乐视x720和x722区别:手把手教你制作单兵用电磁线性加速器

手把手教你制作单兵用电磁线性加速器(轨道炮,RAILGUN,EML)[/url]
各位童鞋在各种电影,游戏,动漫里大概都见过传说中的轨道炮...
此玩意被成为RAILGUN,即电磁轨道上对弹丸进行加速的投射武器.正式名称为EML(ElectroMagnetic Launcher)

[::艾泽拉斯国家地理 BBS.NGACN.CC::]

各国(尤其是米国)近年对这方面的研究一直在进行,根据流出的消息,目前地球上已经诞生舰载大型轨道炮.
根据最新的消息,2008年1月试射的轨道炮,已经有能力把质量3.35Kg的炮弹加速到2520m/s(约7.4倍音速).弹体发射时动能达到10.64MJ.这个能量足以轻易击沉一艘航母,或是打穿5m厚的钢板..动力方面,由Zumwalt级导弹巡洋舰(Zumwalt class destroyer)的引擎带动涡轮发电机提供电力,最大80MW(兆瓦)出力中的15～30MW的电力用于供给轨道炮的情况下,大约能支持每分钟6～12发的连射速度.
(信息来源:WikiPedia. [ http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%82%AC%E3%83%B3)此网页不属于本网站，不保证其安全性 继续访问 取消 不再提示我 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%82%AC%E3%83%B3) ]

当然下面我们要讨论的问题,首先是"单兵用".即将如此犀利的轨道炮小型化,同时不失威力.
这种看起来很高深的武器,其实原理很简单...高中物理课程上我们都学过

概念:
首先,轨道炮(RAILGUN)是电磁加速的动能武器.比较容易和电磁加速炮,粒子加速器等玩意搞混
电磁加速炮:使用一系列的磁场阵列,逐次使用磁力吸引铁制或钢制弹丸,达到加速目的.通常使用可控开闭的电磁场,
粒子加速器:使用电场加速带电粒子束对目标进行集中轰击的武器


基本原理:洛伦兹力
[ ./mon_201005/28/7_4bff7de332f41.jpg ]
如图,根据左手定则,Z轴方向加磁场,X轴方向通电流,在Y轴方向就产生一个力,称为洛伦兹力
计算公式:
[ ./mon_201005/28/7_4bff7e6c7fdbd.jpg ]
当然这是通过高等数学详细推导出来的公式.我们高中物理学习的是这个公式在特例下导出的简化版.不过我们这里对这种详细的科学计算不用关心.
原理,就是这些!

基本构造:
通过以上原理,我们只需要构成一个磁场环境,以及一个在导电的轨道上可动的"弹丸",通过轨道对"弹丸"通电即可产生加速力.
自己画了一个基本构造图:
[ ./mon_201005/28/7_4bff829073682.jpg ]

细节:
1.垂直方向为磁场,水平方向为供电轨道.
这样做的目的是让弹体与轨道在重力作用下能充分接触,保证电流通畅.

2.磁场可以用静态的永磁磁石构成,这样构造上比较简便.但是磁场强度通常较弱.
实际的大出力轨道炮通常使用超导线圈提供强大的磁场,但是构造复杂,体积和重量庞大,可靠性差等都是其缺点.目前人类所开发出来的磁性材料(磁石)已经能提供相当强力的磁场(相信拆开分解过计算机硬盘的同学都知道硬盘里那一块磁铁的强力),以单兵携带型武器为前提的本设计,自然采用构造和重量上都有优势的磁石

3.磁场相对较弱的前提下,为了获得更大的推力,根据洛伦兹力原理,我们必须要增大电流.
现在最大的问题来了:电流过大,过电产生的热量足以将作为导体的弹丸和轨道熔化,气化甚至等离子化
于是就衍生了如下2种推进方式:
3.1 直接推进式
上面的构造图采用的是这一种方式,通过加电直接将导电的弹体进行加速.如上所述,此时必须至少保证弹体在通电时不被熔化.
故弹体和轨道的材料需要采用高熔点,低电阻,耐摩擦的材料.
轨道的材料使用石墨(铅笔芯的材料)比较理想.石墨拥有及高的熔点和不错的导电性.而且其自身就有较好的润滑性,造价更是便宜.
弹体的材料使用铝金属或钛金属.高熔点,电阻较低,不错的硬度,以确保能承受过电产生的焦耳热以免熔化.更重要的原因:使用密度较小的金属,这样弹体的体积可以相对较大,命中目标时的接触面就大,能对目标更充分的释放破坏力..否则细如针尖的弹体发射出去,打中目标也顶多给目标穿一个小孔..

3.2 `等离子推进式
[ ./mon_201005/28/7_4bff8a86d4d20.jpg ]
如图,这种推进方式是:故意使推进剂(通常是夹在轨道中间的,棉花状的极细金属丝)熔化乃至等离子化.
大家知道等离子也是良导体,等离子继续被过电加速,同时利用等离子化产生的膨胀力推动前方的绝缘弹头进行发射.
也就是说宏观上比较类似于火药发射的原理

这里要介绍的是,日本一家大学的物理系研究室,在其教授和学生的合作下,已经制作出这种方式的轨道炮.
他们使用家用的110V电源,通过变压器升压后变成直流电,对大容量的油压电容器进行充电,以此作为轨道炮的电力.
结果是:充电30秒,已经可以使弹丸加速到1030m/s,动能30kJ.经测试能轻易打烂(注意不是打穿)易拉罐,穿透一块计算机主板,等等..
[ ./mon_201005/28/7_4bff8b913d352.jpg ]
视频(NICO动):[ http://www.nicovideo.jp/watch/sm4934206此网页不属于本网站，不保证其安全性 继续访问 取消 不再提示我 http://www.nicovideo.jp/watch/sm4934206 ]
发射时能看到炮口喷射出大量的高温等离子体,并迅速在大气中消失.十分华丽...

这种加速方式也有很大缺点:
首先是能量利用效率不高.由于弹丸和炮膛之间的气密性不可能完美,弹丸后方的加速气体(等离子体)会漏掉大部分,只有很小一部分真正推动弹丸进行了加速.
炮身的维护十分麻烦..每发射一次就要清理炮膛内的残留物,而且由于摩擦,炮膛的损耗严重.
发射时由于有大量的空气膨胀,会产生很大声响,而且喷出的等离子火光十分耀眼,隐蔽性很差.

4.弹体形状和轨道形状
弹体和轨道必须尽可能致密接触又不影响弹体滑动.
综上,直接推进式的轨道和弹体使用扁平的+字型比较合适.弹体可以做得扁而长,以增大与轨道的接触面,减少电阻
等离子推进式的则必须使用原型炮膛和炮弹.以最大限度保证气密性

5.控制和供电机构
控制方面由于机械上的构造比较简单,实际结构甚至比普通的步枪还要精简.
只是要注意:由于使用高压电流的缘故,绝缘必须做好.尤其是作为扳机部位的放电开关,瞬间高压通过有熔化的危险,所以接触面必须大.
另一方面,使用超过10万伏以上高压电的情况下,由于正负极(轨道)之间的距离很近,空气甚至会被击穿形成电弧放电.所以在加电前向炮膛内充入惰性气体也是普通的做法.
电源则使用电池,人类科技下能开发出来的越高容量电池越好..据称(此消息是否属实未知)米国已经开发出重量500g左右,容量600kVA以上的电池(粗略换算约相当于40万节5号电池的电量,按1.5V,1000mAh计算)
电路上则需要一枚大容量的电容器,由电池对电容器充电,发射时瞬间放电形成巨大电流.

设计目标:
作为单兵用武器,小型化的同时我们必须保证威力.
作为对比,普通手枪发射弹丸的初速一般为230 - 680m/s,步枪则为750 - 1,800m/s
身为轨道炮,自然不能输给常规武器.我们的设定目标是使用1m长的炮身(轨道长度,当然加上其他部件全长可能会达到1.5m或更长),将100g重的弹丸加速到3000m/s
那么经过计算,此时发射出去的弹丸动能为:450Kj

对比一下:
M82A1式狙击步枪
口径 12.7mm
初速(M33式普通弹) 853m/s
全枪长 1448mm
枪管长 737mm
枪口动能----15570J

可知威力大约是狙击步枪的30倍.轰杀坦克装甲车绰绰有余了.

那么为了达成这个目标,我们需要什么?
首先计算所需推力(计算过程省略,高中物理知识).按上述条件,我们得到需要在1/1500秒内对弹丸造成450000N的推力.也就是:在如此短的时间内产生大约45吨的推力(以及后坐力)
所以我们在构造设计上必须考虑缓冲机构,让后坐力缓慢释放,否则射手会被击飞数米甚至数十米远..

为了达到这个推力..我们需要多大的电流和磁场?
很遗憾,由于手头缺乏详细数据.这里我无法给出详细的计算.但经过粗略估算,使用磁石提供局部1T的磁场强度(保守估算),直接加速方式的前提下,我们大约需要1万伏,瞬间9x10^5安的电流..
计算过程由于是笔算,这里恕不能提供详细...
于是我们需要一个容量巨大,体积小重量轻的电容器来储存这个电能..

恭喜楼主吧,楼主的伟大计划就在这里搁浅了..
别的材料都好办,我TM上哪去找这种电容器!