电磁炮及其相关材料技术实验报告

电磁炮及其相关材料技术物理学理论的不断进展与完善，促进了军事能源的不断变革，促进作战兵器的不断更。枪、炮是作战的主要武器之一。随着作战空间的不断加大，火药对提高炮弹在炮口的放射速度的力量已很有限，很有必要另辟径。5年，美国国防科学委员会在装甲/反装甲技术争论会上就做出结论:的高性能兵器必定以电能为根底。”电磁炮是利用电磁放射技术制成一种先进的杀伤武器，在将来战斗中有着宽阔的应用前景。本次试验以电磁炮为切入点，通过对电磁炮原理和性能的分析讲解，引出电磁炮宽阔的应用前景和进展阻碍，并提出解决相关问题的材料学途径，包括试验用的可控硅开关、超级电容器、超导材料、纳米技术等等， “一个试验，多项技术”是在设计整个试验时的思路。试验目的12345试验原理1、电磁炮的简介及分类电磁炮是利用电磁放射技术制成的一种先进动能杀伤武器。 与传统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产生的洛伦兹力来对金属炮弹进展加速，使其到达打击目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。依据加速方式，电磁炮分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮。本次试验重点演示的便是线圈炮。2、根本原理〕线圈炮图1B沿轴线方向的分布线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位长度的匝数为nRli时，依据电磁学理论，螺线管沿轴的 B-x 关系如图1，在螺线管中部磁场均匀，端口四周磁场发散。螺线管端口四周 p点B的轴向重量为〔1〕式中μo为真空磁导率，x为p点坐标。图2线圈炮简洁电路图线圈炮的简洁电路图如图2所示：220V沟通电经过整流器的整流之后变成直流电，K1接通后，电容C开头充电，等到电容充电完成后，断开 K1。线圈相当于炮身,在线圈的适宜部位装上弹丸，接通 K2，在线圈处便会产生一个由脉冲电流产生的强大磁场，如公式〔1〕所示，磁场会驱动铁制弹丸前进，从而将弹丸放射出去。〕轨道炮图3导轨炮工作原理导轨炮的工作原理如图3所示，主要由一对平行导轨和夹在其间可移动的电枢及电源、开关等组成。当开关闭合时,向一条导轨输入强大的电流,经过电枢沿另一条导轨流回。载流电枢在导轨电流产生的磁场中受到洛伦兹力的作用而被加速将弹丸射出。电枢弹丸所受的力可表示为(2)其中F为洛伦兹力(N) 、L′为导轨电感梯度(H/m) 、I 为电流强度(A) 。弹丸的加速度则为, (3)式中a为加速度(m/s 2) 、m为电枢与弹丸的质量之和(kg)导轨中的电流强度越大,弹丸的加速度就越大弹丸的运动速度越快。3、可控硅开关的原理可控硅开关可控硅又叫晶闸管，是晶体闸流管 (Thyristor) 的简称，俗称可号为““VT”表示。图4可控硅原理图

。由(3)

式可见,4所示，可控硅有四层、P半导体构成，可以把可从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层组成另一只 PNP型晶体管。其中其次、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在掌握极G和阴极C之间〔相当BG1的基一射间〕输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1，经放大，BG1β1倍的集电极电流IC1。BG1集电极与BG2IC1BG2的基极电流Ib2。BG2又把比Ib2〔Ib1〕放大了β2的集电极电流IC2BG1BG1、BG2完全导通。实际这一过程是“一触即发”的过程，触发信号参加掌握极，可控硅马上导通，时间极短，主要打算于可控硅的性能。BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而是经过BG1、BG2放大后的电流〔β1*β2*Ib1〕这一电流远大Ib1，足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消逝，可控硅仍保持导通状态只有断开电源EaEaBG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断作为一种无触点开关，可控硅开关具有反响极快，在微秒级内开通、关断；无火花、无噪音、效率高、本钱低等优点，在本次试验电路的通断中起着重要的作用。4、试验用〔超级〕电容器电容就是整个电磁炮的动力来源，它打算了电磁炮的规格，但在试验预备时肯定要留意电容的选择。电容耐压V的凹凸是打算电磁炮威力的重要参数，理论上电压越大威力也就越大〔指在其他一切条件不发生变化的状况下电压越高弹丸出膛速度越快〕 ，但前提在其它电子器件的承受电压范围内。电容的容量uf则打算了电容能储存多少电能。选用合理容量的电容器可以过短，初速也会降低。容量过大会导致电容给线圈放电时间过长，当弹丸通过线圈中点时电容仍在放电，产生的磁力会对弹丸产生一种反向的拉力，降低初速，这种也称为反拉现象，是应避开的。本次试验使用的是两个并联的铝电解电容器，这是一种由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极而制成的电容器，具有电性能好、适用范围宽、牢靠性高等优点。假设想要到达更高的容量，则可以选用超级电容器，超级电容器可以是由多孔炭等材料制成，该材料的多孔构造允许其面积到达 2023m2/g，通过增大外表积，从而到达更大的储电量。应依据预期到达的电磁炮威力的大小、子弹的种类等合理地选择电容器。停顿充电。本次试验的充电时间大约为6、电磁炮的优缺点优点：

10秒。电磁推动力大，弹丸速度高，射程远：七倍音速甚至更高，理论射程可达300多公里；弹丸稳定性好；隐蔽性好；弹丸放射能量可调；经济：常规火炮放射药产生每焦耳能量需要 10美元，而电磁炮只需要0.1美元。应用过程中的障碍：重量、体积大，一般平台无法使用；耗电量大，效率低下，需要高性能的电源；材料性能要求高；炮管发热现象严峻，严峻可烧毁炮管材料。目前没有适宜的作战平台，而作战平台的开发，配套设备〔即全数字化作战系统和全电力作战平台〕的研发耗资巨大。7、材料学上的解决方案随着材料技术的进步，以上电磁炮在有用过程中的问题也渐渐有了解决方案。炮管的发热问题是由于存在电阻，而且加上通过的电流格外大，有时需要到达上万安，由焦耳定律Q=I大的电流，即

2Rt可以知道，肯定的电阻、强使在时间很短的状况下也会造成很猛烈的发热现象，严峻可烧毁炮管材料。但是假设使用超导材料制作电路和炮管材料，这个问题便得到了很好的解决，超导材料电阻为0，不会有发热现象。但是超导材料的应用也需要满足实战而对于小型化问题，这个则需要借助于纳米技术，承受纳米材料来制作相关的电子器件，电磁炮小型化的一个关键问题是电源的小型化，要在一个小的电源上释放出强大的能量，这需要精湛的工艺和先进的材料，通过对目前美军电磁炮试射可以说明，电源小型化技术已有所突破，有资料说明纳米技术起了很大的作用。我们信任随着材料技术的进步，以上问题都会迎刃而解，电磁炮也会在将来的反导、反舰等战斗中有着巨大的作用，在航天器的放射等领域也会有着非同寻常的意义。试验内容1、线圈的绕制从塑料管一段2厘米处开头将线圈绕制在塑料管上，每层40匝，一共缠5层，留意绕线圈肯定要紧实，可用胶水固定，由于线圈的制作好坏将直接打算弹丸的初速。2、可控硅的检测

图5绕制线圈万用表选电阻R*1Ω挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为掌握极 G，红红表笔仍接阴极。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极 A和掌握极G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为 10欧姆左右。如阳AK硅已击穿损坏，不能使用。2、电路的焊接图6试验用电路图依据电路图焊接电路，焊接时应留意：〕等现象。〕爆炸等后果。〕绕制线圈的铜线外有一层绝缘外皮，在焊接时应先去除。〕焊接完成后应当将暴露在外的焊点用胶带包好，避开短路等后果。〕为了美观，可将电路器件进展修饰，装在一个容器内，做成肯定的外形。3、电磁炮的试射

图7经成员加装外壳后的自行电磁火炮〕预备好设计的目标，气球、易拉罐等。〕220V沟通电对线路进展供电，线路通过整流作用，对电容进展充电，充电完成后断开电源，在电容上可将万用表调制容器充电时间。

1K档位，观看充电状况，得出电〕装填弹丸，留意装填的位置，是弹丸距线圈的中心有肯定的距离，但不过大。〕确定好距离〔适中〕，瞄准目标，按下触发开关，可控硅导通，强大的电磁力将弹丸放射出去。4、试验效果经过试验的测定，结果如下：气球，轻松打爆；硬纸板，击穿；图图8硬纸板已经击穿易拉罐、硬质奶粉罐，打出一个洞，接近击穿。图9金属罐毁伤效果图试验器材铜线、塑料管、铁制弹丸、导线、铝电解电容器、限流电容、可控硅、整流器、五号电池、整流二极管、电烙铁、胶带、气球、易拉罐等。留意〕试验所