两种railgun的实验记录
鹰头猫 2021-2-7原创 电磁炮
关键词
增强型轨道炮轨道炮炮口电弧扁线圈

        本次实验记录中提及的#电磁发射装置#因为其原理和轨道炮相似,因此在记录中称该电磁发射装置为“轨道炮”;其威力与规模与真正意义上炮相差甚远,十分弱小。除了轨道炮的射程和杀伤力小之外,其储能电容也十分笨重。此实验的根本目的在于设计一种高效的电磁加速系统,作此记录以供电磁加速爱好者参考,实验记录中的电磁加速装置在实验结束后已经拆除。

        实验涉及高压电等,有一定危险性,需要有安全意识,实验前做好知识准备,实验中要做好安全防护。


#注:记录中

储能电容:西门子薄膜电容800v700uf---(发射时总储能通常为200j左右)

所用开关:机械开关(吸锡器改装)


一. 扁形铜箔增强线圈

1. 基本参数

    a). 电枢:711铝钉

    b). 轨道:3mm*8mm*80mm铝合金排

    c). 增强线圈:0.3mm*8mm背胶铜箔,2匝

vjvt.png

    d). 储能装置:西门子薄膜电容800v700uf

    e). 加速长度:60mm以下

    f). 开关类型:吸锡器改装机械开关

rsxeryxt.png

    g). 为了方便拆卸,各部分连接方式主要为接线柱和压线框

ycvy.png

    模型三视图和装配图

bian三视图.png

装配faet.png

6203801.png

        为了避免发射时候的高温使得电枢滑道变形损坏,除了覆盖一层特氟龙胶带之外,滑道本身可以拆除更换,铝合金轨道用螺丝夹紧,平行度尚可。由于设计时为了降低成本把整体做的比较薄,螺丝拧太用力使轨道支架有些变形。

2. 实验过程参数

    a). 加速距离40mm

    b). 储能:电容充电750v,总储能量大约197j

3.实验结果和总结

    a). 电枢速度130+m/s(实际上这次实验,测速器测不到,但是发射效果比曾经测出结果的128m/s好不少)

      以下算法极不准确,仅供参考

      根据动量守恒定律,用后坐位移人为拟合,速度约为130m/s

        估算过程为:

        i)整体支架约100g  

        ii)录像帧率为240fps,发射后,支架在7帧内后坐位移5mm

        由此计算支架在发射后的后撤速度:0.17m/s

        一枚铝钉质量:0.123g

        v=(100*0.17)/0.123=138.2m/s

    b). 轨道和电枢发射后烧蚀严重,轨道打磨后仍然比较粗糙,此外烧蚀痕迹断断续续(图为打磨前后,此轨道已经发射多次)

railfhyix.png

    电枢烧蚀痕迹不对称,每次发生烧蚀的位置也不尽相同,电枢可能在轨道上发生弹跳。发射后受到撞击的电枢变形比较明显

B26I9JS(Z462{~$TML({X_S.png

    靶面撞击情况(目标为薄皮铝易拉罐侧面和2mm硬纸板)

目标acvijh.png

图中可见,2mm纸板的着弹区域从纸板背面被完整的剥离下来;被击穿的靶面并不是由一个较小的局部接触戳破,而是由整个铝钉凸面瞬间按破。

    c). 发射效率:大约0.6%。

d). 总结:

效率很低,总结原因可能如下

    1). 铝钉,虽然有弹性,但是接触的地方实际上还是一个比较小的区域,发射瞬间,铝钉局部熔化;

    2). 铝钉的两根针脚本身就非等长,不对称,加上人工弯曲。铝钉被加速时发生形变,使得加速过程更加艰辛坎坷,可见铝钉并不是十分理想的电枢。

    3). 整体设计并不是太合理,轨道长度在现有储能情况下可能太长了,电枢在可电容放电至可加速电流以下,仍然在轨道中摩擦减速。此外增强线圈匝数仅是凭感觉设置,没有通过理论推算,此匝数并非最佳匝数。

    4). 扁导线工作在脉冲电流条件下时,实际阻抗受集肤效应影响。除此之外,增强线圈的折线,折角处十分锐利,我对这部分的载流特性并不了解,也许它在脉冲电流下的载流效果比较糟糕。扁平导线太宽也会使得增强线圈中心的磁感应强度减弱。

    5). 压线框的压接效果因为条件有限无法测量,实际接触电阻可能比想象中要大。

20210115214344.png

4. 说明

    a). 初速:曾经几次轨道炮测试的发射初速可以测出,具体为128m/s,可以射破但是不能射穿手机盒子顶部。此次实验中,铝钉可以完全穿透手机盒子顶部,以及更加厚的侧面(单层硬纸板2mm)因此个人认为估算数速度据较为合理。

    b). 机械开关效果比想象中好,录像帧率为120fps,1帧闭合,火花小且仅持续1帧,实际速度应该比这更加快,但是如果发射失败(电枢卡住/焊住/未出膛),撞击柱头可能会被焊住。我认为开关损耗并不是能量损失的主要部分。

uyvttxtu.png

5. 补充

    a). 发射时线圈导线所受力可能相当大,图中可见发射瞬间,炮尾的上下各两匝增强线圈相互吸引和被拉扯,此为隐患。长此以往,除了炮口炮尾会被增强线圈遮掩,增强线圈本身也可能被自己拉扯断裂。

(图为数月前制作的另外一个增强线轨道炮,漆包线直径1.3mm)

uviylv.png

    b). 关于预紧力,在铝钉塞入轨道之前先将两针脚分开,然后用力推入轨道之间,预紧力完全由铝钉两针脚的弹力挤压轨道壁提供。铝钉推前要用砂纸打磨针脚外侧,并有必要为针脚末端倒角。

kycktvu.png

    c). 在没有其他续流装置的情况下,发射后电容有时会被反向充电,这说明发射回路中存在着振荡,且为(欠)阻尼振荡。这也说明了回路电阻较小,因为就振荡条件来看,电阻太大是无法振荡的。

$\zeta = \frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

欠阻尼时    $0< \zeta < 1$

若取电感L = 0.1μH,则 R < 24mΩ

lbuyiv.png


二. mini增强线圈

1. 基本参数

    a). 电枢:711铝钉

    b). 轨道:3mm*5mm*60mm铝合金排

    c). 增强线圈:上下各2匝(线径1.3mm;加上轨道总等效匝数5匝)

    d). 储能装置:西门子薄膜电容    800v700uf

    e). 加速长度:35mm以下

2.实验过程参数

    a). 电容:储能电压为790v,总储能约为224j

    b). 加速距离:30mm

3.实验结果

    a). 滑道平面:有少量铝蒸镀,可用纸巾轻易擦除,滑道表面些许发黑,但是仍然光滑

    b). 增强线圈:观察到明显的形变,炮口和炮尾的上下增强线圈因为相互吸引而靠近(隐患)

    c). 轨道:烧蚀情况轻微,轨道打简单磨后基本上恢复光滑

    d). 出膛速度(光电测速器):无法测量

    e). 发射效率:未知(0.7%左右?)

    f). 发射效果:穿透薄皮铝易拉罐底,约0.26mm

    三视图和轨道支架外形

3view10206223209.png

截断支架.png

    轨道炮简化示意图

    【单根轨道尺寸3*5*50mm】【增强线圈螺线尺寸14.33*35mm(线径1.3mm)】

show02071854.png

    靶面撞击效果(目标为薄皮铝易拉罐底,旁边小坑为扁形增强线圈轨道炮的发射所致)

易拉罐底部.png

    轨道的烧蚀情况比较轻,简单打磨后几乎可以恢复光滑(图为一次发射后的烧蚀情况)

轨道jyfytc.png

4. 总结

        mini增强线圈轨道炮是本次记录中发射效果较好的,是本人制作的唯一的可以射穿易拉罐底部的轨道炮。但是发射效率仍然很低,通过和扁形轨道炮的对比估计发射效率在0.7%左右。值得一提的是,电枢出膛后,增强线圈中仍然有着较强的电流。(见下文)



三. 其他方面

1. 增强型轨道炮启动时

0116133944.png


        在后续一次测试中,由于炮口处的A,B两段相互吸引闭合,导致出膛的电枢直接擦破增强线圈,导致轨道和线圈猛烈打火,铝合金轨道在此次发射中报废

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        图中可见,除了轨道炮口处的又深有大的蚀坑,还有放置电枢处的蚀印。这两处都是能量被大量浪费的地方,这次实验的烧蚀要比以往的发射严重得多。但是从靶的撞击效果来看,易拉罐底破坏效果仍然非常明显,此效果并不比以往实验(轨道烧蚀较轻时)的发射效果差太多。此外,增强线圈被电枢擦破,说明此时电枢即将出膛,但是从轨道惨烈的蚀坑来看,此时的线圈中仍然有着很强的电流。那么电枢出膛后剩余的绝大部分能量去哪里了?很显然,这里是一个值得探讨和改进的地方。

        由此推测,在此记录的mini增强轨道炮中,各种各样的烧蚀实际上并不是发射效率低下的根本原因。电枢出膛后,增强线圈中仍然有着较大的能量,但是这些能量根本就没有用来加速。想要提高效率,增强线圈的匝数和整体布局都要进行修改,否则发射效果很难有明显的提升。


2. 关于消除吸收炮口电弧

        增强线圈可以等效为一个电感,当电枢离开轨道时,电感突然断路,引起炮口拉弧,噪声大且浪费能量。图为电炮回收系统简化后的电路图,此电路也许可以吸收线圈中的剩余能量。

        图中的的电路参数除了电容以外都并非真实参数,而是为了方便观察而尽可能合理的人为设置,图中C1为储能电容,用L1模拟增强线圈的固定电感,开关S2模拟电枢滑过轨道,开关闭合时间为0.05ms,这意味着开关断开时(电枢离开时)电路还处于阻尼振荡中。此时借由续流二极管D1和电容C2吸收电感中剩余磁能,抑制或者减弱炮口电弧。

        可见此方法需要额外的续流二极管和电容C2。C2中的能量将会在数次发射中逐步累积。此方案主要是为了消除炮口电弧,C2只能吸收增强线圈中的剩余磁能,主电容C1中的剩余能量不能被回收。

210116171331.png

        此方案本人已经进行了验证,但是由于测试条件不够规范,导致实验结果不一定具有较高的参考价值;实验过程和结果如下。

实验装置和参数

    1. 轨道炮:扁形增强线圈

    2. 储能:西门子薄膜电容充电至783V

实验结果(仅进行了一次发射)

    1. 主电容电压剩余27V。

    2. 一次发射后,吸收电容被反向充电至-160V。

    3. 回收效果并不理想,回收的能量太少了,而其他能量去哪里了?

    4. 尽管轨道已经打磨过,但是由于轨道已经因为多次发射而变得凹凸不平,轨道被电枢刮下的铝屑在空气中燃烧,发出耀眼的闪光并且持续7帧(通常炮口闪光持续时间最多为2帧),无法从录像中观察炮口电弧的实际情况

flashoehfp.png  

        图为出膛后几帧的图片,出膛时的闪光几乎白屏

四. 总结

        本次试验记录中的所有轨道炮的储能都比较小(200j),轨道长度很短。实验中的轨道支架都是由3D打印获得,因此小物件3D打印不会花费太大成本,比较好接受,这也不失为mini轨道炮的一个优点。由于设计本身存在着缺陷和隐患,所以本帖就不提供打印模型了。

        此种增强型轨道炮的设计重点在于,在一定储能条件下的电流和磁场之间的权衡,找到一个最佳的加速距离和增强线圈匝数。实验记录中的轨道炮发射效率都没有达到1%(各方面都比不过相同条件下电热炮,除了噪音QAQ)。在现有储能(200j)的情况下,只需要发射效率达到3.5%,就可以让铝钉电枢的出膛速度触及sonic,这似乎是一个加把劲就可以达到的目标。当然,我不希望通过提高储能来达到高速,因为对于普通爱好者来说,实验规模小更加容易接受。emmm希望大家在低储能的情况下想想办法~

        这次实验比较偏向娱乐,设计过程也比较感性,由于缺少专业的仪器所以无法提供丰富的测试数据,文章中有什么疏漏或实验中不合理的地方,欢迎大家指出,斧正。

        最后,感谢badboy-fly和估读大佬的帮助,让我在设计过程中少走了很多弯路。


railgun全家福

ALL0210207140656.png


五. 几次视频记录(附件)

#注;以下内容仅供论坛内学术交流,仅为展示上述方案的可行性以供坛友参考,严禁对外传播!

#除非专门说明,录像帧率为240fps

1. 扁形增强线圈

attachment icon 扁形.zip 49.85MB ZIP 21次下载

2. mini增强线圈

attachment icon mini.zip 29.64MB ZIP 11次下载

3. 能量回收

attachment icon 回收.zip 34.91MB ZIP 9次下载


[修改于 19 天前 - 2021-02-08 12:03:23]

来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
12
OMEGAERJSH
19天2时前
1楼

吸锡器改开关厉害!学到了

轨道炮一直不敢做,一个是没有合适的电容,一个是看打火忒吓人😖

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鹰头猫作者
18天22时前
2楼
引用OMEGAERJSH发表于1楼的内容
吸锡器改开关厉害!学到了轨道炮一直不敢做,一个是没有合适的电容,一个是看打火忒吓人😖

电容的话确实薄膜电容更加合适。

正常发射的话,闪光持续时间连5ms都不到,肉眼看起来其实不太明显(我可能下意识闭眼了哈哈)。噪音确实比较大,主要是炮口电弧引起的,能减弱炮口电弧的话就能从根本上改善噪音问题,当然也可以减小总储能。

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三水合番
18天12时前
3楼

这帖子好哇😂

可以麻烦楼主给“展示轨道烧蚀的照片”,标注一下弹丸运动方向吗?

轨道换成铜的应该能减少一些烧蚀。铜的熔点,单位体积的热容量,导热性,延展性都比铝合金好很多。同时强度比纯铝高,和铝合金类似。虽然不一定能减少接触不良和打火,但对烧蚀的抗性能高不少。而且也比较好买。

看弹丸烧蚀痕迹,接触经常发生在弹丸靠前的部分,这个会缩短弹丸臂的长度,降低电磁力提供的接触力。如果能让接触始终发生在弹丸尾部,也许就能得到足够大的接触力,让烧蚀几乎消失掉。可以试试在弹丸前面贴一小块塑料,让弹丸保持稳定,如下图

铝钉塑料支架.jpg

在这个储能下,想要继续提升性能,潜力恐怕不是很大。我猜把动能提高1倍还是比较有希望的,但是提高5倍做超音速就不太可能了。想要提高性能的话,最简单的办法还是提高储能……其实也不用提高很多,把储能翻倍,可能就能接近音速了。参考这篇帖子的结论(计算轨道炮效率),无摩擦无初速的小储能轨道炮的效率满足

$$ \eta = \frac{ {E_S}}{8mR^2}\,\left ( \frac{dL}{dx} \right)^2$$

其中Es为总储能,dL/dx为电感梯度,m为弹丸重量,R为回路总电阻。如果保持其他参数不变,只把储能提高到2倍,那动能就能提高到4倍。考虑到大储能时,用于克服摩擦力的能量占的比重会变低一些,实际的动能提升量还能更多,应该就能接近音速了。

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1
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鹰头猫作者
18天11时前
4楼
引用三水合番发表于3楼的内容
这帖子好哇😂可以麻烦楼主给“展示轨道烧蚀的照片”,标注一下弹丸运动方向吗?轨道换成铜的应该能减少一...

图中箭头为电枢运动方向

fangx0200.png

由于炮口电弧,轨道的出口会有一块黑色的烧蚀痕迹,图中的轨道可能过长,电枢出膛时电流相对较小,炮口电弧的痕迹不太明显;"二.mini增强线圈"中,轨道的出口处就有明显的炮口电弧留下的棕黑色痕迹。

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鹰头猫作者
18天11时前 修改于 18天10时前
5楼
引用三水合番发表于3楼的内容
这帖子好哇😂可以麻烦楼主给“展示轨道烧蚀的照片”,标注一下弹丸运动方向吗?轨道换成铜的应该能减少一...

谢谢三水的建议,我曾经试过铜轨道(全家福中的底层两个),烧蚀也比较严重,因为铜太硬了,烧蚀严重的话难以打磨恢复(发射1s,打磨20min😂,有点头大)。

但是那时候无论是轨道支架还是增强线圈都不如这次记录中的轨道炮设计合理。

图为曾经设计的轨道炮

(储能装置为:10个2295μf电解电容并联,初始电压250v,发射后剩余电压120v;轨道参数:10×3×100mm;初速小于100,效率低于0.1%)

10209000055.png

rail10209000235.png

其他的暂时不提,增强线圈和轨道是用螺丝按在一起的,这点已经非常不靠谱了


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鹰头猫作者
18天11时前 修改于 18天11时前
6楼
引用三水合番发表于3楼的内容
这帖子好哇😂可以麻烦楼主给“展示轨道烧蚀的照片”,标注一下弹丸运动方向吗?轨道换成铜的应该能减少一...

垫塑料片的感觉和加了战斗部似的😂

储能×2,效率×4的话,收益看起来还是挺香的,值得一试~

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虎哥
18天11时前
7楼

漂亮的工作

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