电磁炮概述

电磁炮概述
现在，以火药作为发射能源的传统火炮，已经能够将质量为几千克的弹丸加速到1.8 km/s左右的炮口速度(即弹丸离开炮口时的速度).这已经接近化学能发射弹丸速度的极限(不包括采用火箭推进方式).然而随着军事科学技术的发展，利用化学能发射弹丸所能获得的速度，远远不能适应目前反装甲、防空、拦截高速导弹技术的需要.在这种情况下，利用电能发射弹丸的电磁炮便应运而生.
电磁炮以电磁力推进弹丸，能使弹丸获得很高的初速度.目前试验已获得的最高速度为：当弹丸质量为3.1×10-3 kg时，初速可达10.1 km/s.为适应地面战术武器的应用，人们追求的目标是将千克级的弹丸通过电磁力加速到2.5～4 km/s；而对于天基战略防御拦截导弹的武器(部署在航天器上的战略防御拦截导弹的武器)，则要求将质量为几克至几十克的弹丸加速到20 km/s以上.近十几年来，各主要发达国家研究试验的实践表明，达到这一目标是可能的.
现在，电磁炮原理上的问题已基本解决.但是由于在工程技术及制造工艺上还存在一些问题有待解决，所以它的发展仍处在实验阶段.各国的军队都还没有实际使用它.据资料介绍，美国陆军计划要在今年，将电磁炮安装在坦克上投入使用.由于保密的原因，详情还不清楚.
按照结构的不同，电磁炮可区分为电磁轨道炮、同轴线圈炮和磁力线重接炮三种.目前发展比较迅速、理论和实践上比较成熟、接近武器化的，主要是电磁轨道炮和同轴线圈炮.
2.1电磁轨道炮的工作原理
如图1所示，电磁轨道炮由两条联接着大电流源的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向可滑动的电枢组成.发射时，电流由一条导轨流经电枢，再由另一条导轨流回，而构成闭合回路.强大的电流流经两平行导轨时，在两导轨间产生强大的磁场，这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生强大的电磁力，该力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而获得高速度.
根据毕奥-萨伐尔定律和安培定律可推得，电枢受到的电磁场的作用力与电流强度的平方成正比，即
F=kI2
由此可见，要想获得弹丸的高速度，必须供给轨道强大的电流.通常该电流的数值在兆安级.而电流的脉冲宽度在毫秒数量级.
在强脉冲电流的作用下，轨道炮中弹丸的加速度可达重力加速度的几十万倍.因此，轨道炮只需要较短的导轨，就能使弹丸获得很高的速度.它的优点是结构简单，适用范围广.例如可用于天基战略反导，发射质量为1～10 g的弹丸，能使其速度达到20 km/s以上，以拦截战略导弹；也可用于地面战术武器，如反装甲和防空；还可用于各类超高速碰撞，包括碰撞核聚变、流星体碰撞等研究.其缺点一是效率低，一般约10%左右.二是大电流对导轨的烧蚀严重，影响其使用寿命.为此，近些年来又出现了一些改进型的电磁轨道炮.例如，有的轨道炮为了减小电流，在轨道炮的外面与轨道并行走向绕多匝线圈以增强磁场，称为加强型轨道炮；有的轨道炮采用分段储能、供电或多级串联使用以提高效率.
2.2同轴线圈炮的工作原理
如图2所示，同轴线圈炮由环绕于炮膛的一系列固定的加速线圈与环绕于弹丸的弹载运动线圈(弹丸线圈)构成.它利用加速线圈与弹丸线圈之间互感时产生的电磁力作为弹丸的加速力.当给加速线圈
突然加上电流时在弹线圈内会产生相应的感应电流，这时两个线圈相当于两个电磁铁，它们相互排斥，弹丸线圈受到的这个排斥力就是加速力.发射时依次给加速线圈供电，于是产生沿炮身管运动的磁场，这个磁场与弹丸线圈中感应电流激励的磁场相互作用，产生连续的加速力，从而使弹丸加速运动.需要说明的是，加速线圈与弹丸线圈之间的相互作用，相当于两个磁体间的相互作用，既可以相斥也可
以相吸，可使弹丸加速也可使弹丸减速.因此，必须保证使加速线圈产生的磁场与弹丸线圈的运动位置精确同步.同轴线圈炮与电磁轨道炮相比有三个优点.一是加速力大，它的加速力峰值是电磁轨道炮的100倍.第二个优点是，由于同轴线圈炮中弹丸不与炮膛直接接触，是靠磁悬浮力运动的，因而炮管与弹丸之间无摩擦.而且加速力施加于整个弹丸之上，从而使能量利用率较高，一般可达50%.第三个优点是需要的电流较小，不存在兆安级的脉冲电流，可使开关装置简化.
一般来说，同轴线圈炮适用于与轨道炮相比发射初速度较低，口径与质量较大的弹丸，如加榴炮弹丸.也可用来发射鱼雷、导弹或弹射飞行器等.
2.3重接炮的工作原理
重接炮是电磁炮的一种新形式.目前只有美国对单级重接炮进行了一些理论研究.单级重接炮由上下两个长方形同轴线圈组成，其间有一间隙.发射体为一长方体，可穿过两线圈的间隙作加速运动.重接炮综合了线圈炮能发射大质量弹丸、以及轨道炮能发射超高速弹丸的优点，还可赋予弹丸更高的加速力峰值，且使平均加速力与峰值加速力之间相差不大，从而使弹丸获得均匀的加速度.重接炮被认为是未来天基超高速电磁炮的结构形式.由于其理论和实践上还不够成熟，所以本文不再对它的工作原理进行更为详尽的叙述.
3电磁炮的关键技术分析
电磁炮的关键技术主要有：电源技术、电磁发射器设计技术、材料技术、以及系统总体设计技术等.
3.1电源技术
由于电磁炮发射时需要非常大的脉冲电功率(要求电源功率在吉瓦数量级，脉冲持续时间在毫秒数量级)，普通电源满足不了这一要求.因此，通常的作法是先将初级电源的功率传递给储能系统，将能量储存起来，后者在适当的时机以适当的方式将能量转换到脉冲形成网络中，以适应负载的要求.目前电磁炮原理试验样机使用的电源主要有：电容器组、电感储能系统、磁通压缩发生器、蓄电池组、脉冲磁流体发电装置、单极脉冲发电机和补偿型脉冲交流发电机等七种形式.每种电源都有其自身的特点和使用价值.从目前研究和试验情况来看，研究的重点是：高能量高储能密度的电容器组、单级发电机、补偿型交流发电机.这几种电源发展比较迅速，应用也日趋成熟.电源技术的难点在于缩小其体积.
3.2电磁发射器设计技术
电磁发射器是电磁炮的核心部件.首先必须根据武器系统的使用要求，研究确定采用哪种发射原理和方式，能够满足性能的要求；其次要根据已确定的弹丸动能，推算所需电源的脉冲功率，来确定最佳的供电方式和采用的电源形式；再次，要研究用于试验的发射器结构形式，包括炮身、供弹系统以及能量储存转换方式；最后，要组成在实验室或试验场条件下，能够实现发射循环的原理样机或试验装置，进行发射试验，测试有关数据.并根据试验数据修改和完善原理样机，为全武器系统的设计提供必要的参数和依据.
3.3材料技术
由于电磁炮发射时是在强脉冲电流的条件下加速弹丸的，其工作条件极为恶劣.因此，对其所用材料的要求就很高.目前对材料的研究主要是对轨道材料、绝缘材料、弹丸材料等的研究.
轨道炮的导轨是在兆安级的电流下工作的，材料要经受瞬时极大的热流冲击，容易造成导轨的严重烧蚀，特别是弹丸底部的初始位置，烧蚀更为严重.因此，导轨材料首先要有好的抗烧蚀性能，同时还应具有良好的导电性能和高的倔服强度，滑动摩擦系数要小，并且在高温下能保持较强的硬度.目前多使用性能良好的无氧铜，或钢与钨、锆、钍、镍、铬等的合金.
与导轨、电枢接触的绝缘材料应具有较强的抗电弧烧蚀性能.用于线圈炮的绝缘材料必须耐高温和高压，而且要有较高的机械强度.试验已经发现了一些性能比较好的材料，如二氧化硅、三氧化二
铝等.
目前电磁炮的弹丸材料多为塑料或轻金属.其外弹道特性还未及考虑.弹丸材料必须能够承受膛内
加速时所产生的比传统火炮高得多的加速度(约为重力加速度的几十万倍).再加上与装甲目标的高速
碰撞，其硬度是至关重要的.而且一旦弹丸速度达到3 km/s以上，它在空气中高速飞行时产生的摩擦热，也足以将普通材料的弹丸熔化掉.所以，弹丸材料不仅硬度要高，还要耐烧蚀.
3.4系统总体技术
十几年来，电磁炮的研究，主要围绕如何提高弹丸速度这一核心问题，开展了许多相关单项技术的研究，并取得了长足的发展.单项技术发展到一定程度时，系统总体技术就成为武器系统研制的一
项十分重要的关键技术.而且必须先行一步，必须从系统的总体部置和各组成部分的功能，以及选择
的技术途径和实施方案等全局出发，为各分系统和零部件的研究发展提出量化指标及相应的约束条件，以求得系统总体综合性能的优化.
以上所述关键技术是基于对目前发展现状的分析而得到的.随着科学技术的发展和电磁炮的日趋
成熟，关键技术的研究领域也可能发生转移.
电磁炮
电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器．与传统的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的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程．因而引起了世界各国军事家们的关注．自80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分．
一、电磁炮的结构和原理
电磁炮听起来很神秘，其实它的结构和原理很简单．电磁炮是利用电磁力代替火药曝炸力来加速弹丸的电磁发射系统，它主要由电源、高速开关、加速装置和炮弹四部分组成．目前，国外所研制的电磁炮，根据结构和原理的不同，可分为以下几种类型：
（一）线圈炮：线圈炮又称交流同轴线圈炮．它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的．加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流．感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生洛仑兹力，使弹丸加速运动并发射出去．
（二）轨道炮：轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接人电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理．
（三）电热炮：电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式．最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端．当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速．
（四）重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重
接炮之前应有一定的初速度．其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙．长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进．重接炮是电磁炮的最新发展形式．
二、电磁炮的特点及用途
电磁泡与常规火炮相比，有以下特点：
电磁炮利用电磁力所作的功作为发射能量，不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾，因而具有良好的隐蔽性．电磁炮可根据目标的性质和距离，调节、选择适当的能量来调整弹丸的射程．
电磁炮没有圆形炮管，弹丸体积小，重量轻，使其在飞行时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好，初速度高，射程远．由于电磁炮的发射过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度．
从发射能量的成本来看，常规火炮的发射药产生每兆焦耳能量需10美元，而电磁炮只需0.1美元．而且电磁炮还可以省去火炮的药筒和发射装置，故而重量轻、体积小、结构简单、运输以及后勤保障等方面更为安全可靠和方便．
电磁炮作为发展中的高技术兵器，其军事用途十分广泛．
（一）用于天基反导系统：电磁炮由于初速度极高，可用于摧毁空间的低轨道卫星和导弹，还可以拦截由舰只和装甲发射的导弹．因此，在美国的“星球大战”计划中，电磁轨道炮成为一项主要研究的任务．
（二）用于防空系统：美军认为可用电磁炮代替高射武器和防空导弹遂行防空任务．美国正在研制长7.5米、发射速度为500发／分、射程达几十千米的电磁炮，准备替代舰上的“火神——方阵防空系统”．用它不仅能打击临空的各种飞机，还能在远距离拦截空对舰导弹．英国也正在积极研制用于装甲车的防空电磁炮．
（三）用于反装甲武器：美国的打靶试验证明，电磁炮是对付坦克装甲的有效手段．发射质量为50克、速度为3km/s的炮弹，可穿透25.4mm厚的装甲．有关资料还报道，用一种电磁炮做试验，完全可以穿透模拟的T－72、T－80坦克的装甲厚度．由此可见，电磁炮具有很强的穿透能力，是非常优良的反装甲武器．
（四）用于改装常规火炮：随着电磁发射技术的发展，在普通火炮的炮口加装电磁加速系统，可大大提高火炮的射程．美国利用这一技术，已将火炮射程加大到150km．
上图译文
magnetic field=磁场
driving current=驱动电流
positive conducting rail=引导正轨道armature=电枢（就是机器部件外壳）projectile=发射弹头
armature current=电枢电流
armature magnetic field=电枢磁场negative conducting rail=引导负轨道
轨道炮工作原理。