突破400m/s！！实用轨道炮的研究及试制

2022-07-03 12:51 作者:科创文章精选 0人读过 | 我要投稿

原作者：hentai

开坑慢慢更新

先上2个视频

10mm方口径固态电枢静止加速，后膛无密封。可以看到加速过程中电枢产生明显转捩，但即便如此，强大的电磁力依旧把产生的等离子体全部推向炮口方向，炮尾在没有任何密封措施的情况下依然没有等离子体泄露。
6mm圆口径等离子电枢静止加速，后膛密封。可以看到即使进行了密封，但炮尾依旧产生了大量泄漏，可见等离子体的膛压是比较高的。

今天想到一个思路：既然主回路需要用电感调波，那何不把调波电感以增强导轨的形式做到炮体上去呢？

随手试了一下，效果惊人地好。在完全忽略负载匹配的情况下依然达到了6.6%的炮内效率，而且发射后轨道与电枢光洁如新，完全无转捩。

系统在充电电压300V时击穿72mm珍珠棉靶后在1mm铁板上留下2mm深凹坑并反弹击穿一层纸箱。因为增强线圈未妥善固定，炮体瞬间被弹射至0.5米高。

参数如下：

开关：机械

电流：22kA

出膛时间：2.5ms

计算初速：240m/s

电枢质量：2.05g

动能：59J

系统效率：1.66%

出口电感：3.68uH 891J@22kA

充电效率：25%

炮内效率：6.6%

一开始我以为轨道炮需要很高激励电压，所以走了很多弯路。但后来我发现恰恰相反，几百甚至几十V已经能够让轨道炮工作了。真正影响轨道炮效率的决定性因素是回路阻抗、电流、电感梯度及负载匹配。

根据公式推导，我们可以很容易得出一个这样的表：

@10*10*10mm方口径炮

电流kA ：50 100 152 215 232 240

膛压MPa：10.8 43.3 100 200 232.8 250

推力kg ：108 433 1k 2k 2328 2k5

电流kA ：340 481 1k 2k 5k 10k

膛压MPa：500 1k 4k3 17k3 110k 430k

推力kg ：5k 10k 43k 173k 1M1 4M3

可以看出低于200kA轨道炮相比高压气体，在推力上没有显著优势，而一旦超过232kA，因为推力与电流平方成正比而与膛压成线性关系，轨道炮的优势开始急剧上升。

电磁力与压缩气体加速的很大区别是：在弹丸出膛之前，高压气体一直在膛内，加速时间是可以有很大变化空间的，而在合理范围内，整个工作周期的效率都很高，所以弹丸质量匹配不会像轨道炮那么重要。而电能恰恰相反，它的一致性相当高，不管弹丸是压根没动还是早就出膛了，总的放电时间基本不会发生太大的变化。因为电磁炮的这种特性，所以弹丸质量与系统的匹配变得格外重要。

上两张波形图来分析一下。

图一：固态电枢。可见峰值电流达到26.8kA（蓝），炮尾电压呈阶梯状变化（黄），第一个阶梯的产生是因为电枢的转捩，与轨道产生了等离子放电，可以明显看到等离子体的压降逐渐提升至50V。第二个阶梯是电枢出膛产生炮口电弧导致的，此时峰值电压达到了100V。

图二：等离子电枢。可见峰值电流达到20kA（蓝），炮尾电压不规则（黄），由于弹丸出膛，尾端产生了一个高达230V的平台。

再说说电感梯度，这玩意算起来比较繁琐，而且随设计复杂性的增加会越来越不准。但好在很容易测，直接把弹丸捅到不同位置用电桥扫就行了。

以我手上这个轨道来看，位移500mm的电感增量是126nH，那么它的电感梯度就是252nH/m。工作在400kA时磁能是10kJ，弹丸的理论动能5kJ。意味着用于加速10g的弹丸可能达到的最高初速为1000m/s。嗯，已经是实用级别了。

400是等离子电枢系统达到的初速，固态电枢目前只做到180左右。原因是等离子电枢的弹丸与轨道之间几乎没有摩擦，而固态电枢需要很大的压力才能达到好的接触，这就损耗掉很多能量。解决办法也很简单——加电流，玩了命的加电流。（有论文提到，在数百kA级别的系统里，摩擦阻力与空气阻力合计只占弹丸动能的10%以内。）但之前做的这套系统最大输出能力只有35kA左右，但不敢经常这样用，器件会受不了。

目前正在做400kA级别的系统，每层24个22000uF450V单体，一共2层。实测单个输出14kA比较轻松，算下来极限电流是672kA（哇）。计算总储能100kJ，但实际上只有80kJ左右，因为电解电容都会虚标20%左右容量，我手上所有的样品都是，除了几个米国货，但没那么多数量......

另外我要特别说一下电容的问题。

以前为什么我做的轨道炮效果很差，正是因为对那些看似体积巨大的脉冲电容盲目崇拜导致的。因为这类电容一般电压都比较高，我手上的都是几千V朝上，根本就不适合用在这个地方。

而1000uF450V的小电解，实测单只输出能力在2kA以上，用狠一点上5kA也不是没有可能。并联20个，40kA轻轻松松达到。只要优化得好，嘿嘿......

补张图：电解电容的内阻不是放电电流的决定性因素，内电感才是。几乎所有大容量的正规产品内阻都很小，我手上这个实测830u450V，内阻不到6mO。这个电容在2kA左右开始出现电压波形突降、说明已经接近正常放电极限，但如果把内电感也作为主回路储能电感的一部分来考虑，是可能到5kA的。

这里我特别要讲一下，固态电枢如果做的好是完全没有烧蚀的，而且炮口也不会有电弧，也没什么声音。虽然会有摩擦和刨削损耗但不严重。

固态电枢因为质量大接触好所以不会电离，固态电枢炮一般后膛是负压，因为弹丸高速运动拉大了后膛空间。

等离子电枢一般是放一些铜丝在后面，因为质量小，在强大电流下瞬间就蒸发变成等离子体了。

两者的主要区别是流经电枢材料的电流密度不同。

今天收到一批电容，在淘宝上随便买的，不是正规产品，性能居然跟原厂的差这么远，怪不得原厂的贵，真有贵的道理。

刚刚固态电枢系统也破音速了，纪念下:D

看来好好优化初速破1000m/s是可以达到的。

参数如下：

出膛时间：1.75ms

计算初速：343m/s

动能：118J

电流：30kA

电感能量：1656J

激励效率：25.5%

发射效率：7.1%

*依旧无转捩，轨道还是光滑的像镜子一样。但因弹丸出膛后电流还很大，所以有比较强的炮口电弧。

*后坐力已非常明显。

可以看到一个非常明显的趋势：随着电流的增大，效率也在快速上升。

今晚身体不太舒服，失眠了，正好利用这个时间讲讲电容的问题。

电解电容并不是一个理想的器件，它不能被武断地简化为一个RCL串联回路。实际上因为绕制工艺及本身固有特性的原因，它更像是很多个小RCL交替混联的系统。为什么开关电源里能用，主要原因有：

1.开关电源单个脉冲的能量很小，在整个电容的储能面前根本微不足道，它的放电深度与电磁炮有着本质的区别。实际上移动的只有引出脚附近的电荷，所以内感的影响自然感觉不出来。这一点只要拆开一个电容直接在极板上进行试验就能很容易地被证明。（但我懒得做，因为做了对我的核心诉求没有帮助。如果你能抽空做一下我觉得也是一件非常有意义的事情。）

2.做过电源的都知道，大功率电源必须在电解电容上并联薄膜电容，否则会出现很大的电压尖峰，槽路电流越大就越明显。而这个尖峰就是内感造成的。（这一点玩TC的人体会最深了，不信你可以随便找一个搞过大功率DRSSTC的人问问。）

这还没算介质极化以及大电流时电磁力对极板物理结构产生的影响，所以这个系统的分析是极其复杂的，要彻底搞明白需要花费大量的时间精力。这时候回过头来看看我们的核心诉求你会发现，卧槽？做这些工作根本没用啊？难道搞清楚了这些问题就能突破现有器件本身固有的放电极限吗？当然它确实对未来某些工作有重大意义，比如说开发轨道炮专用电容之类的，但这已经跟我现在要做的事情没有关系了——即使能做，这个项目也等不了那么长时间。

以结果为导向来分析：难道我们知道它的性能不好就不用它吗？我们有更好的选择吗？单以性能论：有，而且选择很多。但加上体积、价格、可靠性、易用性等因素去考虑之后，还真没有。

理论最怕脱离实践。很多时候，算出来的东西并不能跟工程实践结果很好地吻合。这也是为什么，民间一直没有出现很好的轨道炮作品。根本原因在于，没有几个人愿意在工程实践中真正花心思。（比如做几十个不同版本的炮体进行试验迭代）

刚刚翻看了一下实验相册，这个项目正式启动时间是今年8月18日。在这短短的一个月时间里，我们进行了从2mm到20mm口径，数十个版本数百次的发射试验，取得了1141份珍贵的实验记录，所以什么奇怪的情况我们都见过了。相信这种试验密度，不说国内，就算在世界上的民间组织里也是很难看到的。