本次实验记录中提及的#电磁发射装置#因为其原理和轨道炮相似，因此在记录中称该电磁发射装置为“轨道炮”；其威力与规模与真正意义上炮相差甚远，十分弱小。除了轨道炮的射程和杀伤力小之外，其储能电容也十分笨重。此实验的根本目的在于设计一种高效的电磁加速系统，作此记录以供电磁加速爱好者参考，实验记录中的电磁加速装置在实验结束后已经拆除。

        实验涉及高压电等，有一定危险性，需要有安全意识，实验前做好知识准备，实验中要做好安全防护。

#注：记录中

储能电容：西门子薄膜电容800v700uf---(发射时总储能通常为200j左右)

所用开关：机械开关(吸锡器改装)

一. 扁形铜箔增强线圈

1. 基本参数

    a). 电枢：711铝钉

    b). 轨道：3mm*8mm*80mm铝合金排

    c). 增强线圈：0.3mm*8mm背胶铜箔，2匝

    d). 储能装置：西门子薄膜电容800v700uf

    e). 加速长度：60mm以下

    f). 开关类型：吸锡器改装机械开关

    g). 为了方便拆卸，各部分连接方式主要为接线柱和压线框

    模型三视图和装配图

        为了避免发射时候的高温使得电枢滑道变形损坏，除了覆盖一层特氟龙胶带之外，滑道本身可以拆除更换，铝合金轨道用螺丝夹紧，平行度尚可。由于设计时为了降低成本把整体做的比较薄，螺丝拧太用力使轨道支架有些变形。

2. 实验过程参数

    a). 加速距离40mm

    b). 储能：电容充电750v，总储能量大约197j

3.实验结果和总结

    a). 电枢速度130+m/s（实际上这次实验，测速器测不到，但是发射效果比曾经测出结果的128m/s好不少）

      以下算法极不准确，仅供参考

      根据动量守恒定律，用后坐位移人为拟合，速度约为130m/s

        估算过程为：

        i）整体支架约100g  

        ii)录像帧率为240fps,发射后，支架在7帧内后坐位移5mm

        由此计算支架在发射后的后撤速度：0.17m/s

        一枚铝钉质量：0.123g

        v=(100*0.17)/0.123=138.2m/s

    b). 轨道和电枢发射后烧蚀严重，轨道打磨后仍然比较粗糙，此外烧蚀痕迹断断续续(图为打磨前后，此轨道已经发射多次)

    电枢烧蚀痕迹不对称，每次发生烧蚀的位置也不尽相同，电枢可能在轨道上发生弹跳。发射后受到撞击的电枢变形比较明显

    靶面撞击情况(目标为薄皮铝易拉罐侧面和2mm硬纸板)

图中可见，2mm纸板的着弹区域从纸板背面被完整的剥离下来；被击穿的靶面并不是由一个较小的局部接触戳破，而是由整个铝钉凸面瞬间按破。

    c). 发射效率：大约0.6%。

d). 总结：

效率很低，总结原因可能如下

    1). 铝钉，虽然有弹性，但是接触的地方实际上还是一个比较小的区域，发射瞬间，铝钉局部熔化；

    2). 铝钉的两根针脚本身就非等长，不对称，加上人工弯曲。铝钉被加速时发生形变，使得加速过程更加艰辛坎坷，可见铝钉并不是十分理想的电枢。

    3). 整体设计并不是太合理，轨道长度在现有储能情况下可能太长了，电枢在可电容放电至可加速电流以下，仍然在轨道中摩擦减速。此外增强线圈匝数仅是凭感觉设置，没有通过理论推算，此匝数并非最佳匝数。

    4). 扁导线工作在脉冲电流条件下时，实际阻抗受集肤效应影响。除此之外，增强线圈的折线，折角处十分锐利，我对这部分的载流特性并不了解，也许它在脉冲电流下的载流效果比较糟糕。扁平导线太宽也会使得增强线圈中心的磁感应强度减弱。

    5). 压线框的压接效果因为条件有限无法测量，实际接触电阻可能比想象中要大。

4. 说明

    a). 初速：曾经几次轨道炮测试的发射初速可以测出，具体为128m/s，可以射破但是不能射穿手机盒子顶部。此次实验中，铝钉可以完全穿透手机盒子顶部，以及更加厚的侧面（单层硬纸板2mm）因此个人认为估算数速度据较为合理。

    b). 机械开关效果比想象中好，录像帧率为120fps，1帧闭合，火花小且仅持续1帧，实际速度应该比这更加快，但是如果发射失败（电枢卡住/焊住/未出膛），撞击柱头可能会被焊住。我认为开关损耗并不是能量损失的主要部分。

5. 补充

    a). 发射时线圈导线所受力可能相当大，图中可见发射瞬间，炮尾的上下各两匝增强线圈相互吸引和被拉扯，此为隐患。长此以往，除了炮口炮尾会被增强线圈遮掩，增强线圈本身也可能被自己拉扯断裂。

(图为数月前制作的另外一个增强线轨道炮，漆包线直径1.3mm)

    b). 关于预紧力，在铝钉塞入轨道之前先将两针脚分开，然后用力推入轨道之间，预紧力完全由铝钉两针脚的弹力挤压轨道壁提供。铝钉推前要用砂纸打磨针脚外侧，并有必要为针脚末端倒角。

    c). 在没有其他续流装置的情况下，发射后电容有时会被反向充电，这说明发射回路中存在着振荡，且为(欠)阻尼振荡。这也说明了回路电阻较小，因为就振荡条件来看，电阻太大是无法振荡的。

$\zeta = \frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

欠阻尼时    $0< \zeta < 1$

若取电感L = 0.1μH，则 R < 24mΩ

二. mini增强线圈

1. 基本参数

    a). 电枢：711铝钉

    b). 轨道：3mm*5mm*60mm铝合金排

    c). 增强线圈：上下各2匝(线径1.3mm；加上轨道总等效匝数5匝)

    d). 储能装置：西门子薄膜电容    800v700uf

    e). 加速长度：35mm以下

2.实验过程参数

    a). 电容：储能电压为790v，总储能约为224j

    b). 加速距离：30mm

3.实验结果

    a). 滑道平面：有少量铝蒸镀，可用纸巾轻易擦除，滑道表面些许发黑，但是仍然光滑

    b). 增强线圈：观察到明显的形变，炮口和炮尾的上下增强线圈因为相互吸引而靠近(隐患)

    c). 轨道：烧蚀情况轻微，轨道打简单磨后基本上恢复光滑

    d). 出膛速度（光电测速器）：无法测量

    e). 发射效率：未知(0.7%左右?)

    f). 发射效果：穿透薄皮铝易拉罐底，约0.26mm

    三视图和轨道支架外形

    轨道炮简化示意图

    【单根轨道尺寸3*5*50mm】【增强线圈螺线尺寸14.33*35mm(线径1.3mm)】

    靶面撞击效果(目标为薄皮铝易拉罐底，旁边小坑为扁形增强线圈轨道炮的发射所致)

    轨道的烧蚀情况比较轻，简单打磨后几乎可以恢复光滑(图为一次发射后的烧蚀情况)

4. 总结

        mini增强线圈轨道炮是本次记录中发射效果较好的，是本人制作的唯一的可以射穿易拉罐底部的轨道炮。但是发射效率仍然很低，通过和扁形轨道炮的对比估计发射效率在0.7%左右。值得一提的是，电枢出膛后，增强线圈中仍然有着较强的电流。(见下文)

三. 其他方面

1. 增强型轨道炮启动时

        在后续一次测试中，由于炮口处的A，B两段相互吸引闭合，导致出膛的电枢直接擦破增强线圈，导致轨道和线圈猛烈打火，铝合金轨道在此次发射中报废

        图中可见，除了轨道炮口处的又深有大的蚀坑，还有放置电枢处的蚀印。这两处都是能量被大量浪费的地方，这次实验的烧蚀要比以往的发射严重得多。但是从靶的撞击效果来看，易拉罐底破坏效果仍然非常明显，此效果并不比以往实验(轨道烧蚀较轻时)的发射效果差太多。此外，增强线圈被电枢擦破，说明此时电枢即将出膛，但是从轨道惨烈的蚀坑来看，此时的线圈中仍然有着很强的电流。那么电枢出膛后剩余的绝大部分能量去哪里了？很显然，这里是一个值得探讨和改进的地方。

        由此推测，在此记录的mini增强轨道炮中，各种各样的烧蚀实际上并不是发射效率低下的根本原因。电枢出膛后，增强线圈中仍然有着较大的能量，但是这些能量根本就没有用来加速。想要提高效率，增强线圈的匝数和整体布局都要进行修改，否则发射效果很难有明显的提升。

2. 关于消除吸收炮口电弧

        增强线圈可以等效为一个电感，当电枢离开轨道时，电感突然断路，引起炮口拉弧，噪声大且浪费能量。图为电炮回收系统简化后的电路图，此电路也许可以吸收线圈中的剩余能量。

        图中的的电路参数除了电容以外都并非真实参数，而是为了方便观察而尽可能合理的人为设置，图中C1为储能电容，用L1模拟增强线圈的固定电感，开关S2模拟电枢滑过轨道，开关闭合时间为0.05ms，这意味着开关断开时（电枢离开时）电路还处于阻尼振荡中。此时借由续流二极管D1和电容C2吸收电感中剩余磁能，抑制或者减弱炮口电弧。

        可见此方法需要额外的续流二极管和电容C2。C2中的能量将会在数次发射中逐步累积。此方案主要是为了消除炮口电弧，C2只能吸收增强线圈中的剩余磁能，主电容C1中的剩余能量不能被回收。

        此方案本人已经进行了验证，但是由于测试条件不够规范，导致实验结果不一定具有较高的参考价值；实验过程和结果如下。

实验装置和参数

    1. 轨道炮：扁形增强线圈

    2. 储能：西门子薄膜电容充电至783V

实验结果(仅进行了一次发射)

    1. 主电容电压剩余27V。

    2. 一次发射后，吸收电容被反向充电至-160V。

    3. 回收效果并不理想，回收的能量太少了，而其他能量去哪里了？

    4. 尽管轨道已经打磨过，但是由于轨道已经因为多次发射而变得凹凸不平，轨道被电枢刮下的铝屑在空气中燃烧，发出耀眼的闪光并且持续7帧(通常炮口闪光持续时间最多为2帧)，无法从录像中观察炮口电弧的实际情况

        图为出膛后几帧的图片，出膛时的闪光几乎白屏

四. 总结

        本次试验记录中的所有轨道炮的储能都比较小(200j)，轨道长度很短。实验中的轨道支架都是由3D打印获得，因此小物件3D打印不会花费太大成本，比较好接受，这也不失为mini轨道炮的一个优点。由于设计本身存在着缺陷和隐患，所以本帖就不提供打印模型了。

        此种增强型轨道炮的设计重点在于，在一定储能条件下的电流和磁场之间的权衡，找到一个最佳的加速距离和增强线圈匝数。实验记录中的轨道炮发射效率都没有达到1%(各方面都比不过相同条件下电热炮，除了噪音QAQ)。在现有储能(200j)的情况下，只需要发射效率达到3.5%，就可以让铝钉电枢的出膛速度触及sonic，这似乎是一个加把劲就可以达到的目标。当然，我不希望通过提高储能来达到高速，因为对于普通爱好者来说，实验规模小更加容易接受。emmm希望大家在低储能的情况下想想办法~

        这次实验比较偏向娱乐，设计过程也比较感性，由于缺少专业的仪器所以无法提供丰富的测试数据，文章中有什么疏漏或实验中不合理的地方，欢迎大家指出，斧正。

        最后，感谢badboy-fly和估读大佬的帮助，让我在设计过程中少走了很多弯路。

railgun全家福

五. 几次视频记录(附件)

#注；以下内容仅供论坛内学术交流，仅为展示上述方案的可行性以供坛友参考，严禁对外传播！

#除非专门说明，录像帧率为240fps

1. 扁形增强线圈

扁形.zip 49.85MB ZIP 58次下载

2. mini增强线圈

mini.zip 29.64MB ZIP 50次下载

3. 能量回收

回收.zip 34.91MB ZIP 42次下载