大概一年半前，我做了一个使用T形铁芯增强磁场的永磁增强轨道炮。本贴介绍一下它的大致结构，以及测试结果。先放一段视频

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一、 简介

测试时各模块的连接方式和场地布置如下

图 1 测试时的照片

整体方案简单地说就是：用电解电容组提供脉冲电流，用可控硅做开关，用钕磁铁+T形铁芯产生强磁场，用711铝钉做弹丸，用弹丸电流在磁场中受到的安培力加速弹丸；测量时，用示波器测量炮口电压，用录音法测速。

简要的测试结果为：

1. 出速：最高速度71m/s，平均59.73m/s（均方根值），详见下图

2. 动能：平均0.219J

3. 消耗电能：20.9J（0.128F电容从24V放电到15.8V）

4. 效率：平均1.05%

5. 总计进行了约50次发射，轨道没有明显烧蚀

图 2 有记录的30次发射测到的出速

下面分别对各模块进行描述，并详细介绍其测试结果。

二、 磁场部分

磁场部分包括磁铁和T形铁芯，如下图。

图 3 轨道炮炮管（磁场部分）

仿真结果是，使用两块20×30mm的、剩磁1.12T的钕铁硼磁铁（牌号N35），可以在12mm宽、4mm厚的气隙中，产生约1.8T的磁感应强度，如下图。仿真模型见文末附件

图 4 使用磁铁和T形铁芯所产生的磁场，及磁力线

图 5 仿真的气隙磁感应强度-位置曲线（沿x轴扫描，气隙中心在15mm处）

实际加工中，T形铁芯的材质为A3钢，其含碳量在0.2%左右，大概相当于20钢，磁特性如下图，与纯铁没有显著差别。

图 6 A3钢的磁性能

铁芯是用10mm厚的钢板，用激光切割成小片叠在一起得到的。激光在切这种厚板时，切面会非常粗糙，像锉刀一样，如下图。好在仿真表明，这种凹凸不平，对气隙中的磁感应强度基本不会有影响。唯一的问题在于轨道支架的安装比较困难，需要拿小锤敲进去。

图 7 装配中的磁场部分，可以看到铁芯上粗糙的切面

这里使用的钕铁硼磁铁，厂家宣称的牌号是N38，比仿真使用的磁铁性能还要稍微好一点。然而实际买到的磁铁是假的，剩磁大概只有0.8T。导致实测的气隙磁感应强度比仿真的弱得多，只有大约1.2T，如下图（参考这篇帖子“求助：永磁+铁芯实际产生的磁场……”）

图 8 实测的气隙磁感应强度

除了磁感应强度未达标以外，本作品中的磁场部分还有一个比较尴尬的问题是——太重了。由于在设计时对铁的密度缺乏概念，没有考虑过重量的问题，以至于磁场部分的总重量大大超出了预期，达到了2~3kg。

三、 轨道部分

本小节介绍轨道和轨道支架，这个部分用来向弹丸传递电流，并为弹丸提供导向。

轨道支架使用3D打印件，加两块0.5mm厚的FR4板制成，如下图

图 9 轨道支架  左：零件状态；右：装配状态 

3D打印部分的模型见文末附件。支架的装配没有使用螺钉、胶水等“牢固”的固定方式，仅靠零件间天然的摩擦力，来维持大概形状。在约50次发射后，支架的FR4板上出现了一些划痕，位置在轨道和弹丸相接触的边缘，在上图中可以隐约看到。

轨道使用的是一对2×6mm的矩形紫铜条，长十余cm，炮膛的一端接电容组，炮口的一端略微伸出，用来测量炮口电压。铜条本来是弯的，后来经过手掰、锤子敲等操作变成了直的。不过手工操作精度不佳，两根轨道的平行度并不是很好，从照片上看大概有0.3mm的缝隙，如下图

图 10 轨道和轨道之间的缝隙

在约50次发射后，轨道和弹丸的接触面上附着上了一些铝，弹丸初始位置处的铝较多，没有显著的烧蚀，如下图

图 11 约50次发射后的轨道表面情况  上：整体照片；左下：弹丸起始处；右下：轨道中部 

轨道上较深的划痕，不是发射导致的，而是来自于“用锤子把轨道敲直”的操作。受机械加工条件的限制，轨道是用热熔胶粘在轨道支架上的，具体的操作是：把两根轨道放入支架，在两根轨道之间放入两个弹丸来确定轨道间距，然后在轨道两端伸出轨道支架的地方点上热熔胶。注意此时轨道只有两端是受热熔胶支撑的，中间全部是悬空的。

由于轨道本身的平行度就较差，同时支撑做的也不好，导致轨道和弹丸的电接触并不良好，会出现某些时候接触不上的情况，如下图

图 12 炮口电压波形

四、 弹丸

弹丸使用的是“711铝钉”，如下图 

图 13 711铝钉

原本是用在超市的铝钉扎口机上，用来给塑料袋封口的。由于这种铝钉的用量非常的大，所以它的价格十分便宜，目前（2019年）的价格大约是一盒2000个一共6元。同时，用在扎口机上时，人们显然希望铝钉尽可能的软且富有延展性。所以这种铝钉的材质为纯铝，具有良好的导电性和电接触性能。而且纯铝的屈服强度，要比纯铜更低，基本不会对轨道造成机械磨损。非常适合用作轨道炮弹丸。

这种铝钉的实测平均重量为0.123g，尺寸如下图

图 14 711铝钉的尺寸

发射时，铝钉的开口朝向炮尾，这种做法可以利用电磁力提供接触力。

本文中的轨道炮可以把铝钉加速到60m/s左右的出速，而在测量速度时，由于铝钉的尺寸太小，我这的光电测速器检测不到它，所以这里的出速是用“录音法”测量的，具体的做法参考这篇帖子中的内容“一个永磁增强轨道炮”

一个典型的声音波形如下图，录音文件在文末的附件中。

图 15 录音测速得到的声音波形

上图中弹丸离开炮口时的声音出现在26.333s，弹丸击中目标时的声音出现在26.350s，时间间隔Δt为17ms；炮口和目标的距离l为1.0m；声速取340m/s，据此可以算出弹丸出速为71m/s。

由于铝钉的质量小、动能低，同时铝的材质较软，所以穿透力很弱，甚至无法击穿一个铝易拉罐，只能在上面留下一个痕迹。如下图

图 16 射击铝易拉罐时的效果

发射过的铝钉，会由于撞击目标而产生一些变形，如下图

图 17 发射后回收到的铝钉

除此以外，铝钉上也会因为和轨道之间的载流摩擦而产生一些烧蚀，不过程度很轻。其中最轻微的几乎无法察觉，而比较明显的如下图

图 18 弹丸上的烧蚀情况

五、 电容组和开关

所使用的电容组和开关如下图

图 19 电容组和开关

电容组使用14个标称25V，10000uF的电解电容并联而成。单个电容的实测容量为9177uF，22.8mΩ，据此推算的总电容量为0.128F。电容组在发射前会被充电到24V。

根据图 12中所测到的炮口电压波形，发射时弹丸和轨道接触的总时间t为1.930ms。在此过程中，电容组的电压从24V降到了15.8V。因此，根据I=ΔU C/t ，发射时的平均电流就是544A。考虑到实际的电流不会是一个理想的平顶脉冲，而且依然存在一些没有良好接触的时间，所以实际峰值电流还要更大一些。

由于将电容并联起来的导线很细，如下图，所以实测的导线电阻最大甚至可以达到60mΩ左右，导致这个电容组的损耗相当的高。

图 20 各电容之间的连线非常的细

所使用的开关为可控硅，型号为70TPS12。开关直接焊在了电容组上。在经历了约50次发射后，开关的性能没有产生可观测的变化。它的主要问题在于损耗较高。其数据手册中给出的压降-电流曲线如下图

图 21 70TPS16导通压降-电流关系

可以看到，在我们所使用的500A级别电流下，它会产生3V左右的压降，这对于储能电压只有24V的系统来说，可以说是相当大了。

附件：

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