磁阻式電磁線圈加速器發(fā)射衛(wèi)星概念

1、新型空間運(yùn)載系統(tǒng)設(shè)想及可行性探究陶樂 摘要：運(yùn)載火箭自發(fā)明至今，一直作為運(yùn)送軌道載荷的主力，但其也有不少固有缺點(diǎn)，本文對(duì)運(yùn)載火箭的缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合電磁加速技術(shù)提出新的運(yùn)載系統(tǒng)進(jìn)行論述并與運(yùn)載火箭作對(duì)比。為了展示方案的效果與可行性，通過理論分析設(shè)計(jì)搭建擁有部分功能的實(shí)物模型，通過對(duì)模型的研究以及理論分析來證明方案的可行性，并且根據(jù)新運(yùn)載系統(tǒng)的特性指出了應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵字：運(yùn)載火箭;電磁加速;電磁加速器設(shè)計(jì)一、運(yùn)載火箭的工作原理及缺點(diǎn) 1.1、運(yùn)載火箭的工作原理 常規(guī)運(yùn)載火箭運(yùn)輸載荷的原理是依靠化學(xué)反應(yīng)釋放能量，使燃燒生成的物質(zhì)流經(jīng)噴管，以較高的速度向目標(biāo)行進(jìn)的相反方向噴射來獲得反作用力，從而克

2、服地心引力向空中飛行。 1.2缺點(diǎn)分析 1.2.1價(jià)格高昂 據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，目前運(yùn)載火箭運(yùn)輸載荷的成本約為每磅一萬美元，這是運(yùn)載火箭系統(tǒng)的復(fù)雜性和不可重復(fù)性導(dǎo)致的，以重復(fù)性著稱的航天飛機(jī)每次發(fā)射費(fèi)用約為四億五千萬美元，就目前來看，SpaceX的獵鷹9號(hào)是效費(fèi)比很高的運(yùn)載火箭，大部分組件都可回收再發(fā)射，但即使如此，每次發(fā)射也需數(shù)千萬美元的成本。 1.2.2 化學(xué)污染嚴(yán)重，碳排放量大 運(yùn)載火箭為了保證較高的比沖和可控矢量推力，大多使用液體燃料，常用液體氧化劑和燃燒劑及特點(diǎn)見下表：液體氧化劑 特點(diǎn) 液氧需低溫儲(chǔ)存，密度較小 硝酸密度高，成本低，不安定，腐蝕性，燃燒生成氮氧化物 四氧化二氮密度高，易蒸

3、發(fā)，易凍結(jié)，有劇毒 過氧化氫本身可單獨(dú)作為推進(jìn)劑，高濃度下有爆炸危險(xiǎn) 液氟密度大，比沖高，有劇毒，易揮發(fā)表1-1常用液體氧化劑特性液體燃燒劑 特點(diǎn)液氫環(huán)保，比沖很高，難儲(chǔ)存，易揮發(fā)，密度很小，成本高煤油密度較小，成本低聯(lián)氨密度較大，安定性差，有毒，冰點(diǎn)低偏二甲肼性質(zhì)穩(wěn)定，有毒，比沖略低于聯(lián)氨一甲基肼與偏二甲肼類似，毒性較大表1-2常用液體燃燒劑特性 由表可以看出，氧化劑中除液氧與過氧化氫，燃燒劑中除液氫與煤油外，其余其本身均可造成污染。而且在危害較小的四種燃料中，過氧化氫比沖底下，單位質(zhì)量燃料難以產(chǎn)生較大總沖，運(yùn)載能力差，液氫密度小，這意味著火箭需要更大的容積來盛放它，會(huì)增加死重并增大迎風(fēng)面積

4、從而降低效率。 偏二甲肼四氧化二氮是我國長征系列運(yùn)載火箭的常用燃料，每當(dāng)觀看發(fā)射直播時(shí)，都會(huì)被火箭升空的壯美景象所折服，但與此同時(shí)我也意識(shí)到了其攜帶的燃料對(duì)環(huán)境的污染。圖1-1長征3運(yùn)載火箭發(fā)射 圖中紅色煙霧便是四氧化二氮及其分解產(chǎn)物，據(jù)新聞報(bào)道，使用偏二甲肼四氧化二氮的長征2F火箭的分離殘骸墜落的地方污染嚴(yán)重，煙霧彌漫；火箭的研究測試人員也有被化學(xué)燃料危害的例子。 液體火箭燃料不僅有化學(xué)危害，其也會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。美國土星5號(hào)運(yùn)載火箭第一級(jí)使用液氧煤油作為燃料，滿載時(shí)燃料質(zhì)量約2169噸，煤油的主要成分為辛烷，在氧平衡為0時(shí)其煤油質(zhì)量約266噸，完全燃燒生成二氧化碳約1674噸，相當(dāng)于安徽省

5、所有轎車行駛約7公里的碳排放量，這些二氧化碳需要900畝人工林一年才能吸收完。 綜上所述，運(yùn)載火箭對(duì)環(huán)境和人員的影響不可小覷，因當(dāng)認(rèn)真考慮。 1.3小結(jié) 運(yùn)載火箭的高昂與污染是其致命的缺點(diǎn)，而且隨著步入太空時(shí)代，人們對(duì)探索開拓太空的欲望膨脹，航天活動(dòng)勢必會(huì)越發(fā)頻繁，如果那時(shí)仍舊使用運(yùn)載火箭來執(zhí)行任務(wù)，將會(huì)消耗大量資源，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害也會(huì)愈發(fā)明顯，因此，應(yīng)當(dāng)計(jì)劃實(shí)施新的運(yùn)載方案來代替運(yùn)載火箭。2、 新型運(yùn)載系統(tǒng)來源與概要 2.1巴巴多斯大炮的啟示 巴巴多斯大炮是火炮工程師吉拉德布爾在巴巴多斯島設(shè)計(jì)建造的一門超級(jí)大炮，由兩根美國戰(zhàn)列艦460mm艦炮焊接而成，布爾博士設(shè)計(jì)建造這門大炮的目的是發(fā)射人

6、造衛(wèi)星，但項(xiàng)目中途海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)，布爾博士遭到特工暗殺，此項(xiàng)目便被廢棄，盡管如此巴巴多斯大炮創(chuàng)下的多項(xiàng)身管火炮記錄至今未被打破。 巴巴多斯大炮曾將190千克的無推力炮彈送上180千米高空，在使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的增程方案中，大炮可以將180千克的火箭增程彈送上500千米高空，其中包含有效載荷18千克，也就是說，巴巴多斯大炮可以將18千克的衛(wèi)星送至衛(wèi)星軌道的高度，如果再加上姿態(tài)控制系統(tǒng)，便可將小衛(wèi)星送入400千米左右的衛(wèi)星軌道。布爾博士最終的設(shè)計(jì)方案中，大炮可將23千克的載荷完全送入近地點(diǎn)425千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)430千米的衛(wèi)星軌道。 但我認(rèn)為巴巴多斯大炮據(jù)運(yùn)載衛(wèi)星仍有一道難以逾越的天塹，那便是加速度，化學(xué)能

7、火炮的加速度巨大且集中，資料顯示巴巴多斯大炮炮管長36m，炮彈初速卻達(dá)到驚人的2100m/s，加速度過載高達(dá)15000G，普通衛(wèi)星攜帶儀器較精密，所能承受的加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此值，由大炮發(fā)射的衛(wèi)星必須專門設(shè)計(jì)，以適應(yīng)巨大的加速度。 總的來說，巴巴多斯大炮雖然沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的，但其前期的試驗(yàn)證明了可以用不同于火箭的原理將載荷送上太空及其將衛(wèi)星送入軌道的可能性，而且若使用其作為衛(wèi)星發(fā)射器，將極大地減少發(fā)射衛(wèi)星的成本。 2.2新型運(yùn)載系統(tǒng)原則 運(yùn)載火箭的效率較低是因?yàn)槠浠驹韺?dǎo)致的，設(shè)某單級(jí)火箭作加速飛行，不加燃料重量為m，發(fā)動(dòng)機(jī)推力為，時(shí)刻剩余燃料質(zhì)量為m1 ，此時(shí)加速度為，時(shí)刻剩余燃料質(zhì)量為，此時(shí)

8、加速度為，則時(shí)火箭需克服重力所需推力使火箭加速的推力同理時(shí)刻使火箭加速的推力因?yàn)?，所以，并且由得：，所?也就是說，火箭在同等推力條件下越在后期效率越高，而且效率的增長呈上升趨勢，而在前期單位質(zhì)量的推進(jìn)劑只能帶來較小的加速度，這是因?yàn)榍捌谕七M(jìn)劑燃燒提供推力的同時(shí)給予了剩余推進(jìn)劑重力勢能，從運(yùn)送載荷的角度來看，這些勢能是無用的，并且這也是運(yùn)載火箭效率較低的原因所在。所以方案因當(dāng)避免這些無用重力勢能的產(chǎn)生，也就是說要盡量減少載荷運(yùn)輸器的重量，如需使用推進(jìn)劑因當(dāng)選擇高比沖推進(jìn)劑。因?yàn)槠淠芰棵芏雀呖蓭磔^大的效率提升。 同時(shí)，火箭在后期加速度提升的另一個(gè)主要原因是空氣阻力的變化?？諝庾枇綖?，由于溫

9、度和地心引力的原因，這里的（空氣密度）隨著海拔的高度增加而減小，而空氣阻力與速度的平方成正比，部分高度大氣密度見下表海拔高度（千米）0123大氣密度（千克每立方米）1.2931.1681.0510.892海拔高度（千米）4567大氣密度（千克每立方米）0.8020.7190.6440.573表2-3部分海拔高度與大氣密度表 由此可見，空氣密度對(duì)效率有著較大的影響，倘若一枚小火箭在海平面點(diǎn)火發(fā)射和在珠峰頂部點(diǎn)火發(fā)射，由于空氣阻力相差三倍之多，其射高將會(huì)有很大的差距，在高速時(shí)甚至空氣阻力會(huì)占據(jù)主導(dǎo)。這意味著如果將運(yùn)載火箭運(yùn)送到高空再發(fā)射，將使效率有很大的提高。2.3方案流程確定 既然運(yùn)載火箭效率低

10、下的原因是其工作原理導(dǎo)致，那么應(yīng)當(dāng)繞開火箭這一基本概念或取長補(bǔ)短來提出高效率的方案，結(jié)合巴巴多斯大炮的實(shí)例，確定基本流程如下：地面加速裝置將載荷與小火箭加速發(fā)射至高空，然后小火箭點(diǎn)火并使其與載荷加速達(dá)到第一宇宙速度并完成入軌。3、 地面加速裝置選取 3.1地面加速裝置要求 巴巴多斯大炮也可視為此系統(tǒng)中的地面加速裝置，但其加速度極大，所以要采用一種加速度較小的加速裝置。此外，為克服運(yùn)載火箭的污染，盡量應(yīng)不使用化學(xué)能作為動(dòng)力來源；為克服運(yùn)載火箭的低重復(fù)性，地面加速裝置必須可重復(fù)使用甚至本身在加速后除能量外無任何損失；為適應(yīng)不同質(zhì)量的載荷，地面加速裝置應(yīng)當(dāng)做到可調(diào)整發(fā)射速度以及加速度。 3.2電磁加

11、速器的原理 經(jīng)過挑選和查找資料，我決定將磁阻式電磁線圈加速器作為地面加速裝置，后文中將其簡稱電磁加速器或加速器。電磁加速器由電動(dòng)機(jī)變形而來，過程可見下圖： 圖3-1形象地說，將普通電動(dòng)機(jī)沿側(cè)面剖開展平，按順序依次給各線圈通電，轉(zhuǎn)子便會(huì)直線運(yùn)動(dòng)，這就是簡易的直線電機(jī)，如果將線圈繞組變形為管狀，將轉(zhuǎn)子變形為高磁導(dǎo)率的金屬或永磁體、電磁鐵制造的圓柱體，便是磁阻式電磁加速器，這種專用結(jié)構(gòu)相比于直線電機(jī)可極大地提高效率，以至于在線圈兩端不放置行程限制裝置時(shí)轉(zhuǎn)子依靠多次加速獲得的速度可飛離加速器。 3.3電磁加速器作為地面加速器的優(yōu)勢 (1)加速器安全環(huán)保無污染，使用低廉的電作為能源。 (2)加速器本身完

12、全可重復(fù)使用，既不會(huì)污染環(huán)境也不會(huì)浪費(fèi)資源。 (3)加速器所產(chǎn)生的加速度較火炮小許多且加速度分散。 3.4電磁加速器模型的作用及定位我決定制作一臺(tái)電磁加速器的簡易模型，制作電磁加速器模型的目的是通過實(shí)驗(yàn)取得效率數(shù)據(jù)從而證實(shí)方案的可行性，增強(qiáng)我對(duì)電磁加速技術(shù)的了解，有利于進(jìn)一步改進(jìn)運(yùn)載方案，并且可以通過對(duì)加速器模型的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行改造或提出改進(jìn)方案以提高效率，增強(qiáng)實(shí)用性。此電磁加速器僅用于實(shí)驗(yàn)，但我會(huì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)試改進(jìn)以提高效率。4、 電磁加速器模型設(shè)計(jì) 4.1基本設(shè)計(jì) 注：四與五中所提及的效率皆為加速器的效率，即彈丸動(dòng)能與電容儲(chǔ)能之比。 4.1.1電源 電磁加速器是依靠電工作的，所以需要電力以維持

13、運(yùn)作，工作時(shí)電力依次被輸送到各線圈中使線圈產(chǎn)生磁場從而吸引彈丸，為了在該模型上獲得較大的出口動(dòng)能，需要較高的瞬時(shí)功率來驅(qū)動(dòng)線圈，這樣的瞬時(shí)功率需要專門的電源提供。電容器是比較合適且易得的電源，由于電容器是儲(chǔ)能器件，并且其儲(chǔ)存發(fā)射所需的最直接的能量，因此將電容器定名為儲(chǔ)能電源。電容器與線圈之間需要有一個(gè)開關(guān)器件來控制通斷，而普通的接觸式開關(guān)耐受不了導(dǎo)通時(shí)的電流，所以應(yīng)當(dāng)采用弱電控制強(qiáng)電的方法，因此還需要少量電能用于控制電容器與線圈之間的通斷，控制所需能量將由控制電源提供。無論是儲(chǔ)能電源還是控制電源都沒有根本的電力來源，因此需要一個(gè)電源給這兩個(gè)電源供電，這個(gè)電源是加速器上最根本的電力來源因此命名為

14、總電源。由于該模型的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，并且本著方便、簡化結(jié)構(gòu)的理念，決定將市電作為總電源，因?yàn)槭须妬碓磸V泛，經(jīng)全橋整流后可獲得約315的脈沖直流，這可以直接給電容充電來驅(qū)動(dòng)線圈，并且可以通過變壓器之后整流濾波輸出作為控制電源。4.1.2線圈線圈是加速器的核心，為了縮短放電時(shí)間提高功率，計(jì)劃線圈使用0.7純銅漆包線繞制，為了分散能量，提高效率，同時(shí)研究多級(jí)控制技術(shù)，決定將線圈級(jí)數(shù)定為兩級(jí)。線圈內(nèi)徑為8，與8ABS管緊密貼合。 4.1.3電容器根據(jù)市電整流后的315電壓，電容器的耐壓極限因高于315V，同時(shí)應(yīng)當(dāng)選取儲(chǔ)能密度大、內(nèi)阻小的電容，較大的儲(chǔ)能密度可以減小模型的體積，較小的內(nèi)阻可以增大瞬時(shí)效率，經(jīng)篩

15、選電容種類和了解各種電容特性后，計(jì)劃使用多個(gè)330的小容量電解電容作為儲(chǔ)能器件。 4.1.4手動(dòng)控制系統(tǒng)整個(gè)加速器設(shè)計(jì)有三個(gè)開關(guān)用以控制，分別為電源開關(guān)、充電開關(guān)、發(fā)射開關(guān)，其中發(fā)射開關(guān)需負(fù)載電路中所有元件，充電開關(guān)需負(fù)載電容，由于電容充電時(shí)初始電流較大，充電開關(guān)以及總開關(guān)應(yīng)選用負(fù)載功率較大的種類型號(hào)，并且總開關(guān)負(fù)載功率應(yīng)大于充電開關(guān)，發(fā)射開關(guān)所控制的是第一級(jí)控制電路的通斷，所以普通小開關(guān)即可。 4.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制部分用于控制后級(jí)的啟動(dòng)，它應(yīng)當(dāng)能夠做到判斷彈丸是否運(yùn)動(dòng)到了最佳啟動(dòng)位置，并且在判斷彈丸運(yùn)動(dòng)到最佳啟動(dòng)位置后還能驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，使電容器對(duì)線圈放電從而完成這一級(jí)的加速。還有一

16、種方法是使用單片機(jī)延時(shí)控制各級(jí)線圈通斷，但由于其需要精準(zhǔn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，因此需要大量實(shí)驗(yàn)才可達(dá)到較高的效率，有時(shí)受各方面影響，第一級(jí)彈丸發(fā)射速度總會(huì)有細(xì)微偏差，但單片機(jī)中預(yù)設(shè)的時(shí)間是固定不變的，所以誤差在每一級(jí)都會(huì)被不斷放大，最后導(dǎo)致加速器出口速度一致性差，從而影響其作為實(shí)驗(yàn)器材的精準(zhǔn)。同時(shí)精密的單片機(jī)容易受到線圈導(dǎo)通瞬間磁場的干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至損壞，所以單片機(jī)不在考慮范圍內(nèi)。要做到檢測判斷彈丸是否到達(dá)最佳啟動(dòng)位置，需要能高速反應(yīng)的檢測模塊，比較好的兩種方案分別是： 1.用一通弱電的感應(yīng)線圈放置在主線圈前部適宜位置，彈丸經(jīng)過是產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用感應(yīng)電流作為信號(hào)啟動(dòng)開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路或直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件

17、。 2.使用光電模塊，將光電對(duì)管放置在主線圈前部適宜位置，并在骨架相應(yīng)位置打孔使光線能夠正常穿過，當(dāng)彈丸運(yùn)動(dòng)到光電對(duì)管處時(shí)，遮斷光線，光電對(duì)管檢測到信號(hào)，經(jīng)過放大電路后驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件?？紤]到方案1中的感應(yīng)線圈易受到前一級(jí)主線圈的影響從而導(dǎo)致誤觸發(fā)，對(duì)其加裝電磁隔離裝置又會(huì)違背簡約的理念，并且受到原材料的限制，加之方案2中光電模塊已有成熟的模塊化電路不必設(shè)計(jì)制作，所以采用方案2用于彈丸位置檢測。開關(guān)器件的選擇也十分重要，因?yàn)殚_關(guān)器件不僅要求較大的電流耐受能力，還要求有較短的開關(guān)時(shí)間。篩選出三種常用固態(tài)開關(guān)器件供選擇。 1.三極管2.IGBT3.可控硅查閱三種器件各自特性及型號(hào)性能，資料顯示同樣體積

18、或價(jià)格的三極管和IGBT的峰值電流遠(yuǎn)小于可控硅，但是可控硅導(dǎo)通后直至負(fù)載電流消失都無法自身關(guān)斷，但我還是決定采用可控硅作為開關(guān)器件，因?yàn)椴糠中吞?hào)的可控硅負(fù)載特性適用于瞬間放電的電磁加速器，至于關(guān)斷的問題可以通過外加電路勉強(qiáng)解決。 4.2 完全設(shè)計(jì)方案 4.2.1電源設(shè)計(jì) 總電源為220V交流家庭電源，總電源連接控制電源的變壓器與用于給儲(chǔ)能電源充電的整流橋，由于在總電源給線圈充電時(shí)初始電流很大，為防止損傷家庭電路，在整流輸出315V直流后串聯(lián)一個(gè)450V20F的空調(diào)啟動(dòng)電容以減小瞬時(shí)電流。 儲(chǔ)能電源受材料限制，只得使用450V的電解電容，較330V的電解電容浪費(fèi)了部分空間。儲(chǔ)能電源同線圈一樣分兩

19、級(jí)，共同充電隔離放電，由于第一級(jí)加速時(shí)間較長，所以應(yīng)當(dāng)使用相比于后級(jí)容量較大的電容組，電容組由450V220F的電解電容四個(gè)并聯(lián)而成，等效電容450V880F,由電容儲(chǔ)能公式得：理論最大儲(chǔ)能為89.1J，實(shí)際使用過程中電壓只能充至315V，只能達(dá)到滿載儲(chǔ)能的3152/4502=49%,所以實(shí)際最大儲(chǔ)能為43.66J；后級(jí)儲(chǔ)能使用450V220F的電解電容三個(gè)并聯(lián)，實(shí)際最大儲(chǔ)能為32.7J。 控制電源使用變壓器將220V家用電變壓為12V交流后經(jīng)過濾波充入18V電解電容，以得到較穩(wěn)定的輸出。 4.2.2線圈設(shè)計(jì) 由于線圈設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，而這些因素在影響效率的同時(shí)又互相矛盾，比如受開關(guān)器件限

20、制電流不能太大，這就要求線圈的匝數(shù)應(yīng)當(dāng)比較多以提高阻抗和感抗，但是當(dāng)線圈截面與彈丸截面的面積相同時(shí)，彈丸內(nèi)磁場分布最均勻因而效率最高，長度越小的線圈磁場分布越集中，集中的線圈磁場也是影響效率的一大因素。 想要綜合考慮這些因素十分麻煩，所以我使用了專業(yè)仿真軟件來確定線圈參數(shù)。大致選定的線圈設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 漆包線直徑：0.7mm 線圈匝數(shù)：80 線圈內(nèi)徑：8mm 線圈長度：15mm 每層纏繞數(shù)：20 纏繞層數(shù)：4 線圈外徑：14mm 線圈厚度：3mm 漆包線長度：3m 模擬參數(shù)：線圈阻抗：135m 線圈感抗：30.8H 在使用第一級(jí)儲(chǔ)能電容供電時(shí)，最大峰值電流為890A。 4.2.3手動(dòng)控制系統(tǒng)

21、總開關(guān)使用32A空氣開關(guān)，充電開關(guān)為16A空氣開關(guān)，發(fā)射開關(guān)為加長導(dǎo)線的船型小開關(guān)。 4.2.4可控硅與保護(hù)二極管 由4.2.2中軟件模擬的結(jié)果可知，該加速器第一級(jí)時(shí)關(guān)斷器件將承受最大890A的電流，由于放電過程很短，因此應(yīng)當(dāng)從峰值浪涌電流的角度來考慮可控硅的選擇。 經(jīng)過篩選和查詢資料，選擇可控硅型號(hào)為70tps12，此可控硅可耐受1.4KA的峰值浪涌電容。 在70tps12應(yīng)用在電路中時(shí)還要注意一個(gè)問題，線圈相當(dāng)于電感，在放電結(jié)束后由于電感特性會(huì)產(chǎn)生反向電流，而70tps12為單向可控硅且抗反壓能力差，無法抵擋反向電流，這就需要在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)二極管以使反向電流在線圈與二極管中形成回路，以

22、保護(hù)可控硅，二極管的正極應(yīng)當(dāng)與可控硅的陽極對(duì)應(yīng)，這里將此二極管選為大耐受功率的FR307。 4.2.5光電開關(guān) 通過查閱資料，光電開關(guān)決定使用網(wǎng)上成熟的電路，其原理是當(dāng)彈丸遮蔽光線時(shí)，光敏二極管電阻值發(fā)生變化，利用光敏二極管的阻值變化來時(shí)三極管接收到型號(hào)并放大，將控制電源的電能施加給可控硅控制極，使其導(dǎo)通。 光電開關(guān)的電路圖如下：五、運(yùn)載器構(gòu)想及模型彈丸設(shè)計(jì) 6.1運(yùn)載器設(shè)想 運(yùn)載器是新型運(yùn)載系統(tǒng)中唯一消耗的部分，它的任務(wù)如下： 1.保護(hù)及運(yùn)輸載荷 2.完成后期姿態(tài)調(diào)控及入軌 3.在僅依靠加速器獲得高度不足的情況下能夠推進(jìn)載荷彌補(bǔ)剩余高度 同時(shí)運(yùn)載器應(yīng)當(dāng)能夠與彈丸結(jié)合，將磁場能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，由于

23、運(yùn)載器從離開加速器到在高空點(diǎn)火期間是在稠密大氣層中飛行，因此要求其具有較低的風(fēng)阻及氣動(dòng)穩(wěn)定性。在運(yùn)載器主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之前，彈丸應(yīng)當(dāng)與運(yùn)載器結(jié)合并串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部，因?yàn)閷⑵浯?lián)在運(yùn)載器尾部，幾乎不會(huì)增大空氣阻力，所以無論彈丸是否與運(yùn)載器結(jié)合，運(yùn)載器飛行過程中風(fēng)阻幾乎不變，而彈丸會(huì)賦予結(jié)合體較大的質(zhì)量，依照牛頓第一定律，此時(shí)的結(jié)合體在空氣中因受到阻力產(chǎn)生的加速度會(huì)更小，從而能達(dá)到更高的高度。當(dāng)運(yùn)載器依靠加速器賦予的動(dòng)能到達(dá)高空后，便可拋去彈丸，此時(shí)的空氣阻力已經(jīng)很小，可忽略不計(jì)，所以風(fēng)阻系數(shù)較大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鐘形噴管及平整的尾部可暴露在空氣中。 6.2實(shí)驗(yàn)彈丸設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)是為了探究加速器提高效率的方法

24、，所以這里的實(shí)驗(yàn)彈丸只等效于運(yùn)載器中的彈丸，不必具備其它功能，為簡化模型，使用勻質(zhì)圓柱形物塊作為彈丸。 電磁加速器的工作原理決定了彈丸應(yīng)由飽和磁導(dǎo)率高的材料制造，以提高彈丸所受磁力的大小。查找資料，得知硅鋼、坡莫合金、電工純鐵為專用高飽和磁導(dǎo)率材料，考慮到原料形狀和加工難度，選用DT4C電工純鐵作為彈丸材料。 在加速器工作時(shí)，真正對(duì)彈丸做有用功的磁場力集中在線圈兩端，而效率最高的彈丸位置范圍非常窄，為使彈丸在最高效率位置時(shí)線圈兩端的磁場力都達(dá)到最大值，所以彈丸的長度應(yīng)當(dāng)與線圈長度相同，同時(shí)使彈丸外徑與ABS管支架內(nèi)徑吻合，設(shè)計(jì)彈丸尺寸為直徑6mm、長度15mm的圓柱體，計(jì)算得出質(zhì)量為3.2g。

25、六、制作流程部分照片 7、 實(shí)驗(yàn)調(diào)試 7.1調(diào)試方案 調(diào)試的目的是讓加速器模型在現(xiàn)有條件下提高效率，由于彈丸質(zhì)量一定，電容儲(chǔ)能一定，所以效率可以從速度上體現(xiàn)出來。 器材工具：電磁加速器模型、光電測速器、墊塊若干、不同長度細(xì)PVC條、彈丸、動(dòng)能吸收墊、防護(hù)眼鏡 實(shí)驗(yàn)一：探究彈丸最佳初始位置。 首先進(jìn)行第一級(jí)調(diào)試，將各器材擺放到恰當(dāng)位置，將彈丸放至ABS支架起始端，每次試驗(yàn)分別用不同長度的細(xì)PVC條將彈丸向內(nèi)推，直到PVC條剛好沒入支架，之后關(guān)閉第二級(jí)啟用開關(guān)，打開光電測速器，檢查發(fā)射開關(guān)，依次開啟電源開關(guān)及充電開關(guān)，2s后關(guān)閉充電開關(guān)，此時(shí)指示燈亮起，表示電已充滿，撥動(dòng)發(fā)射開關(guān)，彈丸發(fā)射。之后回

26、收彈丸，觀察記錄測速器數(shù)據(jù)，發(fā)射開關(guān)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次實(shí)驗(yàn)。 由于人工操作誤差、家庭電路電壓波動(dòng)以及測速器誤差，會(huì)導(dǎo)致每次彈丸速度有所差異，為保證數(shù)據(jù)精確，每組實(shí)驗(yàn)測速三次取平均值計(jì)算。 7.2第一級(jí)調(diào)試詳細(xì)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)編號(hào)彈丸中心距線圈中心距離（mm)第一次速度（m/s）第二次速度（m/s）第三次速度(m/s)平均速度（m/s)彈丸動(dòng)能（焦耳）效率11717.0317.0018.7117.580.4951.13%21622.3522.1421.8122.100.7811.79%31523.3023.1723.8823.450.8802.02%41423.2722.2922.5622.710.825

27、1.89%51321.3221.5921.7521.550.7431.70%61220.1720.2620.5020.310.6601.51%71118.8516.8219.1018.260.5331.22%81016.3215.5016.0715.960.4080.93% 表7-1 第一級(jí)線圈調(diào)試數(shù)據(jù) 由表可以看出，當(dāng)彈丸中心與線圈中心距離為15mm時(shí)，加速器效率達(dá)到最大，同時(shí)看出彈丸與線圈之間微小的距離差距會(huì)導(dǎo)致效率上巨大的偏差，因此電磁加速器必須要注重精度。 7.3第二級(jí)觸發(fā)位置的調(diào)試 第二級(jí)的調(diào)試建立在第一級(jí)最高速度的基礎(chǔ)上，即23.45m/s，由于電路延遲的存在以及第二級(jí)啟動(dòng)瞬間彈丸

28、最佳距離測算的困難，第二級(jí)光電開關(guān)的最佳觸發(fā)位置仍由測試獲得。 實(shí)驗(yàn)二：探究第二級(jí)光電開關(guān)最佳觸發(fā)位置 此實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)一基本一致，不過將PVC條的長度這一變量改為定量，統(tǒng)一使用10mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)增加實(shí)驗(yàn)變量：光電開關(guān)與第二級(jí)線圈間的距離。 由于此處數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，故不列出，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)距離為27mm時(shí)達(dá)到最大速度，約為32m/s,此時(shí)第二級(jí)效率約為2.3%，整體效率約為2.1%，從文獻(xiàn)中得知，電磁加速器后級(jí)最大效率比前級(jí)的要高，在可關(guān)斷的情況下更為明顯。 7.4由模型實(shí)驗(yàn)得出的電磁加速器效率 模型實(shí)驗(yàn)中，加速器效率達(dá)到了2.1%，但是此加速器模型比較簡陋，各元件參數(shù)都沒有細(xì)究而且沒有加入關(guān)斷系統(tǒng)，嚴(yán)重地降低了效率，在實(shí)際應(yīng)用中電磁加速器的效率應(yīng)當(dāng)比此模型要高得多，并且實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)都表明電磁加速器后級(jí)最大效率比前級(jí)的要高，這一點(diǎn)對(duì)于級(jí)數(shù)很多的電磁加速器是非常有利的。 實(shí)驗(yàn)表明使用電磁加速器將一定質(zhì)量的彈丸發(fā)射出去是完全可行的，并且在簡易制作的情況下也有著不低的效率。8、 運(yùn)載系統(tǒng)工作設(shè)想 將加速度過載限制在20G，這是大多衛(wèi)星能承受的加速度如果需要500m/s的初速，那么加速時(shí)間為2.5S，加速長度為625m，若運(yùn)載器為直徑40cm并且具有整流罩的圓柱體，質(zhì)量為1噸，頭部和尾部的整流罩的風(fēng)阻系數(shù)均為0.15。那么在海平面上，運(yùn)載器離開加速器時(shí)受到空