五级线圈炮模型的设计制作、电路优化及测试

第１３卷总第７７期　中学理科园地　实验教学　

五级线圈炮模型的设计制作、电路优化及测试　

南京师范大学附属中学张龙文　

摘要：电路设计是多级线圈炮模型实施的核心和难点。本　文首次详细介绍了五级线圈炮模型设计和制作过程中的电　路设计，包括历次电路的优化原因和过程。五级线圈炮模型　的设计引入升压装置、单向可控硅和光电门。根据最终优化　的电路设计，成功制作了简洁而稳固的五级线圈炮模型。另　外，通过对五级线圈炮最终模型的不断测试，发现多级线圈　

炮呈现两个重要特性：首先，多级加速中无论采用何种放电　电容和线圈，第一级将会是所有级数中效率最低的；其次，使　用的输出电压越高，效率则越低。效率与输出电压间存在某　种极为复杂的关系，这一复杂关系有待于进一步探索。　关键词：线圈炮；多级加速；电路设计　

前言　电磁弹射是通过电磁线圈将电能转化为磁场能．再　

转化为机械能．从而推动被弹射的物体向外运动。电磁炮　

就是电磁弹射最直观的应用　线圈炮是电磁炮的主要类　

型之一。根据电磁线圈的个数．线圈炮分为单级线圈炮和　

多级线圈炮　如果发射体要想获得和多级线圈炮相同的　

弹射速度．单级线圈炮需要更大的驱动电流。而电流增　大．驱动线圈上消耗的焦耳热就会成平方增长．从而降低　

能量利用效率　因此，要想获得更大的发射体弹射速度．　需采用多级发射装置［１］　本文专门就该五级线圈炮电路图　

的优化过程进行报道．希望对从事多级线圈炮模型设计　

与制作的研究人员具有参考作用　１主要部件和材料　

空心线圈：为线圈炮的主体：空心部分为圆形剖面的　

轨道，线圈绕制在轨道外部。线圈部分使用漆包线　

电容：以单个大容量电容器为主体，利用电容储存的　电能和电容的瞬间放电能力．瞬间产生强大磁场　聚合物锂电池：该锂电池为２Ｓ　２５Ｃ型号。输出电压７．　

４ｖ，充满后实际电压８．４ｖ．最大放电电流５０Ａ。该聚合物锂　

电池因为放电快．适合给电容高速充电。　

升压装置：俗称ＺＶＳ（Ｚｅｒｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｗｉｔｃｈ）升压电路．　通过控制输出电压来控制线圈产生的磁场强度和发射体　

感受的磁感应强度。使用单个可靠锂电池或蓄电池连接　升压模块是安全而有效的选择　

单向可控硅：替代开关，完成控制功能　电容器和线　

圈之间，除必要导线外，不能使用任何无法承受高电流的　部件。可控硅具有低电流触发高电流接通的特性　选用单　向可控硅．可在保证安全性的同时提高科学性。　快恢复二极管：型号ＦＲ６０７，反向耐压１０００Ｖ。在电容　

器给线圈放电完成后．随着电流消失，磁场减小．线圈中　

会感应出与原电流方向一致的感应电流，该感应电流有　可能击穿可控硅。但是。加装该二极管之后，感应电流将　

自身消耗完毕　光电门：当光电门被遮挡时，输出高电平信号。利用　

光电门触发下一级的加速．不但自动而且精准．与轨道半　径相匹配．这是用来制作多级加速的最佳选择。　

发射体：选择软铁材料。软铁只有在磁场中才会被磁　

化．一旦磁场消失自身的磁场也同时消失。本模型使用的　发射体长度为５０ｍｍ直径为８ｍｍ质量为１５ｇ。　

圆形轨道：使用透明的有机玻璃，方便观察发射体位　

置。　各级主要结构：使用ＡＢＳ塑料．因为磁场和电流较大　的原因．应避免使用金属材料　

外壳框架：使用金属铝，因其轻便和不导磁。　２参数确定　

结合计算机电磁线圈模拟器．分别进行了不同参数　

的计算模拟仿真（见表１）。　

最终确定各项数据如下：　铜线直径０．５９ｍｍ　

支架直径１２ｒａｍ　

电容值ｌＯ００ｕＦ　铜密度８９２０Ｋｇ／ｍ　

总级数　ｘ５　

铜导电率５．８＂１０７Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ　表１各级线圈的模拟仿真值　

线圈长度　铜线长度　线圈阻抗　开路线圈电感　级　绕制匝数　（ｃｍ）　（ｍ）　（Ｑ）　（ｕＨ）　第一级　３６８　３　２Ｏｌ３８　１．２８５　８３８．８８６　第二级　３６８　３　２Ｏ．３８　１．２８５　８３８．８８６　第三级　３１０　４　１５．５４　Ｏ．９８ｌ　３９９．５ｌｌ　第四级　２４８　４　ｌ２，ｏｏ　０．７５７　２３９．１５６　第五级　２３４　５　１０．９２　０．６８９　ｌ６３．５　

对每一级就电容放电进行电流和电压模拟．就发射　

体的受力和速度进行模拟。通过不断更新速度和位置进　行模拟仿真，可以得到较佳的初始发射偏移量。最终，本　

五级线圈炮模型所使用的偏移量分别为一３５ｍｍ、一６０ｍｍ、　

一６０ｍｍ、一６０ｍｍ、一６０ｍｍ。李三群在研究中观察到．

不同触　第１３卷总第７７期　中学理科园地　实验教学　

发位置对弹射速度有很大影响…．笔者在测试中也观察到　

类似现象　

３多级加速模拟　

表２为装配结束后在ＺＶＳ高压输出２４Ｖ情况下各级线　圈加速模拟仿真结果。因为在最初设计时作者并非按照　２４Ｖ来设计每级线圈．所以能量转化效率不高．第一级效　

率过低。事实上。如果按照２４Ｖ设计制作．第五级的效率应　

该在３５％以上。国伟曾经报道．长度与直径之比介于０．８—１．　２之间单级中距线圈．在最佳激发位置时．不同启动速度　

下的效率介于１９—３０％之间ｌ２＿　表２　ＺＶＳ高压输出２４Ｖ情况下各级线圈加速模拟仿真结果　

级　级前速度　级后速度　电能消耗　发射体动能增加　能量转ｆＩ：效率．　

第一级　ｏｎ　１．４６ｍ／ｓ　０．２８Ｊ　ＯＩｏｌＪ　５．５７％　第二级　１．４６ｍ／ｓ　２．９６￣ｓ　０．２８】　０．０５Ｊ　ｌ７　％　

第三级　２．９６ｍ／ｓ　３，９７￣ｓ　０．２ｓＪ　Ｏ．Ｏ５Ｊ　ｌｓ＿３％　第四级　３．９７ｍ／ｓ　４．７９ｍ／ｓ　Ｏ．２８Ｊ　Ｏ．０６Ｊ　１８．７２％　

第五级　４．７９ｍ／ｓ　５．４０ｍ／ｓ　０．２８Ｊ　０．Ｏ４】　ｌ６３　

通过不断测试．作者发现多级线圈加速存在有两个　

规律。首先，多级加速中无论采用何种放电电容和线圈，　第一级线圈的效率是所有级数中最低的。因为Ｆ＝ｍａ。当把　

发射体在磁场中受到的力近似看作为恒力时．加速度ａ可　以看作固定。因为每级放电时间可以看作相等，所以在ｔ一　

定情况下Ａｖ＝ａｔ．对于第一级来说　＝ａｔ．所以第一级动　

ｆｌ￣Ｅｋ＝＿＝Ｉ１　ｍ口２增长最少。　

其次，经过测试和对比发现，输出电压越高，效率越　低。２４Ｖ输出时．效率平均可以在３５％以上，而４００Ｖ输出时　效率平均只有５％。图１为在一定初速度５ｍ／ｓ以及最佳位置　

情况下．不同输出电压情况下第一级线圈对应的不同级　

后速度、能量消耗以及效率之间的散点图。　可以观察到．效率和电压似乎有某种关系，或成反比　

分布　

１　＋溯　嘲　ｌ　＋绷期廿　厂　＋　＋　唪　『——７　百—～　

＼基　＆　／　拳　蹬　量／　暮＼　ｇ；—　，　一－　＿一　：：二一．　。　？　４－满嘲　＋擐釉鲥啪嘶０　士　【霉　

图１第一级线圈能量消耗和效率与电压之间的关系　经过对上述效率与电压的５个测试数据进行拟合（参　

见图１效率曲线），估算效率（ｙ）和电压（　）之间的关系为　ｙ＝５．９５４３ｘ　，　＝０．９９９２，拟合度非常高。分析显示，效　

率与输出电压间确实有某种密不可分的联系。然而这里　面的影响因素多而杂乱．如果没有精确地计算不能轻易　

地下结论。作者猜想可能存在卵　１的关系。　Ｕ　尽管电压提高时效率降低了．但是速度的提升是显　而易见的，几乎呈线性增长（参见图１）。因此。如果希望提　

高发射速度，提高电压是有效方法。这正是通常将电磁武　器与高电压联系起来的原因　

４电路设计以及优化　

电路设计是多级线圈炮模型实施的核心和难点。该　线圈炮电路图历经５次修改和优化．每一次都是因为在制　

作过程中发现了新的问题而不得不进行调整及优化。　

讣　

图２第五次最终稿　图２的最终稿是简化过后的最简版本。有时候复杂的　

布线也会导致不明的问题．所以简单的电路和布线是非　

常必要的　在图２中可以看出．在每一级的高压输入前都加入了　

一个ＦＲ３０７－－极管．因为每一级需要单独放电．不能相互　影响．而二极管可以阻隔开每一级。由低压正极信号作为　

第一级Ｇ的触发信号，之后的每一级都由光电门触发，成　功完成了多级加速的设计　另外在每一级的高压输入之　

前还有一个当前级的开关．可以用来决定当前级是否开　

启，有效地增加了安全性。　（下转第４７页）

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培养学生的各种实验能力。并及时对实验目标的制定、实　验目标的实施、实验的结果进行过程性评价和总结性评　

价。　探究活动。带给学生较多的思考、讨论和动手的机　

会。唤醒了学生的主体意识，培养了学生分析、解决问题　的能力。例如，中职化学的新教材里设置了“你知道吗？”、　

“想一想”、“交流与研讨”、“观察与思考”、“实验”、“实践　活动”等栏目。教师要放手，尽可能给学生创设思考、实　

验、探究的情境和条件，让他们在“做”的过程中，体验实　验探究、思考的乐趣和成功的喜悦。在此过程中教师要积　

极评价、赏识教育，从而激发他们积极的学习兴趣。如，钠　

燃烧发出浓烈的黄色火焰．钠与水反应熔成闪亮的小球　四处游动的奇妙景象让学生兴奋不已：上电脑室查阅资　

料，围绕可燃冰的组成、性质、成因、用途等方面，写一篇　文章等实践活动。面对自己的学习成果．让学生感受了自　主学习、拓展学习带来的欣喜。鼓励学生将某些实验改成　微型实验．在节省试剂的同时．又展示了较好的实验效　

果，培养了学生的探索精神。　

５创　

“创”即创造力。这是实验教学的最终目标。通过“创”　敢于同传统知识作斗争．在实践中发现问题，而后富有创　

造力地进行改造、完善实验的方法和工艺流程。真正地培　养学生的创造力　指导学生运用所学化学知识展开一些　

实验课题的研究和探讨，如配制土农药；检验土质、水质、　大气成分；探讨金属防护方法：设计净水装置；利用苹果　

作介质设计原电池：利用废铁制绿矾等生产、生活中看得　见．用得着的小课题进行探研。激发学生学习化学的热　

情．也在知识的学以致用中培养他们勇于探索、敢于创新　

的能力．为今后输送具有基本科学素养的实用型人才打　

下了基础。　

（上接第４５页）　

５结语　本文首次公开了五级线圈炮电路图的详细设计及优　

化过程．并解释了每次优化的原因，对其他多级线圈炮的　研究与实践具有重要参考意义　通过对五级线圈炮最终　模型的不断测试．发现多级线圈炮呈现两个重要特性．即　

多级加速中无论采用何种放电电容和线圈。第一级将会　是所有级数中效率最低的：使用的输出电压越高。效率则　

越低　效率与输出电压间存在某种极为复杂的关系，这一　复杂关系有待于进一步探索。　

笔者在五级线圈炮的设计和制作过程中，进一步提　高了对电磁发射技术、电路设计、概念构造、机械设计的　认识，验证了发现问题和创造性地解决问题的能力，增强　

了独立思考能力和动手能力．激发了对高科技知识不断　

探索的热情。　

参考文献：　

［１］李三群，张朝伟，邓启斌等．多级同步感应线圈炮的动态特　性仿真［Ｊ］．高电压技术，２００９（１２）：３０６５—３０７０．　［２］国伟，苏子舟，曹斌等．单级感应线圈炮弹丸出１：７速度与效　率影响研究ＥＪ］．火炮发射与控制学报，２０１６（２）：１－．－４．