电磁炮演示仪的制作及优化

李佳婧　蔡灵怡　傅盈　康梓浩

摘要：本文基于磁阻式线圈炮和平抛运动的模型原理制作可用于课堂演示的电磁炮演示仪。磁阻式线圈炮利用驱动线圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的，通过控制变量法来研究线圈的粗细与电压这两个参数对子弹发射速度的影响，由于忽略空气阻力，把子弹射出炮管后下落的过程视为平抛运动，所以通过平抛运动原理测量计算发射速度。我们设计优化电磁炮演示仪，加强其稳定性、安全性、简洁性、操作性，增加多个等级实验，希望我们制作的模型能运用于课堂演示。本论文为上海工程技术大学创新创业项目cx1621005提供支持，为该项目的项目成果之一。

关键词：电磁炮；线圈炮；磁阻式；平抛运动；铁芯；控制变量

1引言

人类的武器发展史从最早原始人使用木制、石制工具狩猎等到如今熟练应用和掌握各种高科技武器，武器的打击距离、打击精度和打击效率在不断地提高。

近现代以来，常规武器——火炮等基本已经达到理论数据可达到的最大值。电磁炮以其初速高、动能大、能源简单、隐蔽性好、弹丸形状多样、装填方便和效率高等优点，在军事和航天等方面都有很好的应用前景。作为一种新概念武器的电磁炮在近十余年来发展迅速，研究成果显著，逐渐成为了世界各国重要的军事武器。

电磁炮根据结构的不同可分为轨道炮、线圈炮和重接炮三类。现今世界，轨道炮和线圈炮的发展比较快速和成熟，可用于实际武器中。我们主要研究线圈炮中的磁阻线圈炮是利用驱动线圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的。

本文基于线圈炮的模型原理制作可用于课堂演示的电磁炮演示仪模型。对于制作线圈炮模型而言，考虑到影响实验的因素很多，我们决定用控制变量法来研究线圈的粗细与电压对子弹发射速射的影响。希望我们制作的模型能运用于课堂演示。

本项目的创新点和特色主要体现于：

1）在熟悉掌握电磁学的基础上自主创新，加深科技运用能力，增强动手能力。

2）优化电磁炮演示仪，加强稳定性、安全性、简洁性、操作性，同时使其划分为几个等级实验，为不同程度的学生提供便利。

3）此實验的成果可应用于课教学，为老师的课堂教学提供帮助。

2电磁线圈炮的制作方案

我们选择的是线圈炮来作为我们的展示仪。线圈炮是利用发射筒上围绕的线圈中的电磁力来加速弹丸的电磁发射系统，我们所研究的线圈电磁炮属于单级磁阻式线圈炮，闭合发射开关，电容器作为脉冲直流电源对线圈放电，使电容瞬间放电产生极大的电流，电流经过线圈产生超强的磁场，从而使弹丸（铁芯）瞬时加速，依靠惯性射出固定线圈管。其中影响本次实验因素的有线圈的单位长度，线圈的匝数，线圈炮炮筒的长度，线圈炮炮筒的内半径，线圈的长度，螺线管通入电流与源电压等。

首先，我们尝试了赵新新老师提到的方案。我们首先画出了线圈炮的结构图，其次我们购买了线圈炮的材料一数控式直流稳压可调电源、三组35V-4700uF电容、可控开关、7*9mm透明聚四氟乙烯管、6mm、8mm漆聚氨酯漆包线、导线、铁钉等。在组装中，我们首先裁剪2个相同长度5cm的透明聚四氟乙烯管作为炮筒，然后在分别在炮筒上绕上6mm与8mm的线圈，因为线圈的匝数会影响实验效果，所以我们决定绕三圈即匝数为3。制作好发射筒，下一步是安装电容与发射开关，但是值得注意的是在连接电容时我们首先要确认电容的正负极。其次我们用导线连接各个部件，最后连接外接电源。

3线圈炮发射实验

考虑到影响实验的因素很多，我们决定用控制变量法来研究线圈的粗细与电压对子弹发射速射的影响。因为在子弹射出炮管时我们可以将子弹下落的过程视为做平抛运动一物体以一定的初速度水平抛出，并且物体仅受重力重力作用。因为子弹从炮管发射出是一个平抛运动，所以子弹的水平位移仅与从炮管发射出的速度和平抛开始时的高度有关。因此我们我们将电磁炮放置在高度为8cm的发射台，并且可以控制变量的方法依次进行试验，通过每一次记录子弹下落的水平位移而推算出子弹从炮管发出的速度。为了试验的精准性-即记录子弹下落的第一个位置（为了防止子弹下落滑行而带来的误差），我们在子弹的头上沾上了红墨水，并且在发射的台上铺上白纸以便测量。

以下为我们的实验步骤：

首先我们在6mm线圈绕成的线圈炮的装置中，改变电压，依次为15V、20V、25V、30V，接着放置做好标记子弹，控制开关，发射，依次记录下炮弹发射的水平距离。

接着我在8mm线圈绕成的线圈炮的装置中，改变电压，依次为15V、20V、25V、30V，接着放置做好标记子弹，控制开关，发射，依次记录下炮弹发射的水平距离。

通过计算出炮弹发射出的速度，我们可以得出以下结论：

1）在其它条件不变的情况下，子弹从炮管发射出的速度v与电压成正比，反之亦然。

2）在其它条件不变的情况下，子弹从炮管发射出的速度v与发射管包裹的线圈粗细成正比，反之亦然。

4平抛测量原理

弹丸发射过程能量转换是从电能转换为磁能最后到动能，在弹丸发射出去离开线圈炮管后做平抛运动，弹丸初速度沿水平方向，不考虑空气阻力，在竖直方向只受到重力的作用，初速度不为零，由于速度方向与受力方向不在一条直线上，故弹丸的平抛运动是曲线运动，又因为受力恒定，所以是匀变速曲线运动，因此它的加速度是常量，等于g，它的v坐标的变化符合匀加速运动的规律：y=（1/2）gt²，于是，测量弹丸的下落距离y，根据这个数据可以算出弹丸下落到这点所用的时间t，再测出弹丸移动的水平距离x，根据x=vot就可以得到抛体的初速度

5总结

实验初期，我们考虑了多种对于实验结果产生影响的因素，最后我们确定两个变量，电压以及线圈的粗细，着手制作我们的电磁炮演示仪。刚开始制作的时候我们以恒定电压接入电磁炮演示仪，为了检验演示仪的接线是否正确，能否正常发射。

中期部分，为了追求实验的准确性，对于线圈的规格我们进行了进一步要求与加工，重新缠绕了不同粗细同时尽量确保匝数线圈层数相同的线圈。并接入新购进的外接可变电源，进一步进行实验。

实验末期，我们对电磁炮演示仪接通不同的电压，以及确定电压更换不同线圈我们进行了数据的测试，为了得到最接近实际的发射速度，我们进行多次测试，得出了我们认为比较完美的数据。

在以上的实验中，我们所选取的材料简单，容易购买并且经济实惠，而且对学生有一定的操作性。我们用最简便的方式就可以达到我们所想要的教学效果，所以对学校而已是一个一举两得的好方案。对学生而言，电磁炮的演示仪可以大大的推动同学们将理论用于实践的热情。即可以达到本次实验的目的，实现了优化作用也起到了教学示范作用。