电磁轨道炮方案与初步研究报告设计方案.docx

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电磁轨道炮方案与初步研究报告设计方案

电磁轨道炮的设计与初步研究

组长：

夏君非二

（2）

组员：

张丰泽二（9）

王敬淳二

（2）

周云暐二（）

指导老师：

徐明

上海市七宝中学

完成时间2012.4

摘要

进行电磁轨道炮简要模型的制作，分析其工作原理，即安培定理、电磁感应定理等，加深对各种电磁学原理的认知与运用，试对电磁轨道炮在生活中的运用提出自己的见解，对电磁轨道炮未来的发展提出自己的观点。

提升动手能力，沟通能力等多种人际交往能力。

贯彻落实学校人文见长，全面发展的理念。

关键字

电磁轨道炮安培力电磁感应定理

一：

研究背景

本组实验研究的基本目的在于还原轨道炮的雏形，以其最原始的构造对影响电磁轨道炮的各种因素进行探究

轨道炮是电磁炮最常见的式样。

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器．与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程．但因材料和电力等关键问题无法从根本上解决，致使电磁轨道炮研究中断了很久。

电磁轨道炮有一些突出优点：

一是弹丸速度快，精度高，射程远，威力大。

二是炮弹体积小，重量轻。

三是生存能力强。

电磁炮引起了世界各国军事家们的关注

基于电磁炮多方面的优点，本文研究小组计划构造出电磁炮的基本模型，以此研究并改进其性能。

经查阅资料，已得知该方面研究的进展与部分细节：

1轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出。

2轨道间的强磁原由两导轨通以电流而产生，小型轨道装置无法产生大磁场，而是使用加装在轨道下的永久磁铁替代。

故磁铁的磁感强（到导轨一定距离）大小、空间均匀性及其取向是产生磁场的要素。

3轨道炮通常是大功率机械。

通电流后，在子弹和轨道间产生的大量热足以使其部分氧化，从而影响子弹和导轨的接触，降低轨道炮性能。

（预设I=7-10A）

4子弹的形状关系其受到的导轨和空气的阻力，对于其发射的初动能有一定影响。

系统内磁场不可避免的不均匀性，导致子弹（初设想子弹为一根铜棒）两端力矩失衡而旋转。

从网络资源得到子弹形状为球形或扁的薄片。

二．研究设想

电磁炮，是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器．与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程．电磁炮，已在未来武器的发展计划中成为越来越重要的部分。

而电磁轨道炮，即利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去的一种新型武器。

为研究最新型武器轨道电磁炮的设计原理及将原理应用在生活中的可能性，本小组欲通过实验与理论共同进行的研究方式对轨道电磁炮进行一系列的研究。

电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。

这就是是电磁炮的基本原理。

我们通过最简单的电磁轨道炮设计来进行最初步的研究——用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。

把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。

通过资料调查得知，早在1980年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。

它把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千M。

基本原理图如下：

其基本发射原理是根据安培所提出的安培力，即通电导线在磁场中受到的作用力。

电流为I、长为L的直导线。

在匀强磁场B中受到的安培力大小为：

F=ILBsin（I，B），其中（I，B）为电流方向与磁场方向间的夹角。

安培力的方向由左手定则判定。

但由于实验条件的限制，无法提供匀强磁场，所以我们采用的计算公式为对任意形状的电流受非匀强磁场的作用力的公式，即把电流分解为许多段电流元I△L，每段电流元处的磁场B可看成匀强磁场，受的安培力为△F=I△L·Bsin（I，B），把这许多安培力加起来就是整个电流受的力。

我们计划采用控制变量法，多次实验，分别控制除电流以外的量、磁场以外的量、轨道材料以外的量、轨道间距以外的量及炮弹的材料、形状以外的量，研究电流、磁场、轨道材料、轨道间距、炮弹材料形状对实验结果的影响。

同时研究各种理论在不同条件下的应用。

对电流的实验

其他条件一定，即磁场（磁铁间距）一定，轨道材料、间距一定，炮弹材料、形状一定，改变电流大小或方向，研究炮弹速度、轨道磨损度与电流的关系。

多次实验，归纳实验结果并思考该实验结果及实验中运用到的原理是否可以运用于生活。

预计实验结果：

通直流电时，电流越大，炮弹在导轨上运行的速度越大，对导轨的磨损越严重。

通交流电时，炮弹在导轨上进行往复运动，并对该块轨道区域造成严重磨损。

对磁场的研究

其他条件一定，即电流大小、方向一定，轨道材料、间距一定，炮弹材料、形状一定，改变磁场（磁铁间距）大小或方向，研究炮弹速度、轨道磨损度与磁场的关系。

多次实验，归纳实验结果并思考该实验结果及实验中运用到的原理是否可以运用于生活。

预计实验结果：

磁场方向对实验结果仅有方向上的影响，磁场越大（间距越小），炮弹在导轨上运行的越快，对导轨的摩损越严重。

对轨道材料的研究

其他条件一定，即电流大小、方向一定，磁场（磁铁间距）一定，轨道间距一定，炮弹材料、形状一定，改变导轨的材料，研究炮弹速度、轨道磨损度与轨道材料之间的关系。

预计实验结果：

炮弹速度与金属导轨导电率有关，轨道磨损度与金属的摩擦系数有关。

对轨道间距的研究

其他条件一定，即电流大小、方向一定，磁场（磁铁间距）一定，轨道材料一定，炮弹材料、形状一定，改变轨道的间距，研究炮弹速度与轨道间距的关系。

多次实验，归纳实验结果并思考该实验结果及实验中运用到的原理是否可以运用于生活。

预计实验结果：

在不考虑磁场覆盖面积的情况下，轨道间距越大，炮弹速度越大，对轨道的磨损越严重。

（根据安培力公式）

对炮弹材料形状的研究

其他条件一定，即电流大小、方向一定，磁场（磁铁间距）一定，轨道间距、材料一定，改变炮弹的材料或形状，研究炮弹材料（铜、铁、铝、锡）、形状（棍、球）对炮弹速度、轨道磨损度的影响。

预计实验结果：

炮弹速度除了与本身金属导电率有关，还与其横截面积有关。

横截面积越大，电阻越小，电流越大，速度越快。

球体金属炮弹对轨道的磨损小于棍状。

任何的实验，都需要有理论基础以及实验设计，本小组大体实验规划如下：

（一）：

分析实验材料：

1.选用电阻率较小的金属制作轨道电磁炮的导轨，以及“炮弹”，用以使得能够通过该金属的电流达到实际能够达到的最大值（根据F=BIL计算可知，安培力大小与电流大小成正比），继而使安培力达到最大，足以克服摩擦力，使“炮弹”具有足够的初动能，可以在导轨上运行。

2.选用导轨表面动摩擦因数大小同样被考虑在内，过大的摩擦因数会致使对安培力起阻碍作用的摩擦力的出现，可能使实验失败。

3.同样根据安培力计算式，清晰地发现导轨间的距离以及磁场大小也对实验成败有着重大影响，故而选择数种强磁铁以及多种形态各异，尺寸不同的“炮弹”进行研究。

（二）：

总体实验规划：

先制作小模型，进行研究，探究实际生活中磁场强度，导轨间距，以及电流大小，摩擦力对于实验结果的影响，对比理论计算值，进一步完善，改进缺点，再以此为基础，制作出大型模型。

最后考虑应用与生活。

（导轨暂定用铜丝，“炮弹”暂定为短铜丝，用保护电流为3A的可调电源供电。

实验：

实验器材：

铜导轨两根，固定导轨，绝缘用木棒2根，固定磁铁用铁板一块

实验过程：

将强磁铁（圆形）固定于铁板上，调整电流3A，稳流输入，架置好导轨，放置“炮弹”，连接电流传感器。

开始实验。

首先研究电流一定，导轨间距一定时，改变两磁铁间距，产生不同磁场对于实验结果的影响。

依次将连磁铁间距调整至2cm1cm0.5cm无限趋近于0cm（由于磁铁有相互排斥作用，无法完全将磁铁两两靠紧）。

结论如下：

小型磁铁：

电流一定：

6A

距离：

（cm）

效果

2

铜丝沿导轨移动至两圆形磁铁边缘。

（终止位置5mT，于S、N极之间摆动）

1

铜丝沿导轨移动至两圆形磁铁中央位置静止不动。

（终止位置10mT，趋近S极）

0.5

铜丝沿导轨移动至两圆形磁铁中央位置静止不动。

（终止位置10mT，趋近S极）

趋近于0

在磁场范围内沿导轨运动至无正向磁场为零时停止。

由此得出结论：

磁铁间距达到最小时，可达到最佳实验效果，可使用更强磁铁使实验现象更为明显。

实验中的小问题：

1.实验过程中，时常产生电火花，导致导轨与“炮弹”接触点熔化，粘连起来，使铜丝“炮弹”绕粘连点旋转，无法达成实验目的。

经查询，纯铜的熔点在1083.4±0.2℃，理应不会出现这种状况，猜测家用粗铜丝为合金材料，熔点因此降低。

故而决定将实验材料改为铝合金。

2.进一步探究得出：

两排磁铁轨道中央B=90mT（N），列与列之间为100mT（S），所以两排磁铁效果不如一排的好。

此后本小组又进行了一系列的实验，综合研究了几种情况：

1.电流问题：

由此发现，每次通电都瞬间通过电流，产生瞬间的安培力，给予“炮弹”初动能。

2.磁场间距问题探究：

磁场强度表（A）

（单位距离：

1mm；磁铁间距：

4mm）

坐标

磁场强度（mT）

（0，0）

140

（0，2）

180

（0，10）

300

（0，20）

330

（0，30）

300

（10，0）

70

（10，10）

250

（10，20）

290

（10，30）

260

（2）

磁场强度表（B）

（单位距离：

1mm；磁铁间距：

0mm）

坐标

磁场强度（mT）

（0，0）

230

（0，5）

290

（0，10）

305

（0，20）

310

（10，0）

55

（10，10）

293

（10，20）

310

后续实验部分：

为优化实验，达到最好效果本小组根据查得资料，对实验进行改进。

1）导轨问题，由于现在才用的铜丝导轨有两大问题：

1.合金，熔点较低，易将“炮弹”粘在导轨上。

2.由于使用粗铜丝，只是人力难以将其变得光滑平直，对实验有着不小影响。

改进方法：

本小组与五金店采购铝合金板两块，经处理后，作为导轨使用，可有效解决熔点以及形状问题。

新的问题：

实验几乎没有产生效果，在本小组探究下，终于发现铝合金外有一层氧化膜，每次磨去以后才能达到实验要求进行实验，且会不断出现。

由于用磨砂磨过以后会产生更大的接触面动摩擦因数，降低实验的明显性，故依旧采用铜丝作为导轨。

2）“炮弹”部分：

经资料查询，本小组得知球状“炮弹”，可以取得最好效果，本小组寻得铜球（合金）以实验。

新的问题：

实验中，铜球效果弱于细铜丝。

本小组探究下发现，两大原因硬起这一问题，究其根本，因为该铜球是合金。

1.首先强磁铁对其有一定吸引力，也就加大其与导轨间互相的压力，加大了摩擦力。

2.由于楞次定律，阻碍作用产生涡旋电流，极大地阻碍了小球的运动。

3）电源：

实验室电源达到的电流最大只能到3A左右，所以本小组决定使用大电容充电后作为电源。

结果：

改用电容为电源以后有了十分出众的效果。

本小组决定将电晕以充电后大电容代替。

由于时间有限，本小组对于实验的完善，优化进程，本实验还有许多潜力待被开发，希望为以后研究此课题者提供经验。

四．对于将轨道炮理论应用于生活的设想。

一、运用于卫星的发射。

在1980年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。

它把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千M。

如果是在真空中，这个速度还可提高到每秒8~10千M，这已经超过了第一宇宙速度，具备了作为一种新型航天发射装置的理论资格。

二、运用于物体的运送

由于应用电磁力的加速度的巨大，人体无法承受，又因为其传送速度的迅速，所以在参考了一系列的资料后，发觉这项技术在运送物品上有极大的优势——速度快、消耗小。

但在一些细节如轨道的磨损上仍有一系列需要改进的地方。

五：

研究展望

由于时间、材料和物力等限制，本文只对影响轨道炮的变量中部分做了专门研究，可以延伸实验进一步研究。

由于磁力作用时间长，以及相比于传统燃料发射装置，污染小的特点，轨道炮可以在需要发射的场合实现规模普及。

不足之处：

轨道炮的功率太大，功率效率却不大，造成电能的损失浪费。

电流产生的高热会部分融化导轨组件，造成炮台本身寿命缩短，且重复使用率不高。

杂质对导轨的电阻有相当的影响，使装置的保养变得困难。

主要参考

XX百科

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