微重力环境下五星红旗飘扬的探究

曾雨葳

摘 要：这是一种旗杆电磁驱动器，主要由永磁铁、U型电磁铁、方向检测器、电磁控制电路组成。旗杆电磁驱动器是通过方向检测器自动识别旗杆水平往复运动的方向，并通过电磁控制电路使U型电磁铁产生磁场，驱动装在旗杆上的永磁铁，使旗杆作周而复始运动，从而带动旗面摇动。旗面摇动时同时拉动旗面上下两端的细金属丝，从而达到地面旗子飘扬的效果。

关键词：微重力；电磁驅动

当中国航天员翟志刚从神舟七号飞船轨道舱缓慢而坚定地迈向太空的一刹那，无数中国人心生自豪，中国航天史上的一个里程碑就此诞生。几年前，我通过电视重温航天英雄太空漫步的画面时发现一个细节，翟志刚出仓时举着的五星红旗却不能像在地面上一样迎风飘扬，于是，我开展了微重力环境下五星红旗飘扬的探究。

一、设备及材料

为了探究红旗在微重力环境下飘扬，首先必须解决力的来源问题，我尝试制作特殊的手柄采用手动拉扯使红旗飘扬，但既不方便，也不逼真，且受微重力环境影响，理论上效果很难达到。后来我想到了采用电磁驱动，我给一组套在U型电磁铁上的绕向相反的线圈供电，再由方向检测器检测套在旗杆上的永久磁铁的方向和位置，再让线圈导通，从而产生N.S的磁场，推动永久磁铁往复运动，带动旗杆上的红旗飘动。经查找资料和请教专家，这种设计理论上可行，于是我准备了以下材料开展探究。

（一）旗面

旗面由22 CM宽的加厚绸面制作成五星红旗（按国旗比例），并在旗面上下边沿各打一排极细的孔，通过孔隙将极细小的钢丝穿在绸面里边，当电磁驱动的力量传导到钢丝时就能通过钢丝拉扯旗面，从而达到飘扬的效果。

（二）旗杆

旗杆由27 CM的木棍和上下两个轴承组成，旗杆上套有回位弹簧和一块永久磁铁。

（三）旗柄外套

旗柄外套由30CM长的开口空筒组成

（四）U型电磁铁

把两个成型的圆柱硅钢体用硅钢片连接好，组成一个U型，然后将线圈绕好，一个正一个反套在两个硅钢圆柱上，将U型电磁铁装在旗杆贴永久磁铁的地方，U型电磁铁立平面与旗杆垂直安装。

（五）驱动电路

A.供电：用8节1.5V干电池或由太空舱带线自供；B.方向检测器：由微型磁簧开关及电路组成（见上方方向检测器示意图）；C.驱动电路：由电路及套在U型电磁铁上的一对线圈组成（见下方电路方框示意图）；D.线路主板及配件；CPU、电阻、电容、二极管、三极管、可控硅、线圈、磁簧开关（见设备构造示意图）。E.电路方框示意图（见右图）

二、工作原理及过程

（一）工作原理

工作原理就是给一组套在U型电磁铁上的绕向相反的线圈供电，再由方向检测器检测套在旗杆上的永久磁铁的方向和位置，再让线圈导通，从而产生N.S的磁场，推动永久磁铁往复运动，带动旗杆上的红旗飘动（见设备构造示意图）。

（二）工作过程

1.旗杆循环摆动

按下开关，电路供电正常，电路处于待机状态，这时两个可控硅D1、D2上端已供电，旗杆上的永久磁铁M（S面朝A、B平面）在安装时稍偏向B，这时方向检测器检测到M已接近，于是立即触发D1、D2，电流经A流向B，A产生N极，B产生S极，B立即把M推向A（同极相排斥），而A产生的N极又吸引M过去，那么旗杆上的旗帜作一个90°的摆转，当M远离J时，方向检测器关闭，D1、D2关闭时A、B失电无磁场。在旗杆上回位弹簧的扭转下，M又回到原位置，再次被J检测到，从而开始循环往复的运动，这样，旗杆和红旗便周而复始摇摆。

2.旗面波纹效果

为了让红旗摆动出地面上的效果，在红旗的上下两个边沿各打出一排小孔，穿上极细小的钢丝（见附件旗面示意图），当旗杆左右摆动时，旗面会被钢丝拉回一点点，向一边摆动时拉上角，向另一边摆动时拉下角，这样红旗摆动时就有地面飘扬的效果了。

三、探究收获

在微重力环境下使五星红旗飘扬起来，对于我国的航空航天事业来说是一件微不足道的事情，我国的航空航天专家一定有更好的设计，只是他们没有将细节注意到此处。我利用学习之余开展的此项探究，其结果有待专家的论证与指导，最重要的是我享受了科学探究的乐趣，科学的海洋看似宽广深邃，其实很多科学就在身边，人们缺少的是勇气与发现。五星红旗能不能在微重力环境下飘扬，很多人有过这样的疑惑，但我却开展了探究，由于实验条件的限制，还有一些需要改进的地方，我将继续探究，继续完善。

参考文献：

[1]厚美瑛.微重力环境的颗粒物质研究[J].科学，2016，68（06）：8-11+3.

[2]朱云霞，童志，袁兴，闻平.电磁驱动振筛不同平衡框架结构系统的分析与研究[J].科技创新导报，2017，14（26）：112-114.