洛伦兹弹射加速器的原理与设计

——洛伦兹弹射加速器的原理与设计

研究者：大石桥市高级中学孙文智

【摘要】 对于战斗机以及小型无人机的快速短距离起飞通常采用蒸汽弹射器或火箭起飞助推器发射以及最先进的电磁弹射器。在现有的弹射方案中，相比之下，电磁弹射器具有更多优点。本文提出洛伦兹弹射加速器，挑战现有的最先进的电磁弹射器。本文对洛伦兹弹射加速器方案进行了可行性研究。洛伦兹弹射加速器分为两部分，一部分为电容储能部分，一部分为弹射部分。在电容储能部分中提出了电容充电方案，又尝试利用特斯拉变压器谐振充电特性对一组超级电容器阵列进行快速充电，解决超级电容器充电时间长的问题。在弹射部分中提出将电容器所积攒的电能快速释放，得到的强电流通向一组线圈，线圈会产生突变的磁场，进而使铁质物体中产生感应电流，感应电流的磁场与线圈的磁场相互作用，产生洛伦兹力，将其作为动力弹射飞机。

【关键词】 电磁弹射；特斯拉变压器；电磁力；洛伦兹力；电容器

洛伦兹弹射加速器就是利用洛伦兹力作为动力，使飞机在短距离加速到一定速度。洛伦兹弹射加速器在设计时就要求比电磁弹射器具有更简单的结构，却有更大的功率密度，电磁弹射的难点之一在于找到一个储能设备将电能储存下来。其次就是找到将能量高效转化的方式。本文中的所有方案都通过了实验验证。

一、洛伦兹弹射加速器整体规划

洛伦兹弹射加速器与现役的电磁弹射器一样分为两部分，储能部分和弹射部分。洛伦兹弹射加速器的储能部分使用电容储能，并设计了一系列电路对储能电容进行充电。弹射部分的动力来源于洛伦兹力，并且让洛伦兹力的方向与运动方向一致，减少不必要的分力，这是电磁弹射器中的电磁力所不具备的。

二、储能原理及电路

电容器是由两个电极及其间的电介质构成的。电介质当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时，由于极化而在介质表面产生极化电荷，遂使束缚在极板上的电荷相应增加，维持极板间的电位差不变。这就是电容器具有电容特征的原因。电容器中储存的电量Q等于电容量C与电极间的电位差U的乘积。电容量与极板面积和介电材料的介电常数ε成正比，与介电材料厚度（即极板间的距离）成反比。目前，我国自主研发的超级电容器电容已经达到10000F以上，可以作为一个良好的储能装置。

电容器的能量密度高，放电速度快。利用这个特点将其作为储能器非常合适。

基于电容器的储能原理，可用图1电路对其充电。

图1 电容器充电电路

但是大电容的电容器（超级电容）充电的时间非常长。关于超级电容的充电速率有一个很重要的因素，那就是充电电压，超级电容在接收电能时，它的电压由零逐渐升高到额定电压，而且充电电压与超级电容电压差越大，超级电容接收电能的速度越快，功率越高。也就是说，提高充电电压，可以减少充电时间。

当需要弹射重型飞机时，就需要更多更大的储能电容，那时需要的电压也会非常大，为了获得更大电压，可以采用特斯拉变压器。特斯拉变压器可以将十几伏电升到几十万伏甚至几百万伏且能量传递效率高。为此，我提出利用特斯拉变压器作为升压装置的电容快速充电器。图2为特斯拉变压器对储能电容充电示意图，它由两个回路通过线圈耦合构成。首先电源对电容C1充电，当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙的阀值，打火间隙击穿空气打火，变压器的初级线圈的通路形成，能量在电容C1和初级线圈L1之间振荡，并通过耦合传到次级线圈。次级线圈也是一个电感，次级线圈与后面的一系列电路也会发生LC振荡，当两级的振荡频率一样发生谐振的时候，初级线圈的能量会涌到次级线圈，将能量传给电容，直到电容充满电。

图2 特拉斯变压器对储能电容的充电示意

三、弹射装置的原理与结构

弹射装置的心脏就是他的动力来源，只有强大且稳定的动力才可以在弹射器中使用。洛伦兹力就是一种大小可控且高效的动力。洛伦兹力可通过通电线圈与铁质物体之间的相互作用获得，而且这种方式简单，电能损失很少。

利用图1中电容器所积攒的电能快速释放，对弹射器线圈通入瞬间大电流，线圈会产生突变的磁场，进而使铁质物体中产生感应电流，感应电流的磁场与线圈的磁场相互作用，产生洛伦兹力。

图3、图4是在图1、图2的基础上标明了弹射线圈的位置。

将获得的动力通过一系列传动杆传送到发射台上就可以弹射飞机了。

图5（1）、图5（2）为动力传送部分。

白色为线圈，黄色为PVC管，红色为铁质物体，绿色为尼龙传动杆，蓝色为飞机弹射工作面。

当对线圈瞬间通一强电流，铁质物体会受到电磁力从PVC管的一端快速运动到另一端，通过连动杆同时带动飞机弹射工作面快速运动，将飞机放在弹射工作面，飞机就会被弹射出去了，就像是一只手将飞机抛了出去。

图3

图4

图5（1）

图5（2）

上述加速系统只进行了一次加速，还可以使用多级加速。（见图6（1）和图6（2））

图6（1）

图6（2）

当铁质物体在A区域时，给a线圈在极短暂时间内通以强大电流，使铁质物体受电磁力吸引加速到B区域，再给b线圈在极短暂时间内通以强大电流，使铁质物体受磁力吸引加速到C区域，以此类推，铁质物体将获得更大的动能，再将其传递给飞机即可。

四、线圈缠绕方案

线圈的缠绕方法对于能否成功弹射飞机有着重要意义。由于通电线圈会产生电感，所以线圈匝数过多会影响弹射效果，但又要获得强大的磁场，所以最佳的线圈缠绕方法是：在同一位置使用多组相同且适当匝数线圈串联在一起，使多组线圈的磁场耦合在一起，这就避免了电感对弹射线圈的不利影响，而且还增强了磁场。

五、洛伦兹弹射加速器的仿真模型设计

使用3块4.2V的锂电池作为电源，再用12V升500V的变压器升压，用这500V的直流电对10个串联在一起的、耐压为450V、电容为1000μf的电解电容充电，电容器充电完成后，将这些电能对一个由7组100匝线圈串联在一起的线圈一次性放电，线圈会产生突变的磁场，进而使铁质物体中产生感应电流，感应电流的磁场与线圈的磁场相互作用，产生洛伦兹力，将其作为动力，再通过连接杆将动力转移到飞机上，将飞机弹射出去（见图7）。

图7

六、结论

（1）使用电容器作为电磁弹射器的储能部分符和电磁弹射的需求。

（2）得到两种对电容器的充电方案。

（3）可利用洛伦兹力作为动力弹射飞机，结构简单，效率高。

（4）对洛伦兹弹射加速器做出了整套设计方案。

参考文献

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