被严重破坏。

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rb-sama(作者)
29楼
引用:迪纳米斯 发表于28 楼的内容:
线圈的机械强度问题可以考虑高强度黄铜或钨铜厚板切割成型。线圈质量大也能减少冲击力。非牛顿流体,我觉得.....

你的这个思路很新颖啊,

反应装甲用这个的话,速度确实足够,就是有比如控制等一些工程问题亟待解决。

但是我相信这都不会是问题,只是受到的合力可能会让弹丸翻转。


我之前在淘宝上已经找过商家问过你说的这种铜板切割工艺的线圈了,

有一个很大的问题就是,水刀切是他们的常用工艺,但是会有1mm左右的切割间隙

这个间隙对效率的影响是很大的,直接影响线圈填充率。

有什么好办法解决吗?

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30楼
引用:迪纳米斯 发表于27 楼的内容:
v形放置的2个或4个线圈,配合相应形状的发射物,这样可以自定心。通过控制每个线圈的电压或其他电参数,.....

亲你好,这个有的  



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[修改于 22 天前 - 2019-06-04 23:57:13]

+0.5  科创币    rb-sama   2019-06-05   涨姿势了~
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2019-6-5 00:16:21
31楼
引用:rb-sama 发表于29 楼的内容:
你的这个思路很新颖啊,反应装甲用这个的话,速度确实足够,就是有比如控制等一些工程问题亟待解决。但是我.....

激光切割可以,金属激光3d打印不清楚。不惜工本的架势哦~


[修改于 22 天前 - 2019-06-05 00:18:22]

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rb-sama(作者)
32楼
引用:迪纳米斯 发表于31 楼的内容:
激光切割可以,金属激光3d打印不清楚。不惜工本的架势哦~

激光切割我用过,有熔区,超过1mm了,但是我不清楚是否是我看到的是半个房间大小那种。

至于工本嘛,这个和一些同学的业余爱好花销比起来,是小数字啦,开心就好。


[修改于 22 天前 - 2019-06-05 00:58:19]

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33楼

用线切割?

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rb-sama(作者)
34楼
引用:信仰は儚き人間の為に 发表于33 楼的内容:
用线切割?

侵入精度怎么样?

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35楼
引用:rb-sama 发表于32 楼的内容:
激光切割我用过,有熔区,超过1mm了,但是我不清楚是否是我看到的是半个房间大小那种。至于工本嘛,这个.....

必须是脉冲的,皮秒飞秒激光。所以说不惜工本。微米精度。

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36楼

一般来说先解决基本理论问题,再解决工艺问题,工艺遇到困难再用理论降低工艺难度。激光切割的割缝宽度与激光波长,功率/脉冲能量,聚焦情况,吹气/水情况等都有关系,仔细调整可以做到0.1mm以内。想想人家切钻石的,多0.1mm就是天价损失…

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37楼

都是夜猫子,老虎半夜起来找吃的咧?

想想激光加工挺难找。太偏门了。

其实还有别的路子。

比如,把合适厚度的金属条加热到红热软化,然后卷绕,氧化皮可以提供极小的间隙。卷绕好之后进一步磨平端面。酸洗去掉氧化皮,再浸绝缘。

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38楼

@rb-sama开关器件是什么,亮度惊人。

+0.5  科创币    rb-sama   2019-06-05   机械开关,用尼龙棒推合
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39楼
引用:rb-sama 发表于25 楼的内容:
话说,这个我考虑过。https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%80%E.....

百度百科还真是不靠谱……那个词条里同时出现了铝镁合金和铝锌合金两种说法在中国人民银行官网上查的结果是铝镁合金。等会我试试等不能编辑一下那个词条把铝锌改成铝镁……

关于多匝弹丸。N倍的匝数,应该会得到N^2倍的电阻……因为截面积会变成1/N,同时线长度会变成N倍。之所以用多匝线圈效率会变高,是因为电流不再集中在弹丸尾部,而是均匀分布了。

关于下一层楼里提到的“加速缓和效率高”。这个应该只是加速剧烈的时候没优化好感应炮和轨道炮类似,都是电磁力和电流的平方成正比,所以都是储能越大效率越高的。这里观察到的大储能时效率下降,应该只是弹丸位置之类的参数没有调整,导致大储能和小储能情况下的“优化程度”不同。比如大储能下弹丸飞的太快,以至于电流还没升到顶就已经飞走了。可以试试把大储能下的弹丸往靠近线圈的方向挪一点,也许会有惊喜

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40楼

或者是切完留可控并且平整的间隙,清理干净垫上绝缘层压扁?

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41楼
引用:Ma3.02的守望 发表于30 楼的内容:
亲你好,这个有的  

开车半夜路上休息,只想到自定心来保证不偏射。这个装置是二维发射,用了做实验可以,实际装甲应用要三维,线圈做4组,90度四棱锥排布,这样更贴近实用。三维发射、方向稳定性这两个要求是要处理好真是难事,我用脚趾头想了想,决定还是不要想这个问题了。

现在坦克没用上估计还有其他方面的限制,适合坦克用的储能和功率器件、传感和控制系统等等还没成熟。舰船空间大,可是现有的舰船应用场景好像不太合适。除非是到了颠覆传统程度的新理念新结构的新型舰,用作最后一道主动防御。超高音速电磁炮,估计也就是这电磁装甲能防御一二了。未来电磁舰炮成为海战最具威胁的武器之一是铁板钉钉的事,对付电磁炮,中距离只有定向能可以拦截,没拦截到的就只能靠电磁装甲四两拨千斤了。

[修改于 21 天前 - 2019-06-05 18:50:32]

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rb-sama(作者)
42楼
引用:314152 发表于40 楼的内容:
或者是切完留可控并且平整的间隙,清理干净垫上绝缘层压扁?

可以考虑,哪位做个调查,帮忙找找合适的平板线圈方案?

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rb-sama(作者)
43楼
引用:迪纳米斯 发表于41 楼的内容:
开车半夜路上休息,只想到自定心来保证不偏射。这个装置是二维发射,用了做实验可以,实际装甲应用会吃不消.....

感应炮的储能对于爱好者玩家来说很大,对于舰船或者坦克而言,其实很经济啦。

像十几KV、几十KV的高压脉冲电容,其实已经能超过电解电容的储能密度了。

发展前景巨大

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rb-sama(作者)
44楼
引用:三水合番 发表于39 楼的内容:
百度百科还真是不靠谱……那个词条里同时出现了铝镁合金和铝锌合金两种说法在中国人民银行官网上查的结果是.....

百度百科是一如既往的无节操


谢指正,确实截面积也变小了,这个的作用确实是让电流均匀分布在导体。

我在想这个方式可能是提高效率的非常重要的一个途径,因为我最近几天做优化设计,

发现电枢尺寸无论如何设计,线圈如何优化,效率最高到10%。

但是导线法可以做到25%的效率,这让我很迟疑,需要用一个设计良好的实验论证它的正确性。

有没有好的实验设计可以推荐?


我看了下感应炮储能越大效率越高,可能还是和加速体质量有关。

因为非常剧烈的加速,对应的特征频率越高,这样趋肤效应的欧姆损耗会更明显。

在固定储能下,物体出去的速度越快,损耗越大。

这里讨论的是一个“加速度/储能效率比”比,你说的“效率/储能比”可能是正确的,越大效率越高。

当然这只是一个现象直觉推测,没有论证过,可以进一步讨论

[修改于 21 天前 - 2019-06-05 19:04:57]

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45楼
引用:rb-sama 发表于42 楼的内容:
可以考虑,哪位做个调查,帮忙找找合适的平板线圈方案?

我认为用盗用下手工玻璃工艺品的做法,把板材切成条形,用焰炬一边加热到红热软化,一边绕这方法最合适了。简单粗暴到没朋友。

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rb-sama(作者)
46楼
引用:迪纳米斯 发表于45 楼的内容:
我认为用盗用下手工玻璃工艺品的做法,把板材切成条形,用焰炬一边加热到红热软化,一边绕这方法最合适了。.....

铜熔点1080度,软化温度至少800度以上,我可能没有这种工具操作。

这种方法不适合精密加工,而且我觉得可操作性并不强,还比不上精密激光切割。


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47楼
引用:迪纳米斯 发表于31 楼的内容:
激光切割可以,金属激光3d打印不清楚。不惜工本的架势哦~

广州白云山那边我记得有个大族激光体验中心什么的,可能有精密切割的吧。什么路名忘记了。

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2019-6-6 10:45:11
48楼

弹丸可以考虑用多层铜箔与聚酰亚胺卷绕,内外部45°引出铜箔,交叠锡焊接到外层。

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49楼
引用:布布卡 发表于48 楼的内容:
弹丸可以考虑用多层铜箔与聚酰亚胺卷绕,内外部45°引出铜箔,交叠锡焊接到外层。

当然,想提高线圈铜占比,最好也是最简单的办法之一是方漆包线

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