微重力環境下五星紅旗飄揚的探究

曾雨葳

摘 要：這是一種旗桿電磁驅動器，主要由永磁鐵、U型電磁鐵、方向檢測器、電磁控制電路組成。旗桿電磁驅動器是通過方向檢測器自動識別旗桿水平往復運動的方向，并通過電磁控制電路使U型電磁鐵產生磁場，驅動裝在旗桿上的永磁鐵，使旗桿作周而復始運動，從而帶動旗面搖動。旗面搖動時同時拉動旗面上下兩端的細金屬絲，從而達到地面旗子飄揚的效果。

關鍵詞：微重力；電磁驅動

當中國航天員翟志剛從神舟七號飛船軌道艙緩慢而堅定地邁向太空的一剎那，無數中國人心生自豪，中國航天史上的一個里程碑就此誕生。幾年前，我通過電視重溫航天英雄太空漫步的畫面時發現一個細節，翟志剛出倉時舉著的五星紅旗卻不能像在地面上一樣迎風飄揚，于是，我開展了微重力環境下五星紅旗飄揚的探究。

一、設備及材料

為了探究紅旗在微重力環境下飄揚，首先必須解決力的來源問題，我嘗試制作特殊的手柄采用手動拉扯使紅旗飄揚，但既不方便，也不逼真，且受微重力環境影響，理論上效果很難達到。后來我想到了采用電磁驅動，我給一組套在U型電磁鐵上的繞向相反的線圈供電，再由方向檢測器檢測套在旗桿上的永久磁鐵的方向和位置，再讓線圈導通，從而產生N.S的磁場，推動永久磁鐵往復運動，帶動旗桿上的紅旗飄動。經查找資料和請教專家，這種設計理論上可行，于是我準備了以下材料開展探究。

（一）旗面

旗面由22 CM寬的加厚綢面制作成五星紅旗（按國旗比例），并在旗面上下邊沿各打一排極細的孔，通過孔隙將極細小的鋼絲穿在綢面里邊，當電磁驅動的力量傳導到鋼絲時就能通過鋼絲拉扯旗面，從而達到飄揚的效果。

（二）旗桿

旗桿由27 CM的木棍和上下兩個軸承組成，旗桿上套有回位彈簧和一塊永久磁鐵。

（三）旗柄外套

旗柄外套由30CM長的開口空筒組成

（四）U型電磁鐵

把兩個成型的圓柱硅鋼體用硅鋼片連接好，組成一個U型，然后將線圈繞好，一個正一個反套在兩個硅鋼圓柱上，將U型電磁鐵裝在旗桿貼永久磁鐵的地方，U型電磁鐵立平面與旗桿垂直安裝。

（五）驅動電路

A.供電：用8節1.5V干電池或由太空艙帶線自供；B.方向檢測器：由微型磁簧開關及電路組成（見上方方向檢測器示意圖）；C.驅動電路：由電路及套在U型電磁鐵上的一對線圈組成（見下方電路方框示意圖）；D.線路主板及配件；CPU、電阻、電容、二極管、三極管、可控硅、線圈、磁簧開關（見設備構造示意圖）。E.電路方框示意圖（見右圖）

二、工作原理及過程

（一）工作原理

工作原理就是給一組套在U型電磁鐵上的繞向相反的線圈供電，再由方向檢測器檢測套在旗桿上的永久磁鐵的方向和位置，再讓線圈導通，從而產生N.S的磁場，推動永久磁鐵往復運動，帶動旗桿上的紅旗飄動（見設備構造示意圖）。

（二）工作過程

1.旗桿循環擺動

按下開關，電路供電正常，電路處于待機狀態，這時兩個可控硅D1、D2上端已供電，旗桿上的永久磁鐵M（S面朝A、B平面）在安裝時稍偏向B，這時方向檢測器檢測到M已接近，于是立即觸發D1、D2，電流經A流向B，A產生N極，B產生S極，B立即把M推向A（同極相排斥），而A產生的N極又吸引M過去，那么旗桿上的旗幟作一個90°的擺轉，當M遠離J時，方向檢測器關閉，D1、D2關閉時A、B失電無磁場。在旗桿上回位彈簧的扭轉下，M又回到原位置，再次被J檢測到，從而開始循環往復的運動，這樣，旗桿和紅旗便周而復始搖擺。

2.旗面波紋效果

為了讓紅旗擺動出地面上的效果，在紅旗的上下兩個邊沿各打出一排小孔，穿上極細小的鋼絲（見附件旗面示意圖），當旗桿左右擺動時，旗面會被鋼絲拉回一點點，向一邊擺動時拉上角，向另一邊擺動時拉下角，這樣紅旗擺動時就有地面飄揚的效果了。

三、探究收獲

在微重力環境下使五星紅旗飄揚起來，對于我國的航空航天事業來說是一件微不足道的事情，我國的航空航天專家一定有更好的設計，只是他們沒有將細節注意到此處。我利用學習之余開展的此項探究，其結果有待專家的論證與指導，最重要的是我享受了科學探究的樂趣，科學的海洋看似寬廣深邃，其實很多科學就在身邊，人們缺少的是勇氣與發現。五星紅旗能不能在微重力環境下飄揚，很多人有過這樣的疑惑，但我卻開展了探究，由于實驗條件的限制，還有一些需要改進的地方，我將繼續探究，繼續完善。

參考文獻：

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