火炮中能量转换的研究

张宇曦

摘要：火炮发射和运行过程中本身消耗了大量的电能，同时产生了很多很多未被利用的能量。本文阐述火炮发射和运行过程中产生的能量，并结合已有的能量转换原理和技术，分析适用于火炮的能量转换技术以收集这部分未被利用的能量用于发电。

关键词：火炮 能量转换 发电

1 概述

社会的发展离不开能源的利用，其中电能的使用最为广泛和清洁，符合可持续发展。在当前能源紧张的情况下，电能的使用也受到了限制，需要从减少能源的使用量和提高能源利用率等方面进行研究，以维持社会长足的发展。在减少能源使用量方面，低功耗技术日益成熟，减少了电子设备的电能用量。在提高能源利用率方面，利用能量转换技术已经研究出了很多将需供电设备所在的环境中的热能、光能、动能等能量转化为电能的装置，为设备提供电能[1]。火炮中电子设备众多，其能量供应采用的是化学能电池，化学能电池具有污染环境、维护成本高、电能有限等缺点，需要寻找新的能量供应来源。火炮发射和运行过程中产生的能量高、能量种类多，且未被利用，因此将这些能量利用起来提供火炮所需的电能，能提高这部分能量的利用率，还能在一定程度上延长火炮寿命，为火炮更长时间的运行提供支撑。

本文根据对火炮发射和运行过程的分析和研究，结合能量转换原理，分析适用于火炮的能量转换技术。

2 能量转换技术原理及应用

2.1 压电效应

压电效应是指压电材料受外力作用而发生电极化，压电材料两端产生符号相反的束缚电荷的现象。基于该效应的发电机可以收集环境中的机械能，如微风、声波、噪声和振动能量。振动能量采集器的开路输出电压峰峰值随加速度、电阻值增加而增大，可达218mV，输出功率随电阻值增大而增大，可达71.85 nW[1]。

2.2 摩擦发电效应

摩擦起电效应是指两种俘获电子能力差异很大的材料在外力作用下通过摩擦在两个面产生电势差的现象。摩擦电发电机几乎能收集任何机械能，包括风能、振动能、以及人体运动能等。摩擦发电机通常使用刚性材料制作电极，采用柔性材料制作的叉式电极摩擦发电机（FITG）则具有轻质、便携、多功能、适用于多种场合等优点。滑动模式下的FITG在滑动速率为3.95m/s时，开路电压可达400V，短路电流可达120μA，最大输出功率密度达13W/ ；旋转模式下的FITG在转速240rpm时，最大输出电压达1020V[2]。条形摩擦材料PTFE的条数、PTFE与另一摩擦材料的俘获电子能力差和输出成正比，摩擦层的厚度与输出成反比。

2.3 热电效应

2.3.1 塞贝克效应

塞贝克效应是指由两种不同材质的电导体受热产生温差或同一种半导体在两端受热不同引起温差而产生电压差的现象，载流子由热端流向冷端。传统技术收集废水中的废弃热能，利用塞贝克效应转化为电能。这一技术实现必须存在稳定的温度差，而环境温度分布往往具有空间一致性。

2.3.2 热释电效应

热释电效应是指具有自发极化特性的晶体，其极化强度随温度变化而变化，在晶体两端产生电势差的现象。热释电材料具有作为芯片易集成、高速、低成本、灵活性强、灵敏响应度较宽等优势，广泛用于环境监测、热成像检测器、气体分析、红外光谱测量等领域。王中林小组于2012年发明了热释电纳米发电机PENG。利用110μm厚的有机聚合物聚偏氟乙烯PVDF制作的30mm×30mmPENG装置，随着温度变化的增大，输出电流、电压增大，变化量为80℃时最大电流为11.32μA，最大输出电压为192.6V；温度逆向变化和正向变化的电流响应不同，逆向变化式电流响应相对比较大且迅速；输出功率随温度变化的增大而增大，随外电路电阻的增大呈现先增大后减小的趋势，变化量为80℃是最大输出功率为126.2μW；输出电流随温度变化频率的增大呈现先增大后减小的趋势。在温度变化为80℃、变化频率为5Hz的状态下，该发电机仅用90s就将电容器充到3.3V[2]。以上研究数据表明此类发电机能够储能并为一些小型自供电电子设备充电。

2.4 法拉第电磁感应原理

法拉第电磁感应原理是指穿过闭合电路的磁通量变化产生感应电动势的现象。通过振动，永磁铁和线圈的相对运动，线圈内磁通量发生变化，线圈产生电动势，即将振动能量转化为电能。电磁式振动能量收集方式在振动频率较低、加速度较小的情况下，表现较其他方式优越。高效电磁式振动能量收集装置在振动频率为20Hz、负载为24.3 的环境中，可输出的最大电压为4.8V，最大输出功率为118.5mV[3]，根据电磁感应定律，感应电动势与线圈匝数、磁通量变化率成正比。

3 火炮发射、行进特点及分析

火炮发射过程有以下特点：

（1）温度高。火药在身管内燃烧时的爆发温度可达2500K∼3600K，火药燃气在弹丸出膛瞬间温度降下降至1500K左右。发射瞬间身管内表面温度可达1000K以上，连续发射是外表面温度也达373K。所以身管的内外表面、药室和炮口存在温度差，随时间的推移，同一位置的温度也会有变化，且火药能量的利用率很低，通过收集该废热可以提高火药能量利用率。

（2）压力大。火炮发射时火药燃气压力推动弹丸获得巨大的动能，因此弹丸、身管和跑栓都会受到很大的作用力，一般为50MPa∼700MPa[4]。可使用压电式装置收集部分能量来转换为电能。

（3）火炮发射时炮身会相对架体作后坐运动，即产生相对位移，可通过摩擦发电将该位移转换成电能。

（4）火炮发射时小口径火炮炮口振动位移约为0.1mm，加速度大小约100g∼500g，振动频率约为300Hz。在起伏较为明显的路面上行进时，高低向振动位移达0.12mm，水平向振动位移约0.02mm，振动频率约10Hz[5]。可用振动能量收集装置将未利用的振动能量转化为电能为电子设备提供能量。

4 小结

本文通过对火炮射击和行进间特性分析未利用和利用率低的能量，根据不同的能量转换原理，得出将这些未用和利用率低的能量重新收集和转换为电能的方法，以提高能量的利用率，并一定程度延长火炮寿命。

参考文献

[1] 杨杰. 硅基MEMS压电式振动能量采集器设计制造及其性能研究[D]. 太原：中北大学，2015.

[2] 冷强. 基于热释电、摩擦电效应的纳米发电机及其应用的研究[D]. 重庆：重庆大学,2015.

[3] 张端，王满州. 高效电磁式振动能量收集装置的设计[J]. 浙江工业大学学报. 2018,46(02):168-173.

[4] 曹红松，张亚，高跃飞. 兵器概论[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[5] 楚东来，赵伟辰，林春城. 装甲车辆行进间火炮振动信号的采集与分析[J]. 信息通信.2016,157(01):14-15.