CN117554017A - 基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法 - Google Patents

基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法 Download PDF

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CN117554017A CN202311524347.1A CN202311524347A CN117554017A CN 117554017 A CN117554017 A CN 117554017A CN 202311524347 A CN202311524347 A CN 202311524347A CN 117554017 A CN117554017 A CN 117554017A
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曹增强
张铭豪
郑国�
李想
杜蒙
袁昕宇
王晓荷
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08—Shock-testing

Abstract

本发明公开了一种基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法，属于鸟撞试验技术领域，用于验证试验试件抗冲击破坏能力，具体包括电源系统、发射系统和试验系统。本发明的基于电磁加载的鸟撞试验装置采用电磁加载技术，通过控制对电容进行充电后再对加载线圈放电，利用加载线圈和感应线圈之间产生的电磁力完成对鸟弹的发射，在运动过程中感应线圈受到组合式缓冲机构的阻碍，仅使得鸟弹飞出炮筒完成对试验试件的撞击，本发明采用电磁加载代替空气炮加载，结构简单，可使鸟弹获得更高的发射速度，且发射过程可控性好，冲击能量调节等操作简便，试验过程重复性好，结果精确。

Description

基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及鸟撞试验技术领域，具体涉及一种基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法。
背景技术
鸟撞一般指高速运动的交通工具如飞机、高铁等撞击到飞行的鸟类，其过程发生在毫秒量级，具有动载荷、柔性撞击、大变形几何非线性和高应变率等特点，是一种突发性和多发性的事故。鸟撞若发生在飞行器或高铁的关键部位，造成的后果及其严重，直接威胁到人们的生命安全。
抗鸟撞试验是评价飞机、高铁安全性能的重要方法，国内外一般采用将4-8磅(1.8-3.6kg)的人工仿制鸟(鸟弹)加速撞击至试验件模拟鸟撞过程。鸟弹加速方法当前主要采用火药爆炸能量驱动或空气炮加载。前者可提供较大的发射速度但火药的存放和试验较为危险，所以空气炮加载较为常见。发射装置的气体释放是空气炮发射试验技术的关键，目前普通的空气炮试验系统，分别使用活塞气阀式、破膜式、电磁阀式三种气体释放技术采用破膜式气体释放时金属膜片破裂后会随高速弹体一起运动，存在安全隐患，重复精度差，耗损很大，还很难保证发射气流的均匀作用；而采用活塞式和电磁阀式气体释放发射装置，结构复杂，开启时间长，发射精度差。
申请号为201510729223.6的专利公开了一种鸟撞试验装置，采用空气压缩机和储气罐实现对鸟弹的空气加载，试验前将炮筒利用薄膜密封，并利用减压装置使炮筒内部处于真空状态，空气压力为0.4Mpa，第二段炮筒长9m、真空压力-0.09Mpa的条件下使1.8kg的鸟弹获得1010km/h(280m/s)的飞行速度，远高于现有技术650km/h(180m/s)的速度。该设备虽然提高了鸟弹的飞行速度，但对炮筒密封要求较高，采用真空环境造成结构复杂，试验成本昂贵，在发射过程中也难保证发射气流均匀作用。
申请号为201810889047.6的专利公开了一种离心式鸟撞试验方法，该装置由驱动电机提供驱动力，利用离心式旋转装置使鸟体进行旋转，当鸟体的线速度达到设定值后，离心式旋转装置释放鸟体，并引导鸟体撞击试验件，该装置不需要较长的炮管与高压装置，试验系统整体占用空间小，但鸟体旋转加速时间长，对鸟体释放的控制精度要求较高，也难以获得较大的发射速度。
综上所述，现有鸟撞试验装置无法适应当前超音速飞机和高铁的发展需求，亟需一种新的技术方案以解决鸟撞试验发射中鸟弹发射速度低，装置结构复杂和试验精度差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁加载的鸟撞试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的基于电磁加载的鸟撞试验装置，包括电源系统、发射系统和试验系统；
所述电源系统包括输入电源、升压变压器、整流元件、限流电阻、电容、放电开关和电缆；
所述试验系统包括高速相机测量系统、两个速度探头和试验试件；
所述的发射系统包括加载线圈、感应线圈、鸟托、鸟弹、炮筒、组合式缓冲机构和支架；所述电源系统的电缆与发射系统的加载线圈通过连接接头相连接；
其中，所述感应线圈为电阻率小的金属圆盘结构，且设置于所述加载线圈的前侧，所述感应线圈远离所述加载线圈的一侧表面中心位置开设有用以贴合所述鸟弹的弧形凹槽，且所述感应线圈表面还连接有不导磁的所述鸟托，在试验发射前，所述感应线圈紧靠所述加载线圈的一面紧贴所述加载线圈，同时所述鸟弹紧贴所述感应线圈，所述加载线圈和所述感应线圈的尺寸与所述鸟弹的尺寸相匹配，其中所述加载线圈直径大小和所述感应线圈相同，所述感应线圈中心表面的所述弧形凹槽的直径与所述鸟弹直径D值相同；
所述组合式缓冲机构设置于炮筒内前端出口处，且组合式缓冲机构由减振橡胶、阻尼器和弹簧组成；
试验时，输入电源经升压变压器升压、整流元件整流后对电容充电，达到指定电压后放电开关闭合后通过电缆对加载线圈放电，利用加载线圈和感应线圈之间产生的电磁斥力将感应线圈及鸟弹一同发射，感应线圈发射后，带动与线圈连接的鸟托和其内承托的鸟弹一起飞行，到达炮筒出口处感应线圈首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶上，鸟托插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈和鸟托继续向右移动，仅将鸟弹发射撞击试验试件完成试验。
可选地，两个所述速度探头皆固定安装于所述炮筒外侧，且所述炮筒上方与所述速度探头的连接处开设有用于所述速度探头进行速度测量的开孔。
可选地，左侧所述速度探头位于发射前所述鸟托前端出口的正上方，右侧所述速度探头位于复位后所述减振橡胶的左端正上方。
可选地，所述加载线圈位于所述炮筒的左端，所述炮筒的底部等距间隔安装有所述支架。
可选地，所述感应线圈位于所述炮筒内左端，且所述感应线圈与所述炮筒内壁处于间隙配合。
可选地，所述炮筒的长度为1-3m。
本发明还提供一种基于电磁加载的鸟撞试验方法，包括所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
步骤一：在试验前根据测试标准选择相应的鸟弹，固定好试验试件，调试好速度探头和高速相机测量系统，将感应线圈底座紧贴加载线圈，感应线圈表面中心开设的弧形凹槽贴紧鸟弹，鸟弹外表面由鸟托承托，完成准备工作；
步骤二：使用380V或220V的输入电源经升压变压器升压和整流元件整流后对电容充电，在2min内给电容充电到指定电压，电容充电的时间主要由电容所需的储能能量和限流电阻决定，而电容所需的储能能量又由待发射鸟弹的重量和所需发射的速度决定；
步骤三：达到指定电压后放电开关闭合后通过电缆对加载线圈放电，加载线圈内部产生瞬时电流，该电流在线圈周围产生变化的脉冲磁场并穿过感应线圈，感生出涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生电磁斥力将感应线圈及鸟弹一同发射，过程持续时间短，而鸟托为不导磁材料，不会对脉冲磁场产生干扰，炮筒出口处设置有减振橡胶、阻尼器和弹簧搭配的组合式缓冲机构，感应线圈发射后，带动与感应线圈连接的鸟托和承托的鸟弹一起飞行，于炮筒出口处感应线圈首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶上，鸟托插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈和鸟托继续向右移动，仅将鸟弹发射撞击试验试件，而感应线圈和鸟托在组合式缓冲机构的阻碍下速度降至零；
步骤四：鸟弹离开炮筒后，高速相机测量系统开始捕获鸟弹的飞行轨迹和速度等信息，鸟弹撞击在试验试件后，完成一次撞击试验，此时将感应线圈复位。
可选地，所述步骤一中，发射前按最大发射重量确定鸟弹直径D，进而确定加载线圈的尺寸，发射不同重量的鸟弹更换鸟托即可，当装置的加载线圈、感应线圈尺寸和电源系统元器件确定后，通过调节电容C的大小和充电电压Uc的大小，即可获得不同的电磁力，进而使得鸟弹获得不同的加载速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.发射速度高
当前鸟撞试验平台无论是采用压缩空气加载或火药爆炸提供动力，受限于气体膨胀速度，很难将4-8磅的标准试验鸟弹加速至接近甚至超过音速，而随着当前科技水平的进步，超音速的交通运输工具越来月普遍，传统鸟撞试验平台试验的结果已无法有效的提供高速撞击下结构的试验情况，而本发明原理上是将电能转化为电磁能再转化为鸟弹的动能，从理论上讲，只要电容量足够，就可以提供足够的能量将鸟弹加速至音速甚至超音速，本发明可大幅提高鸟弹的发射速度，可以更好的测试试件在极端复杂环境下的性能表现，尽可能设计人员留出足够的安全余量。
2.可控性好
针对不同的试验对象及不同试验要求采用不同重量的鸟弹，通过调整电源储能(主要为电容量大小和电容充电电压)就可获得不同的电磁力和鸟弹的发射速度，发射过程中可实现“三无”(无声、无烟、无光)发射，操作简便，可控性好。
3.结构简单，管理维护方便
电磁加载在可提供较大发射速度的同时，可在几百微秒到几毫秒的时间完成加载，故对比空气炮加载的鸟撞试验装置，发射炮筒无需加工很长，可缩短至1-3m，鸟弹运行过程中损耗较小，炮筒内无需抽真空，本发明无需高压气罐，也无需考虑气体的释放、泄漏问题，设备维护试使用简单，无需对高压装置进行特殊的维护，试验准备时间短，发射成本低，占地面积小。
4.试验结果精确
可依据本发明提供的电磁力公式计算出发射时获得的电磁加载力，较为准确的分析试验全过程中能量的转化、损耗等，同时无需考虑传统空气炮发射时鸟弹所受气流不均对试验结果的影响，试验重复性好，提高了试验结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于电磁加载的鸟撞试验装置的原理图；
图2为本发明的基于电磁加载的鸟撞试验装置的加载线圈和感应线圈的三维结构示意图；
图3为本发明的基于电磁加载的鸟撞试验装置的鸟弹加载所受电磁力、飞行速度-时间仿真曲线图。
附图标记说明：1、输入电源；2、升压变压器；3、电容；4、整流元件；5、限流电阻；6、放电开关；7、电缆；8、连接接头；9、鸟托；10、速度探头；11、炮筒；12、减振橡胶；13、阻尼器；14、弹簧；15、试验试件；16、高速相机测量系统；17、支架；18、鸟弹；19、加载线圈；20、感应线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本实施例的基于电磁加载的鸟撞试验装置，包括电源系统、发射系统和试验系统；
所述电源系统包括输入电源1、升压变压器2、整流元件4、限流电阻5、电容3、放电开关6和电缆7；
所述试验系统包括高速相机测量系统16、两个速度探头10和试验试件15；
所述的发射系统包括加载线圈19、感应线圈20、鸟托9、鸟弹18、炮筒11、组合式缓冲机构和支架17；
其中，所述感应线圈20为电阻率小的金属圆盘结构，且设置于加载线圈19的前侧，其远离加载线圈19的一侧表面中心位置开设有用以贴合鸟弹的弧形凹槽，且其表面还连接有不导磁的鸟托9，在试验发射前，感应线圈20紧靠加载线圈19的一面紧贴加载线圈19，同时鸟弹18紧贴感应线圈20；
所述电源系统的电缆7与发射系统的加载线圈20通过连接接头8相连接。
具体的，所述组合式缓冲机构设置于炮筒11内前端出口处，且组合式缓冲机构由减振橡胶12、阻尼器13和弹簧14组成；
试验时，输入电源1经升压变压器2升压、整流元件4整流后对电容3充电，达到指定电压后放电开关6闭合后通过电缆7对加载线圈19放电，利用加载线圈19和感应线圈20之间产生的电磁斥力将感应线圈20及鸟弹18一同发射，感应线圈20发射后，带动与感应线圈20连接的鸟托9和其内承托的鸟弹18一起飞行，到达炮筒11出口处感应线圈20首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶12上，鸟托9插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈20和鸟托9继续向右移动，仅将鸟弹18发射撞击试验试件完成试验。
具体的，两个所述速度探头10皆固定安装于炮筒11外侧，且炮筒11上方与速度探头10的连接处开设有用于速度探头10进行速度测量的开孔。
具体的，左侧所述速度探头10位于发射前鸟托9前端出口的正上方，右侧所述速度探头10位于复位后减振橡胶12的左端正上方。
具体的，所述加载线圈19位于炮筒11的左端，所述炮筒11的底部等距间隔安装有支架17。
具体的，所述感应线圈20位于炮筒11内左端，且感应线圈20与炮筒11内壁处于间隙配合。
在本实施例中，具体的提出基于电磁加载的鸟撞试验方法，包括如下步骤：
步骤一：在试验前根据测试标准选择相应的鸟弹18，固定好试验试件15，调试好速度探头10和高速相机测量系统16，将感应线圈20底座紧贴加载线圈19，其中心表面开有带弧度的凹槽尽可能贴紧鸟弹18，鸟弹18外表面由鸟托9承托，完成准备工作；
步骤二：使用380V或220V的输入电源1经升压变压器2升压和整流元件4整流后对电容充电，在2min内给电容3充电到指定电压，电容3充电的时间主要由电容3所需的储能能量和限流电阻5决定，而电容3所需的储能能量又由待发射鸟弹18的重量和所需发射的速度决定；
步骤三：达到指定电压后放电开关6闭合后通过电缆7对加载线圈19放电，加载线圈19内部产生瞬时电流，该电流在线圈周围产生变化的脉冲磁场并穿过感应线圈20，感生出涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生电磁斥力将感应线圈20及鸟弹18一同发射，过程持续时间短，可认为感应线圈20与连接的鸟托9承托着鸟弹18在几百微秒到几毫秒的时间内获得了相同的速度，而鸟托9为不导磁材料，不会对脉冲磁场产生干扰，由于电磁加载提供的巨大加速度，所以炮筒可缩短至1-3m，所述的炮筒11出口处设置有减振橡胶12、阻尼器13和弹簧14搭配的组合式缓冲机构，感应线圈20发射后，带动与感应线圈20连接的鸟托9和承托的鸟弹18一起飞行，于炮筒11出口处感应线圈20首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶12上，鸟托9插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈20和鸟托9继续向右移动，仅将鸟弹18发射撞击试验试件15，而感应线圈20和鸟托9在组合式缓冲机构的阻碍下速度降至零；
步骤四：鸟弹18离开炮筒11后，高速相机测量系统16开始捕获鸟弹18的飞行轨迹和速度等信息，鸟弹撞击在试验试件15后，完成一次撞击试验，此时将感应线圈20复位。
在本实施例中，基于电磁加载鸟撞试验装置，当该试验装置的电源系统为欠阻尼工作状态，即电源系统等效后的电阻R、电感L和电容C满足公式：
当放电开关闭合后电源系统提供的冲击电流满足公式：
i(t)＝Ime(-δt)sin(ωt)
其中，式中Im为冲击电流峰值，式中Uc为电容两端的充电电压；
电容放电后加载线圈内部产生瞬时电流，进而在感应线圈中感生出涡流，鸟弹获得的加载动力来自加载线圈和感应线圈之间产生的电磁斥力，具体计算公式为：
式中式中r1为加载线圈半径，μ0为真空磁导率，ω为衰减谐振圆频率，M为两线圈之间的互感，N为加载线圈匝数，α为加载线圈和感应线圈的间距，R2、L2为分别为感应线圈电阻和电感，C、Uc分别为电容值和充电电压。
从式中可以看出，加载线圈半径r1、匝数N越大，加载线圈和感应线圈的间距α越小，电磁力F越大，进而鸟弹获得的发射速度越大，所以在实际试验前，加载线圈和感应线圈的间距α应尽可能小。而加载线圈和感应线圈的尺寸一般和鸟弹的尺寸相匹配，其中加载线圈直径大小和感应线圈相同，感应线圈中心表面凹槽的直径与鸟弹直径D值相同，参照鸟撞试验系统标准，鸟弹的长度L和直径D(单位：mm)分别满足计算公式：
L＝174.4m1/3
D＝0.5×174.4m1/3
式中m为鸟弹重量(单位：kg)。
发射前装置按最大发射重量确定鸟弹直径D，进而确定加载线圈的尺寸，发射不同重量的鸟弹更换鸟托即可，当装置的加载线圈、感应线圈尺寸和电源系统元器件确定后，通过调节电容C的大小和充电电压的Uc的大小，即可获得不同的电磁力，进而使得鸟弹获得不同的加载速度，而调节充电电压Uc更为方便，效果更加明显，在本实例中，如图3所示，通过仿真计算，本发明在3000V电压下，可在1.5ms的时间使3.6kg的鸟弹加速至超过350m/s的速度，远远高于现有鸟撞试验平台的提供的发射速度。
具体的，所述线圈之间的电磁力不需直接测量，可利用所述炮筒上安置的两个速度探头检测检测感应线圈及鸟弹撞击组合式缓冲机构瞬间的速度及加速度，进而利用F＝ma估算出发射时的电磁力，鸟弹离开炮筒的速度可用激光或高速相机测量系统测得。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，包括电源系统、发射系统和试验系统；
所述电源系统包括输入电源、升压变压器、整流元件、限流电阻、电容、放电开关和电缆；
所述试验系统包括高速相机测量系统、两个速度探头和试验试件；
所述的发射系统包括加载线圈、感应线圈、鸟托、鸟弹、炮筒、组合式缓冲机构和支架；所述电源系统的电缆与所述发射系统的所述加载线圈通过连接接头相连接；
其中，所述感应线圈为电阻率小的金属圆盘结构，且设置于所述加载线圈的前侧，所述感应线圈远离所述加载线圈的一侧表面中心位置开设有用以贴合所述鸟弹的弧形凹槽，且所述感应线圈表面还连接有不导磁的所述鸟托，在试验发射前，所述感应线圈紧靠所述加载线圈的一面紧贴所述加载线圈，同时所述鸟弹紧贴所述感应线圈，所述加载线圈和所述感应线圈的尺寸与所述鸟弹的尺寸相匹配，其中所述加载线圈直径大小和所述感应线圈相同，所述感应线圈中心表面的所述弧形凹槽的直径与所述鸟弹直径D值相同；
所述组合式缓冲机构设置于炮筒内前端出口处，且组合式缓冲机构由减振橡胶、阻尼器和弹簧组成；
试验时，输入电源经升压变压器升压、整流元件整流后对电容充电，达到指定电压后放电开关闭合后通过电缆对加载线圈放电，利用加载线圈和感应线圈之间产生的电磁斥力将感应线圈及鸟弹一同发射，感应线圈发射后，带动与线圈连接的鸟托和其内承托的鸟弹一起飞行，到达炮筒出口处感应线圈首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶上，鸟托插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈和鸟托继续向右移动，仅将鸟弹发射撞击试验试件完成试验。
2.根据权利要求1所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，两个所述速度探头皆固定安装于所述炮筒外侧，且所述炮筒上方与所述速度探头的连接处开设有用于所述速度探头进行速度测量的开孔。
3.根据权利要求2所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，左侧所述速度探头位于发射前所述鸟托前端出口的正上方，右侧所述速度探头位于复位后所述减振橡胶的左端正上方。
4.根据权利要求1所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，所述加载线圈位于所述炮筒的左端，所述炮筒的底部等距间隔安装有所述支架。
5.根据权利要求1所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，所述感应线圈位于所述炮筒内左端，且所述感应线圈与所述炮筒内壁处于间隙配合。
6.根据权利要求1所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，其特征在于，所述炮筒的长度为1-3m。
7.基于电磁加载的鸟撞试验方法，其特征在于，包括根据权利要求1-6中任一项所述的基于电磁加载的鸟撞试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
步骤一：在试验前根据测试标准选择相应的鸟弹，固定好试验试件，调试好速度探头和高速相机测量系统，将感应线圈底座紧贴加载线圈，感应线圈表面中心开设的弧形凹槽贴紧鸟弹，鸟弹外表面由鸟托承托，完成准备工作；
步骤二：使用380V或220V的输入电源经升压变压器升压和整流元件整流后对电容充电，在2min内给电容充电到指定电压，电容充电的时间主要由电容所需的储能能量和限流电阻决定，而电容所需的储能能量又由待发射鸟弹的重量和所需发射的速度决定；
步骤三：达到指定电压后放电开关闭合后通过电缆对加载线圈放电，加载线圈内部产生瞬时电流，该电流在线圈周围产生变化的脉冲磁场并穿过感应线圈，感生出涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生电磁斥力将感应线圈及鸟弹一同发射，过程持续时间短，而鸟托为不导磁材料，不会对脉冲磁场产生干扰，炮筒出口处设置有减振橡胶、阻尼器和弹簧搭配的组合式缓冲机构，感应线圈发射后，带动与感应线圈连接的鸟托和承托的鸟弹一起飞行，于炮筒出口处感应线圈首先撞击在组合式缓冲机构左端的减振橡胶上，鸟托插入组合式缓冲机构中心的圆柱形空间，限制感应线圈和鸟托继续向右移动，仅将鸟弹发射撞击试验试件，而感应线圈和鸟托在组合式缓冲机构的阻碍下速度降至零；
步骤四：鸟弹离开炮筒后，高速相机测量系统开始捕获鸟弹的飞行轨迹和速度等信息，鸟弹撞击在试验试件后，完成一次撞击试验，此时将感应线圈复位。
8.根据权利要求7所述的基于电磁加载的鸟撞试验方法，其特征在于，所述步骤一中，发射前按最大发射重量确定鸟弹直径D，进而确定加载线圈的尺寸，发射不同重量的鸟弹更换鸟托即可，当装置的加载线圈、感应线圈尺寸和电源系统元器件确定后，通过调节电容C的大小和充电电压Uc的大小，即可获得不同的电磁力，进而使得鸟弹获得不同的加载速度。
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