电磁炮的结构和原理

电磁炮的结构和原理

电磁炮的结构和原理

电磁炮（现代军用武器）

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的安培力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程

一、组成结构

电磁炮利用电磁力（洛仑兹力）沿导轨发射炮弹的武器。它主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的装置。当前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是最有前途的能源。加速器是把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹达到高速的装置。主要有：使用低压直流单极发电机供电的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置，能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中，其中的一种是由两根铜轨和一个可在其中滑动的滑块组成。

二、基本原理

线圈炮是电磁炮家族的重要一支，早期被称为“同轴发射器”、“质量驱动器”等。与电磁导轨跑相比较，在一个时期内它没有受到

应有的重视，主要是因为它的技术较为复杂，近几年来，伴随着脉冲功率技术的发展，入门认识到导轨炮的的电感梯度与炮的规模无关，而在大比例尺寸的线圈炮中，电感梯度有重大改进，近年来科研部门对线圈炮的兴趣又开始浓厚起来，现在线圈炮已于轨道炮并行不悖地发展着。

一种线圈炮的构型

二、线圈炮的线圈排列、互感

就一般情况而言，最简单的线圈炮是由两种线圈构成，一种是固定的起驱动作用的炮管线圈，另一种是被驱动的电枢，称为弹丸线圈，其内装有弹丸或其他发射体。

图A 驱动线圈与弹丸线圈的相对位置排列有两种形式，一种是轴线平行地排列，如图a，弹丸在驱动线圈上面平行运动，第二种是同轴排列形式，如图b，弹丸线圈在驱动线圈内运动。

图B 两种线圈结构可以是环形或矩形，当驱动线圈与弹丸线圈都带有电流时，由经典电磁理论克制，两线圈电流的磁场与两电流相互作用，两线圈彼此施受电磁力，由于驱动线圈固定，澤弹丸在电磁力的作用

下开始运动，当两线圈处于适当位置时，磁场与电流作用，形成安培力驱动弹丸。

虽然图a的排列有助于弹丸线圈携带和释放大质量的载荷，但与图b的结构相比较，存在两大缺点，其一是效率低，其二是图b的同轴排列结构轴对称，使其具有良好的抗电磁力的机械强度，而不具备平面平行结构，所以日前的线圈炮几乎全部采用同轴结构。

三、设计原则

【1】基本关系

电磁炮的实质是一个直线电动机，因此可将其分为同极的和异极的，在同极电磁炮中，磁场极性不变，前文所介绍的导轨炮就属于这种，结构由电源开关导轨和电枢组成。异极电磁炮中，磁场极性是交变的，本文所述的线圈炮就属于此类，其炮管与弹丸均由相互耦合的线圈组成。

线圈炮的机理溯源

【2】理想线圈炮模型

在单级线圈炮中，作用在弹丸上的力，其有效范围小于一个线圈的直径，因此为了获得更高的速度，需要多线圈结构的线圈炮，即炮管由一系列驱动线圈组成，同时驱动线圈应为多相形式。至此，线圈炮的设计可使用常规电机的理想模型，即炮管和管状弹丸内的实际电流分布减薄成导体厚度趋于零的面电流层。

【3】效率的影响因素

线圈炮使用比轨道炮低的电流工作，具有相对高的效率，虽然它的高效率源于绕组线圈累计的总欧姆损失的减小，但仍有诸多影响因素

其中最明显的就是驱动线圈与弹丸的磁耦合紧密程度对总效率的影响，为解决这一问题，应尽量使线圈的径向宽度最小，或者使驱动线圈激励区域局部化

多相驱动线圈与管状弹丸

四、发展方向与总结

线圈炮的研究主要集中于高效率工作上，从最初命名的“质量驱动器”开始到后来的脉冲感应线圈炮，乃至当今应用了超导技术的线圈炮，都可以归为某种局部换向形式，但局部换向会在重量、尺寸、成本以及能量损失方面付出一定的代价

线圈炮换向过程的能量转移原理