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1、线圈炮的相关研究学生：姜指导老师：张内容提要：线圈炮为电磁炮的最早形式，本文对线圈炮的发射原理进行了一定的了解，并对发射电枢为闭合线圈的受力进行了分析推导。用铁钉作为发射电枢，用手头材料制作了一个简易的线圈炮。并在实验中，采集数据，得到电枢出口速度与其所在位置的关系曲线，并分析相关误差产生的原因。关键词：线圈炮、电枢、出口速度一、引言本实验研究的线圈炮为单级感应线圈炮，属于电磁炮，是一种新概念武器。此次实验的主要目的是对这一动能武器进行深入了解探究，明白其发射原理，了解其受力因素，并通过实验进行验证。二、实验背景电磁动能
2、武器[1]即电磁炮是近年来研制的新型武器,是利用电磁加速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的机理不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场与弹体的作用力发射炮弹.由于常规火炮是由火药爆发力来发射,最大速度一般无法超过2km/s，而电磁炮发射弹体时,可对弹体受力进行控制,使其速度可远远超过常规火炮,因而自20世纪80年代初期以来,电磁炮在新式武器的发展计划中,已成为越来越重要的部分.目前已有的成果主要有四类,即导轨炮、线圈炮、电热炮、重接炮。本实验研究的主要是是线圈炮。三、实验原理线圈炮[3]一
3、般由储能电源（如电容器组）、驱动线圈、发射组件（包括电枢和弹丸）及控制开关等组成。基本结构见图1。图2线圈炮的基本结构在单级感应线圈炮的发射过程中驱动线圈固定，电枢最初位于驱动线圈中间偏右的位置，接通开关给驱动线圈输入脉冲大电流，电流流经驱动线圈产生脉冲强磁场使电枢内产生感应电流。由于驱动线圈中的电流和电枢中的感应电流方向相反而互相排斥。驱动线圈受向左的排斥力，由于被固定而保持不动，电枢受向右的排斥力，由于没有固定而被加速向右运动，并推动发射组件加速运动，直至飞出炮口。而用我们熟悉的方式来说，就是楞次定律的另一方向的应用
4、，即将“阻碍”6化为动力，将炮弹发射出去。如图2.图2采用电感法计算弹丸所受加速力。理想情况下系统中的总储能为(1)电枢的受力可认为是在运动方向上场势的偏导，设弹丸运动方向为x方向，则弹丸沿x方向运动时（炮管内运动忽略重力影响），自感项磁能不变化，只有互感项磁能随x变化。若不计其他能量损失，t时刻作用在弹丸上沿x方向的力为(2)在实验中驱动线圈为多层线圈，以左端为坐标原点建立坐标系，则线圈内部磁场的磁感应强度[5]B(x,t)=(3)驱动线圈与电枢间的互感[2]为(4)由于实验条件限制，用直流稳压电源作为电源，通过短时间
5、接通电路获得脉冲电流(5)在电枢中产生的感应电流为（6）在上式中μ0为真空磁导率，N为驱动线圈匝数，LO为驱动线圈的自感，为驱动线圈的长度，R1、R2分别为驱动线圈的内径与外径，R阻为驱动线圈的电阻，x为电枢左端坐标，为电枢长度，R枢为电枢的电阻，U0为电源电压。联立（2）（3）（4)(5)(6)式可得电枢受力为6(7)当时间t小于1ms,F为大于1N的量，当t=10ms时，F无限接近于0，考虑到摩擦力与加速过程，电枢可近似为不动。铁芯具有增强磁场的作用，则用铁钉作为电枢可将受力大幅度提高，但也因为这个特性很难计算铁钉的
6、受力，但假设以上原理仍旧适用，只能研究电枢的出口速度与初始位置的关系。令铁钉与驱动线圈的中心距为l,出口与地面的垂直距离为h，铁钉落点与出口的水平距离为x，出口速度为v,则由抛体运动方程,得到出口速度(8)四、实验过程：1、制作驱动线圈：取一根吸管，半径为3mm,作为骨架缠制一个线圈，导线半径为0.41mm，线圈长为5cm，内径为3mm,外径为7mm。2、选择直流稳压电源：在本实验中利用电脑适配器将220V交流电转换为19V直流稳压电作为电源。3、选择电枢：铁钉（长3.0cm重1.78g)4、放置器件：将驱动线圈置于高4
7、6.2cm的物体上，在出口方向上的地面铺一层细土以确定铁钉落点位置。5、采集数据：按照图一连接电路（装置图如图三），固定驱动线圈，调节铁钉位置使得两者中心距分别为2.0cm、2.5cm、3.0cm、4.0cm、4.3cm4.5cm.短时间接通电源，分别测量落点到出口的水平距离。（注意：如对同一铁钉进行实验，每次实验前进行消磁）五、实验数据出口速度v与电枢与驱动线圈间的中心距d的关系如下图V/m/sd/cmV//s从一些文献中得到的出口速度与初始位置的变化趋势[3]为6六、实验中碰到的问题1、实验得到的数据与趋势和理想趋
8、势相差太大，且在本实验中速度最大的初始位置在电枢即将出驱动线圈的位置。2、在实验中，电枢的射出方向总是变化，有时甚至只在驱动线圈内来回震荡一下。3、实验中电枢位于驱动线圈左侧，而弹体从右侧射出的情况居多。七、误差分析鉴于实验现象与预计相差很大，进一步查阅资料发现了一种新型的电磁炮——轨道高斯炮[1]这种电磁炮结合线圈
