新概念武器电磁炮

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新概念武器-电磁炮

1.引言

近年来,由于高新技术的普遍应用,许多鲜为人知的新概念火炮随之诞生。其中,电磁炮因其性能奇特、威力巨大而成为新概念武器家族中的一个重要成员。

2010年12月10日美国海军在弗吉尼亚州达尔格林水面作战中心,成功试射电磁10倍,

起,,世界,64MJ 力、财力从事现代电磁炮研究,电磁炮逐步由理论研究、实验室试验到向武器级别的电磁炮展开研究、试验,并陆续取得积极成果。

2.电磁炮原理与分类

电磁炮是一种利用电磁力推动弹丸运动的新概念火炮,由于它能将弹丸加速到极高的速度,因此被称为动能杀伤武器。法拉第电磁感应定律是电磁炮的理论基础,根据结构的不同,电磁炮可分为轨道炮、线圈炮和重接炮。

2.1轨道炮工作原理

轨道炮是电磁炮中结构和原理最为简单的一类。按照馈电方式、轨道性能及电枢类型,轨道炮有简单轨道炮、分散馈电轨道炮、分段轨道炮、增强型轨道炮、炮口分流型轨道炮、多轨型轨道炮、超导悬浮电枢型轨道炮和多相型轨道炮等不同形式。简单轨道炮主要有两条平行的金属轨道、电枢、弹丸和大功率脉冲电源组成。轨道一般是耐磨损、抗烧蚀的良导体;电枢是高导电率的金属、等离子体或金属与等离子体的混合体,电枢与轨道之间具有良好的电接触,使电源、轨道和电枢之间构成电气回路;大功率脉冲电源一般具有兆瓦级的脉冲功率。当大功率脉冲电源向轨道、电枢回路供电时,根据平行导线的磁场分布可知两轨道间的磁场方向,作用在电枢上的力F的大小和方向可由安培定理F=i B确定。如果假定电枢和弹丸的总质量和加速度分别为为m、a,轨道的自感梯度为Lr’,则作用在电枢和弹丸上的力的大小F=ma=Lr’

(1)

简单轨道炮存在两大技术问题,一是为了获得恒定的加速度,需要大量的储能和复杂的电源系统提供恒定的激励电流,在恒流激励下轨道中储存的剩余磁能无法得到利用,不仅降低了转换效率,而且会引起炮口电弧;二是通过加长轨道提高速度将使回路电阻增加,导致欧姆损失增加,效率下降。采用多储能器分散馈电的轨道炮能提供恒定的激励电流,使小尺寸轨道炮的转换效率提高20%;将较长的简单轨道炮分成若干独立部分的分段轨道炮可解决简单轨道炮存在的难题。由轨道炮的基本运动方程(1)可知,作用在弹丸上的力与轨道的电感梯度成正比,从提高轨道的电感梯度的角度出发,人们设计了各种增强型轨道炮。

2.2线圈炮工作原理

线圈炮也被称为同轴加速器或形波加速器,主要由沿导向板条轴向排列的若干驱动线圈、弹载线圈、弹丸和脉冲驱动电源组组成。弹载线圈绕在弹丸上,每个驱动线

圈分别由各自的驱动电源依次供电。

当电源给驱动线圈施加脉冲电流时,驱动线圈中电流的突变,在弹载线圈中产生感应电流和磁场,两个线圈的磁场相互作用产生安培力,使线圈彼此有电磁力的相互作用。由于驱动线圈是固定的,因此弹载线圈便携带弹丸运动,运动方向则由两个线圈中的电流方向和两者之间的相对位置决定。设驱动线圈脉冲电流为,弹载线圈电流为,两者之间的互感为M,则两个线圈之间沿线圈轴线方向x的作用力F=(2)

当弹载线圈和弹丸位于驱动线圈左侧时,两者相吸,弹丸受到向右的吸引力而向右运动,在弹丸通过驱动线圈中心横截面以前,两个线圈之间的磁耦合增强,互感增加,弹丸所受到的向右的力随之增加,弹丸将作变加速运动,速度迅速增加;当弹丸通过驱动线圈中心横截面以后,由于两个线圈之间的磁耦合降低,互感的减少,弹丸受力的方向改变,弹丸受到向左的吸力作用而减速。由此可见,为了使弹丸始终受到加速力的作用,应当在弹丸通过驱动线圈中心横截面的瞬间切断驱动线圈的电源,弹丸以惯性继续运动,在到达第二个驱动线圈左端面时,第二个驱动电源以同样的方式进行馈电,弹丸将被第二次加速,依次类推,弹丸在整个内弹道循环期间依次受到各驱动线圈的加速力的作用,直至飞出炮口,获得极高的初速。

由以上分析可知,为了保证弹丸一直处于加速状态,必须严格控制驱动电源组的工作时机,使驱动线圈产生的磁场与弹载线圈的运动位置精确同步,这可由线圈炮的结构设计来保证的。

线圈炮通常在驱动线圈内侧安装由良导体制作的导向条,使弹载线圈运动时在导向条中产生的涡流对弹丸产生斥力,使之悬浮而不与驱动线圈接触。由以上分析可知,线圈炮的发射原理类似于直线电动机。但与旋转电机不同的是,线圈炮中不需要所有定子绕组(驱动线圈)和转子绕组(弹载线圈)同时连续激励,只要求弹载线圈和与弹载线圈所对应的驱动线圈能有效地进行磁耦合即可,其他驱动线圈不必激励,即线圈炮

采用的是局部激励。通常把驱动线圈的局部激励与弹载线圈间的磁耦合过程定义为换向。换向是线圈炮的必备技术,各种线圈炮因工作方式不同,分别采用不同的换向方式。常用的换向方式有运动感应换向、开关换向和外电压换向三类。

3电磁炮的特点及应用

3.1电磁炮的特点

与常规火炮相比,电磁炮具有如下十大优点:

(1)

级,,

(2)),

(3)

(4),

(5)

(6),

空气阻力小的弹丸,以增大弹丸的存速,提高弹丸动能。

(7)弹丸飞行稳定。由于弹丸受力不随弹丸行程变化,弹丸以匀加速运动,发射期间,弹丸具有良好的稳定性,减小了弹丸过载的可能,便于装配精确制导装置。

(8)装填方便、快捷。由于电磁炮能够做成开放式后膛,无炮闩,因此能够简化装填机构,易于实现自动装填和连续发射,提高了武器系统的快速反应能力。

(9)效率高。常规火炮的效率一般小于30%,分段轨道炮的效率为35%,线圈炮的效

率可达50%,单级重接炮的效率为30%~50%,且电磁炮的转换效率与弹丸的初速无关。

(10)弹丸质量可大可小。电磁炮既可发射小至毫克级的小弹丸,也能发射大至几百吨的大弹丸。

3.2电磁炮的应用

鉴于电磁炮的诸多特点,电磁炮在军事上、航天和高压物理研究方面均有美好的应用前景。军事上电磁炮主要用作战术武器。陆军,自行火炮的弹丸初速一般控制在

4km/s,

射技术

4.

量密度和功率密度所决定。要减小体积、降低重量,必须实现能源小型化。第二,提高能量转换效率。目前电磁炮能量转换效率仅有10%~20%,这就需要在电力调节及控制技术方面加大技术攻关,力争大大提高其能量转换效率。第三,提高稳定性。2010年12月10日美国海军在弗吉尼亚州达尔格林水面作战中心,成功试射电磁炮的射程是200km,未来实际上比较理想的状态是要超过300km,就必须要借助卫星的指令,包括其他的无线指令来对它进行校正,因此提高其稳定性就显得尤为重要。