摘要:近年來隨著新技術(shù)新材料的不斷發(fā)展，電磁炮的研究取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，提高電磁炮的效率的研究受到了人們的關(guān)注。本文通過實驗，分別討論了線圈炮的電容器電壓、線圈的初始位置、線圈的長度、彈丸的質(zhì)量等因素對其效率的影響。結(jié)果表明，每個影響因素均存在一個最佳值使得線圈炮的效率最大。研究結(jié)果對提高線圈炮的效率有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:線圈炮,效率,影響因素
1831年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，1901年挪威地球物理學(xué)家伯克蘭制成了第一個電磁線圈炮，60年代起，隨著脈沖功率技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電磁炮的相關(guān)技術(shù)得到解決，近年來由于新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展，電磁炮的研究取得了不少實質(zhì)性的進(jìn)展，電磁炮已開始進(jìn)入實用研究階段，2010年，美國海軍宣布成功進(jìn)行了第一輪電磁炮實驗。進(jìn)入本世紀(jì)以后，電磁炮的技術(shù)實用化和武器化是關(guān)注的熱點，電磁炮在軍事上面最主要的應(yīng)用是可作為直接瞄穿武器和遠(yuǎn)程壓制武器，特別是美國的軍方出臺了一系列的有關(guān)電磁炮技術(shù)發(fā)展的國防政策和國防預(yù)研計劃，對電磁炮的供電源小型化、電磁脈沖功率傳輸和轉(zhuǎn)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，推動了電磁炮在陸軍和海軍武器領(lǐng)域上的應(yīng)用，并進(jìn)行了一系列接近實戰(zhàn)化的指標(biāo)演示實驗[1]。
線圈炮是電磁炮的最早形式，線圈炮可以發(fā)射大質(zhì)量彈丸，且彈丸與線圈沒有接觸，因此不存在燒蝕和磨損等問題[2]。而且線圈炮發(fā)射彈丸的初速度高，所以可以提高對移動目標(biāo)的命中率。相比于傳統(tǒng)火炮，線圈炮的射程可以通過過載電流直接控制。線圈炮發(fā)射時噪音小，而且?guī)缀鯖]有炮口火焰，因而隱蔽性非常好。另外，線圈炮有較高的效率(大于50％)，但是線圈炮存在耗能高、蓄能慢和能量利用率低等缺點。本文將線圈炮實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)后進(jìn)行實驗，對如何提高線圈炮效率進(jìn)行探究。
線圈炮由若干固定線圈和彈丸線圈組成。固定線圈相當(dāng)于炮管，起加速彈丸的作用。當(dāng)固定線圈依次通電后，形成運動磁場，磁場在彈丸中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與運動磁場的相互作用產(chǎn)生力，推動彈丸加速運動[3]。為了便于研究實驗采用了磁性材料作為彈丸，本實驗裝置如圖2所示。
據(jù)此，本實驗的設(shè)計思路是:在分別改變電容器電壓、線圈的初始位置、線圈的長度、彈丸的質(zhì)量的情況下，探究線圈炮效率的變化規(guī)律。
3實驗與結(jié)果分析
3.1電容器放電的電壓對線圈炮效率的影響
為了討論線圈炮效率與電容器放電的電壓之間的關(guān)系，本實驗在彈丸質(zhì)量一定，線圈長度相同的情況下，改變電容充電電壓的大小，測量彈丸的最大速度[4]，根據(jù)(1)式計算出線圈炮效率。其規(guī)律如圖3所示。
由圖3可知，隨著線圈兩端電壓的升高線圈炮的速度逐漸增加，但是效率增加不是線性增加，而是隨著電壓增大效率先上升后減小，到后期效率逐漸減小，這是因為線圈產(chǎn)生的磁場還對彈丸做了負(fù)功，電壓越大，彈丸的初速度大，相同時間內(nèi)移動的距離遠(yuǎn)。在線圈磁場消失前可能會略微受到磁場的反作用力，所以效率不是線性上升，而是隨著電壓的升高先增大后減小并存在一個峰值。
3.2彈丸的初始位置對線圈炮效率的影響
在保持線圈長度、電壓、彈丸質(zhì)量不變的情況下，改變彈丸的位置來探究彈丸的初始位置對效率的影響[5]，其結(jié)果如圖4所示。
由圖4易看出:隨著彈丸初始位置的不同，彈丸在初始時刻所受的力和加速距離都不一樣，所以彈丸的初速度不同，而且彈丸的初速度較快，也許彈丸飛行到加速線圈末端時線圈的磁場還未消失，磁場還可以作用到彈丸上并對其產(chǎn)生影響，因此隨著彈丸相對加速線圈的初始位置不同，線圈對彈丸的加速效果也不相同，由圖4可以看出對于不同的彈丸初始位置，存在著一個最佳位置，使彈丸的速度最大，效率最高。
3.3加速線圈的長度對對線圈炮效率的影響
在相同的情況下給彈丸加速的時間越長，彈丸的初速度應(yīng)該越大[6]，進(jìn)而線圈炮的效率會更高。因此，改變線圈的長度，探究在相同電壓，相同彈丸，不同線圈長度情況下彈丸的最大射速，反映出線圈炮的效率變化情況如圖5所示。
由圖5可知:
(1) 隨著線圈長度的增加，彈丸射速最大的點(最佳位置)逐漸向炮口移動。
(2) 隨著線圈長度的增加，彈丸的速度變化幅度逐漸變小。
(3)驗證中的猜想，隨著線圈長度的增加，彈丸的最大速度減小。
(4)由于線圈變長，線圈另一端由于距離變長所以提供給彈丸的動力變小，所以想要增大動力，彈丸就要適當(dāng)?shù)赝耙啤?/span>
3.4彈丸的質(zhì)量對對線圈炮效率的影響
在磁場中，彈丸在受力的同時，它們本身由于互感也會產(chǎn)生一個與線圈磁場相反的磁場來削弱總磁場，通過改變彈丸的數(shù)量，可以改變線圈炮的效率[7]。在彈丸的位置不變、線圈長度不變、放電電壓逐漸增大的情況下，改變彈丸質(zhì)量來探究其對線圈炮效率的影響，得到規(guī)律如圖6所示。
由圖6可知:
(1)最大速度隨著質(zhì)量增加略有減小(線圈磁場被彈丸的磁場削弱)，彈丸倍數(shù)增多時應(yīng)該考慮空氣阻力(與炮管阻力幾乎為零)。
(2)開始隨著電壓的增高，線圈炮效率也在增高，增到一定程度后線圈炮效率隨電壓的增高而降低。
(3)在相同的電壓下，隨著彈丸質(zhì)量的增加，線圈炮效率也在增高。
4結(jié)果與討論
實驗對影響線圈炮效率的四個主要因素進(jìn)行了定量研究，研究結(jié)果表明:
(1)適當(dāng)增加電容兩端電壓可以提升線圈炮的效率。
(2)彈丸的初始位置一般靠近線圈的尾部效率會比較高。
(3)把線圈長度增大到彈丸長度的三倍左右會獲得最大效率。
(4)最后在條件允許的情況下增大彈丸的質(zhì)量可以適當(dāng)提高線圈炮的效率。
為了深入分析，由實驗分別得出了電容電壓、彈丸的初始位置、線圈長度、彈丸質(zhì)量對線圈炮效率影響規(guī)律的曲線。從四條曲線上可以看出，每個影響因素都存在一個最佳值，使得效率達(dá)到最大，因此合理地設(shè)計電容電壓、彈丸的初始位置、線圈長度、彈丸質(zhì)量能夠提高線圈的效率。實驗雖然只是一個線圈炮的模型所得到的規(guī)律，但其對提高線圈炮的效率有重要的理論指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn):
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