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《红色警戒》中的“磁暴线圈” 原理分析与实现

大科学 ransiwen 2年前 (2016-11-02) 497次浏览 已收录 0个评论

抛开游戏性本身的表现,以冷战为背景和题材的剧情以及天马行空的构思和设定也是极其重要的一个方面。最新的第三代更是把日本一并扯了进来表演“高达 VS 天启”的大混战。而我们今天要谈的正是出自系列第二代,在第三代又被发扬光大的苏联方面主要科技:特斯拉兵器。

《红色警戒》中的“磁暴线圈” 原理分析与实现

在《红色警戒 2》的原始设定中,盟军与苏联的武器具有鲜明的地域性和文化性差异。盟军的科技得益于爱因斯坦的光学理论研究,利用类似于激光的大功率光束借助棱镜反射来打击敌人,代表武器包括光棱坦克和光棱塔,给人以现代、文明、高效的感觉,但整体上却有单薄、脆弱之感;而苏联的科技在游戏剧情中来自于命运被修改了的特斯拉。由于爱因斯坦的穿越,特斯拉缩短了在美国的逗留,受斯大林的邀请,特斯拉参与了苏联方面武器科技的研究,开发出了匹敌盟军的电磁科技。苏联的单位一向大而笨重,质感十足,有一种北方民族的豪放之气。作为电磁科技的代表,磁暴线圈霸气十足,“呲啦”一下,世界就清净了。与《红色警戒》中架空的历史一般,大量的超现实兵器接连挑战玩家的眼球。当你的视线被天气控制器和超时空军团吸引到无限跃迁的异空间时,可曾想过,其实历史上真的存在着特斯拉的传说,还有他那神奇的线圈。

尼古拉▪特斯拉,出生于克罗地亚,交流电动机的发明者,杰出的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师,在历史的记载中如同神一般的存在(以下为无责任 YY 不保证来源可靠):

  • 据说他的发明包括交流电、无线电、雷达、出租车计程表、遥控机器人、电影《科学怪人》里的电流装置……
  • 据说他把地球作为内导体,地球电离层作为外导体,利用环绕地球一周的低频电磁波,类似无线电台广播信号一般地广播能量……
  • 据说他曾与美国政府合作进行过一个被称作“费城实验”的项目,用七个强大的特斯拉线圈(下文详细介绍)为一艘驱逐舰提供能量,结果后者突然消失,重新出现时船上的船员无一人生还,有些人甚至与船体融在了一起……
  • 据说历史上赫赫有名但至今悬而未解的“通古斯大爆炸”源自于他的神秘研究,当时他已制作出电压高达一亿伏,电流一千安的谐振变压器……
  • 据说…………

……

特斯拉被誉为“人类历史上公认的两个旷世奇才之一”(另一个是达芬奇)。他的一切随着他的逝世逐渐被掩埋在历史的深处,我们今天要八卦的内容自然源自特斯拉生前最引以为豪的发明——特斯拉线圈。

特斯拉线圈(Tesla Coil),即俗称的磁暴线圈,是一种利用谐振变压器产生高压的电弧发生器。所谓电弧,其实是空气或其他介质在强电场作用下发生各种效应形成的放电通道。通常情况下,空气中极少含有带电质点,标准条件下平均每立方厘米中仅有 1000 对正负离子。当外加一个电场时,带电的粒子在电场中做定向运动,难免与其他的粒子发生碰撞。如果由于碰撞转化的动能足以使被撞的粒子发生电离,就可以得到一对新的带电粒子。这样的电离过程在外电场大到一定程度时发生连锁反应,电子数目如雪崩般增加,即形成电子崩。被充分电离的空气是良好的导体,这样便形成了相当可观的放电电流。由于存在一个带电质点不断产生和消失的过程,伴随着原子不断地处于激励状态然后跃迁释放光子,宏观上来看就是明亮的弧形光路和“呲呲”的火花了。

从上面的放电机理来看,想要形成一定长度的电弧必须有足够强大的外加电场才行。特斯拉使用的是被称为谐振变压器的升压装置,说它是是变压器也许有些牵强,称之为串联高压谐振器似乎更贴切一些。人们通常使用的交流电作用在电阻、电容和电感上时是不同的。相同频率和相位的电压,加在电容上时会使电流滞后,而加在电感上时反而会使相位超前。如果我们把电容和电感串联,调节它们的大小使得流过电流的相位不发生变化,这时惊人的事情出现了:电容和电感以相同的频率交换能量,而对于它们之外的元件则表现得就如同不存在一样,好像一根导线,我们称这种现象为“谐振”。此时,电流达到理论上的最大值,作用在了变压器的初级线圈上,特斯拉线圈就是用这样的原理来产生高压的。

如图,一个完整的特斯拉线圈主要由以下几部分组成:

特斯拉线圈电路原理简图(图片来自维基百科) [1]

《红色警戒》中的“磁暴线圈” 原理分析与实现

 

首先,外部电源向主电容充电,当电压达到间隙的击穿电压时,间隙击穿,电容和互感器的原边线圈形成 LC 振荡,由于初级线圈很粗很短,而次级线圈很细很长,因此就感应出一个高达几十万伏的高频电压。

后面的事情就简单得多了:高压的次级线圈在空气中寻找放电通道,释放前几个阶段积攒起来的电荷,如果来不及放电或无法构成通道,它会把能量再还给初级线圈。因此,除去不可避免的线路损耗,可以说特斯拉线圈是清洁无污染的。传说特斯拉本人非常精于调节电容电感的大小使他们谐振,顺便说一句,这个看起来极其简单的操作,实际执行起来可远没有想象中的容易。

经过如上的分析,我们可以明显注意到有一个问题,那就是作为一件武器,特斯拉线圈有一个致命的缺陷——高压放电时电流通常会走阻抗最小的通道,不管流经的是敌人的炮台还是自家人的脑袋……因此,Westwood 虚构了一种可以强迫电流改向的技术,为我们伟大的社会主义阵营保住了一条足以匹敌资本家院子里亮晃晃光束的紫色电弧。

另外,游戏中另有磁暴步兵和磁暴坦克这样相同装备的单位,同样的技术使用在三个不同的地方,足见其地位与价值(我看是 Westwood 想偷懒吧~)。


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