一个永磁增强轨道炮

大概半年前做了一个永磁增强的轨道炮,不过当时没怎么细测。最近重测了一下,这里把结果发出来。
VID_20181204_130034.mp4 2.35MB 
简要的描述如下:
出速:最高约19m/s(手机录音测的)
动能:约22mJ
效率:约0.095%
弹丸:直径0.67mm,重约0.12g的裸铜线
电容组:容量0.128F,充电至24V
开关:可控硅70TPS12

整体的照片如下

IMG_20181210_130414.jpg

总体来讲,这个轨道“炮”的性能是比较糟糕的,基本只能算是能动。威力是基本没有的,22mJ甚至没法击穿卫生纸。效率也是基本是没有的,0.095%用950ppm来描述也许更合适。不过为了将“成果”固定下来,这里还是详细介绍一下它吧。

首先是弹丸:
在测试时发射的是直径0.67mm,重约0.12g的铜线,是用漆包线刮掉漆做的。

IMG_20181204_141047.jpg

 
弯成U形是为了用铜丝的弹性提供接触力,不过电接触情况还是非常糟糕的,具体的下面再说。幸好回路电感和电流都不大,所以烧蚀还算比较轻微。最严重的也就是下图这样

f585e2e2d7f68dbb86fce9f1b6e756e64c6c825b78b7c7853.jpg

 
轨道部分用的是2*6mm的紫铜条。当然并不是为了减小电阻,只是手头刚好有它,所以就用了……用铜条侧面和弹丸接触。发射完后也会有轻微烧蚀

17dc89b2d9774fc5daaf18849d85741e4c626758406ee8c10.jpg


直接看会感觉比较严重,不过黑色的地方主要是飞溅上的东西,其实拿卫生纸擦一擦就会好很多。拿砂纸轻磨几下之后就几乎看不到烧蚀了

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轨道被安装在一个3D打印的架子里。另外在轨道一端焊了根漆包线,用来测量炮口电压。

IMG_20181210_114007.jpg

 
在接触良好时,电阻非常的低,只有几mohm

9fb57826ae9f817841b07f0c85c142b6888aab54b89bffedb.jpg


3D打印的架子分成两半,每边都有一个孔,里面塞9块20x10x3mm的钕铁硼磁铁。磁铁是三个一组吸在一起,然后每边塞三组进去。由于要保证磁场方向一致,所以每组磁铁之间会相互排斥。这里的做法是,把磁铁塞进去后强行按住,再狂滴502。又在孔的出口塞了一小片卫生纸,所以从外面看不到磁铁……

IMG_20181210_114416.jpg

图上的黑色是烧蚀溅上去的,主要是最开始弹丸焊住的时候搞的。架子上还留了一些螺丝孔,本来想的是拼起来后,用螺丝紧固。不过后来发现,这些磁铁可以非常完美的把两边吸在一起,不需要额外的加固……另外,最初设计的时候,是打算发射0.8mm铜线的。而且今年三月份的时候,用0.8的裸铜线确实能成功。但是现在(12月)貌似是由于长时间的大吸力,使3D打印的结构发生了变形,0.8mm的铜线会被卡住。所以测试时用的是0.67的漆包线刮掉漆做的弹丸。
实测显示,每边三层磁铁可以在轨道中间产生大约400mT的磁场

IMG_20181204_121326.jpg

 
其实做第一版的时候,是每边都只有一层磁铁的。当时以为一层和三层应该不会差太多,结果是一层的时候根本发射不出去,三层的时候才能比较稳定的发射。直到前几天测了才发现,每边一层磁铁产生的磁感应强度只有大约210mT。

IMG_20181204_121450.jpg

 
电容是14个25V 10000uF并联成的电容组,总容量按标称值算就是0.14F,按单个电容的实测值推算应该是0.128F。

IMG_20181210_114527.jpg

 
单个电容的测量结果如下(把线剪断测的)

IMG_20181210_120339.jpg

14全部并联起来的内阻,最小应该能达到1.6mohm。不过这里并不需要那么小的电阻。为了让放电更平缓一些,这里用了一种电阻比较高的接法,就是直接把电容引脚掰平焊起来。最长的那根线实测电阻有32.9mohm,相当于最远处的电容被串联了总计60mohm多的电阻。

开关用的是可控硅,70TPS12。目前应该已经总共放过几十或者上百次电了,还没有可观测的损坏。

IMG_20181210_114603.jpg

电容组引出线用了两根6平方的铜编织带。当然也不是为了减小电阻,而是为了和轨道压接的时候,能有较大的接触面积,避免打火。用起来效果还不错,即使轨道已经有了一层厚重的氧化层,依然能可靠接触。

测试时,用实验电源把电容充到24V(漏电其实只有几mA。没充到25V,主要是胆小),将示波器接在轨道出口处,放好弹丸后,触发可控硅。 

RIGOL Print Screen2018-12-9 17_47_43.448.bmp

发射成功时的炮口电压如上图。发射后电容电压14.7V,消耗的电能23.0J。可以看到,在发射过程中,电容在3.64ms内,共计输出了0.128*9.3C的电荷量。也就是说这段时间内的平均电流是327A。注意到,从电压波形上看,弹丸和轨道之间,至少有一半的时间是没有接触的。所以实际的峰值电流可能会有近kA。 


如果发射失败,弹丸卡在轨道上,那波形会是下面这样的

RIGOL Print Screen2018-12-9 17_17_41.015.bmp

 
由于弹丸太小了,光电测速器检测不到它。所以这里用的是录音法测速。具体就是,发射前把手机放到靠近炮口的地方,开始录音。在距离炮口1m的地方立一张A4纸。具体的场地布置如下图

IMG_20181209_174050.jpg

(因为要用手机拍照,所以上图中没有手机)

发射的时候,炮口会有一些声音;弹丸命中A4纸的时候也会发出一个声音,测量两个声音的时间差就能算出弹丸速度。这里的计算方法是 

$v_{p}=\frac{l}{\Delta t-\frac{l}{v_{s}}}$

其中,vp是弹丸速度,l是炮口和目标的距离,vs是声速,都是国际单位制。

典型的声音波形如下 

永磁轨道炮20181209_173902.jpg

 
上图中,炮口声音约在2.217s消失,而命中A4纸的声音约在2.272s出现,Δt= 55ms。取声速340m/s,距离1m,计算出弹丸速度19.2m/s。然后算出动能22mJ。发射时电容损失的电能是23.0J,所以效率约950ppm。

其实可以改进的地方还是挺多的。
首先是400mT的磁场还有很大提升空间,比如可以用磁铁搭Halbach阵列,可能有百分之几十的提升空间。或者是加铁芯聚集磁场,应该最多能提高到铁的饱和磁感应强度,也就是大约2T。
电接触方面看起来也是大有可为的。现在还处在“一半的时间都没接触上”的状态,如果能持续稳定的接触,动能应该还是能提高接近一倍的。
另外现在的放电方式也颇为粗犷,还在用电阻限流。如果能用些更高端的操作,比如把电容分成多组,每组接一个开关,按合适顺序导通来降低峰值电流,应该能大幅度提高效率。

另外,把“轨道架子的模型”和测速时的“录音文件”发出来了,有兴趣的可以玩玩。 

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attachment icon 永磁轨道炮20181204.m4a 650.78KB M4A 76次下载

 

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+6  科创币    Jzqskilsky   2018-12-10   做的好
来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
2
rb-sama
2年4个月前
1楼

不错不错,低压轨道炮,用SCR很新颖啊。

但是效率单位不能用PPM来表示,PPM是parts per million的意思。

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墨镜哈哈日记
2年4个月前
2楼

我还真没想到这种测速,近期攒了个空气泡,只用2mpa的压缩空气,一直想看下出口速度算下动能

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极速外卖
2年4个月前
3楼

测速方法喜感。是否考虑用薄弹性片改善接触

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RodTech
2年4个月前
4楼

外面磁路应该用铁闭合。。。

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虎哥
2年4个月前
5楼

也就是说发射过程中产生了超过50V的感应电压?

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三水合番作者
2年4个月前
6楼
引用rb-sama发表于1楼的内容
不错不错,低压轨道炮,用SCR很新颖啊。但是效率单位不能用PPM来表示,PPM是parts per ...

ppm这个应该是没啥问题的,可能只是你不习惯吧。毕竟“%”也可以翻译成part per hundred。你看wiki上是这么说的

image.png

 

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三水合番作者
2年4个月前
7楼
引用极速外卖发表于3楼的内容
测速方法喜感。是否考虑用薄弹性片改善接触

这个……不太好搞😂现在弹丸的那条缝只有不到0.8mm了……弄一个不到0.8mm宽的薄片,有点困难。

如果要重做一个,把那条缝弄高点,应该可以试试。

现在最难受的是不知道为啥接触这么不好……感觉两个轨道已经很平了,手上感觉弹丸滑动的时候阻力也是很均匀的,而且从波形上看它是能稳定接触一段时间的……不知道为啥就会突然接触不上……

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三水合番作者
2年4个月前
8楼
引用虎哥发表于5楼的内容
也就是说发射过程中产生了超过50V的感应电压?

是指示波器屏幕上那些特别高的细线吗?应该是接触不良的时候,回路电感强行续流产生的尖峰

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三水合番作者
2年4个月前
9楼

偶然发现了一张波形图

DS2_QuickPrint1.png

是今年三月份调这个轨道炮的时候录的。很奇怪的是,从这个波形上看,当时的接触是非常的好的,整个发射过程中都没有断开……不知道为啥最近就又接触不良了。

时间过了这么久,也不记得当时的测试条件了。可能当时用的电流小一些。另外当时用的是0.8mm裸铜线,最近改用了0.67mm的铜线,可能和接触面积也有关系

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三水合番作者
2年4个月前
10楼

又分析了一下顶楼的数据

已知轨道间距L=10mm,弹丸重m=0.12g,磁感应强度B=0.4T,电容放出的电荷量Q=ΔU*C=(24-14.7)*0.128=1.19C

简化版的安培力定律是

$$F=BIL$$

两边同时对时间积分,可以得到动量与电荷量的关系

$$p=mv=\int{F}dt=BL\cdot \int{I}dt=BLQ$$

所以有

$$v=\frac{BLQ}{m}$$

代入已知数据可以得到

$$v=\frac{0.4*0.01*1.19}{0.12*10^{-3}}=39.7\ m/s$$

所以说,如果没有摩擦力的话,弹丸应该能达到39.7m/s的速度。

实际上,弹丸的速度大约是19m/s。也就是说,在轨道和弹丸相接触的3.64ms内,摩擦力抵消的动量有(39.7-19)*0.12e-3=2.48 gm/s,这期间的平均摩擦力(按时间平均)是0.68N,大约是69g物体的重力……

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radio
2年4个月前
11楼

看来这种小型轨道炮摩擦是影响性能的一大因素。。。

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skerty
1年6个月前
12楼

用圆柱的电枢试试,可以把轨道的角削成内圆弧,两根导轨把圆柱电枢卡起,这样应该会好一点

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