電磁炮原理科普

1、并不神秘的電磁炮筆者混跡科吧數(shù)月，閱貼不少，多有受教于眾吧友。常希望用自己所學(xué)回饋吧眾。幸虧寸有所長，總算寫成此科普拙文。筆者將使用不超過中學(xué)物理課本的知識對大家喜聞樂見的電磁炮的基本原理和技術(shù)做一介紹。因能力所限，時間所限（筆者馬上要出差了），只能浮光掠影、走馬觀花，不足和不正確之處，請各位指正。電磁炮是科幻迷們喜聞樂見的未來武器。也被各國軍方所重視。它具有很多優(yōu)秀特性。1.速度 常規(guī)火藥發(fā)射的炮彈受火藥氣體燃燒速度的限制，初速度很難超過2km每秒（根據(jù)具體的使用需要從某些迫擊炮的不到200米每秒到坦克炮發(fā)射大口徑穿甲彈時的接近2km每秒），即使加大裝藥量也無濟(jì)于事。炮口動能則一般不超過10

2、MJ。而電磁炮沒有這個限制，它由電流與磁場的相互作用力提供動力而非高溫氣體膨脹，理論發(fā)射速度可達(dá)光速?？紤]到空氣的阻力，大氣層內(nèi)的實(shí)用初速也可以超過4km每秒。這樣的速度無疑帶來了巨大的摧毀能力和更遠(yuǎn)的射程。2. 電磁炮沒有后坐力，更小的震動使得它更加精確?；诟斓乃俣?，它的彈道更加筆直，易于瞄準(zhǔn)，大大提高了命中率。3. 射擊時沒有爆炸的聲音和火光，攻擊更加隱蔽。4. 因?yàn)榕趶棝]有發(fā)射藥，更加輕便，可攜帶更多彈藥，減輕后勤壓力（不過這一點(diǎn)嘛，電源的重量可就另算了。）。5. 炮口初速度可以通過電流大小進(jìn)行調(diào)整。6. 電能比火藥要便宜。 常見的電磁炮1. 軌道炮結(jié)構(gòu)和原理最簡單的電磁炮，因而技術(shù)

3、也越成熟，距離實(shí)用化越近。此結(jié)構(gòu)由兩根平行導(dǎo)軌組成，帶有電樞的炮彈在軌道上滑動。當(dāng)大電流（可達(dá)數(shù)百萬安培或更多）通過一根導(dǎo)軌經(jīng)電樞流向另一根導(dǎo)軌時，在導(dǎo)軌間形成強(qiáng)磁場。電樞受洛倫茲力作用前進(jìn)。多級導(dǎo)軌炮串聯(lián)可獲得更高初速度。單級的導(dǎo)軌電流畢竟有現(xiàn)實(shí)方面的限制，可以增加多級導(dǎo)軌，不管速度如何，只要這個電流還在，就能不斷加速（火藥炮就沒這點(diǎn)好處）。它的基本原理十分簡單，就是左手定則和安培定則。（1） 左手定則 左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極（叉進(jìn)點(diǎn)出），四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力的方向。這個就很好理解了吧！好了，現(xiàn)在我們有了一個超級電源和能受得了超大電流的

4、導(dǎo)軌。還有了能導(dǎo)電的炮彈?？纱艌鰪哪睦飦砟兀恳榔胀ù朋w產(chǎn)生的磁場可是不夠的，能產(chǎn)生幾個特斯拉強(qiáng)磁場的磁體都是巨無霸級別的，幾噸重沒壓力。沒關(guān)系，我們的安培定則出場了。1、假設(shè)用右手握住通電導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，那么彎曲的四指就表示導(dǎo)線周圍的磁場方向。 2、假設(shè)用右手握住通電螺線管，彎曲的四指指向電流方向，那么大拇指的指向就是通電螺線管內(nèi)部的磁場方向。一目了然了吧？不信用右手握一下左右兩邊的導(dǎo)線。這樣強(qiáng)大的磁場不能由普通磁體生成，只能在極其強(qiáng)大的電流中產(chǎn)生。導(dǎo)軌炮不但原理較為簡單，其電路各部件的要求也最為現(xiàn)實(shí)，因此成為目前最接近實(shí)戰(zhàn)的一種。美軍計(jì)劃于2011年完成32MJ電磁炮的100發(fā)

5、壽命演示。這已經(jīng)3倍于常規(guī)火炮的最大炮口動能。遠(yuǎn)期計(jì)劃完成64MJ的電磁炮上艦。屆時，軍艦將能夠在數(shù)分鐘內(nèi)使用制導(dǎo)炮彈對幾百公里外的目標(biāo)實(shí)施強(qiáng)力打擊。2.同軸線圈炮好了，現(xiàn)在登場第二種稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電磁炮結(jié)構(gòu)。其實(shí)，線圈炮有數(shù)種結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)上對線圈炮的原理解釋主要有兩種，一種說法是驅(qū)動線圈對炮彈線圈產(chǎn)生斥力推動炮彈，另一種是驅(qū)動線圈對鐵磁性炮彈產(chǎn)生引力推動炮彈。這常使得大家迷惑不解。其實(shí)，這兩種說法都是正確的。不同于軌道炮，線圈炮按照炮彈線圈是否連接電源可以分為兩類電源型和感應(yīng)型，其基本原理和實(shí)現(xiàn)方式都有些許差別。網(wǎng)上的兩種都屬于感應(yīng)式線圈炮，筆者時間和精力有限，這里只介紹網(wǎng)上的第一種。在此之前

6、，請安培定則再亮相一次。用右手握螺線管，讓四指指向螺線管中電流的方向，那么大拇指所指的那端就是螺線管的N級  。另外還有一位重量級朋友需要介紹，楞次定律： 閉合回路內(nèi)部的磁通量趨向于保持不變，如果外界磁場介入使回路磁通增加（減?。瑒t回路中感應(yīng)電流產(chǎn)生的方向是使得回路內(nèi)部磁通減?。ㄔ黾樱┑姆较颉Ｒ痪湓挘洪]合回路的感應(yīng)電流反抗回路中磁通的變化?，F(xiàn)在貼圖加速線圈中依次通入強(qiáng)大的電流產(chǎn)生磁場，與炮彈上纏繞的線圈感應(yīng)，產(chǎn)生推力。炮彈通過一個線圈后，這個線圈開始作用，上一個線圈斷開，逐級加速。具體原理如下圖文。右方大的加速線圈產(chǎn)生的磁場如圖，使得左邊炮彈線圈內(nèi)部有了從右向左的磁通，因此，炮彈線

7、圈中的感應(yīng)電流必然使得其內(nèi)部的磁通為從左向右。那么N，S磁極也就確定了。那么，作用力必然向左啦。線圈炮可是有一個大好處，如上圖，炮彈線圈與加速線圈磁極相反，線圈中電流流向也相反，因而在炮管（把炮彈的通路仍叫做炮管吧）中受到加速線圈徑向上的斥力因而能夠懸浮在炮管中。炮彈與炮管中不存在摩擦燒蝕，也減小了能量的損失。. 如上圖：大線圈為驅(qū)動線圈，小線圈為炮彈線圈。大線圈電流方向?yàn)槟鏁r針，炮彈線圈感生電流為順時針。大線圈產(chǎn)生的磁場方向垂直紙面向外（如圖），這樣，炮彈線圈在每一點(diǎn)上受到來自大線圈的斥力，這個斥力指向線圈中心（請讀者自己用右手定則判斷）。這就是線圈炮的炮彈可以懸浮的原因。 但這個圖也可以看

8、出線圈炮的缺點(diǎn)。很明顯，它的軸向磁通提供了徑向懸浮力，而徑向磁通提供的才是推進(jìn)力。而螺線管的軸向磁通空間上更為密集，這使得過多的能量被用在懸浮上，而推進(jìn)力損失較大。后面的重接炮可以克服此缺點(diǎn)。 另外通電導(dǎo)線周圍磁場并不是均勻的，而是越靠近導(dǎo)線越大。因此，當(dāng)炮彈受重力向下方靠近時，受到從下向上的斥力自動增大。如果受到其他方向的擾動，也會在斥力的作用下自動回正。這無疑又是一個讓人滿意的特點(diǎn)。通電線圈對炮彈具有排斥力，這個力也是炮彈的動力。當(dāng)炮彈通過線圈后，必須立刻對這個線圈加電，以充分利用線圈的磁場。但同時，線圈加電不能過早。如果在炮彈未到達(dá)時提前加電，這個線圈對炮彈將造成阻力。這要求每個線圈的精

9、準(zhǔn)動作。這需要強(qiáng)大的開關(guān)以及其他元件，極為靈敏的反應(yīng)元件。如果電路加電、斷電和衰減反應(yīng)不及時，只需差幾十甚至幾個微秒，要么線圈對彈丸加速不徹底，要么反而向后拉彈丸，甚至各個線圈對炮彈的作用力將會出現(xiàn)“頂?！保麄€發(fā)射將完全失敗。值得一提的是，線圈炮的各級線圈的匝數(shù)是逐級減少的，這是因?yàn)榕趶椝俣仍絹碓娇?，需要在極短時間內(nèi)對線圈通電。這時，過大的電感不利于電流的迅速變化。減小匝數(shù)就是為了使電感減小到一個較為合理的數(shù)值。3.重接炮重接炮算是一種特殊的線圈炮，主要有板狀彈丸重接炮和柱狀彈丸重接炮?，F(xiàn)在以第一種為例介紹其原理。仍然是楞次定律。如上圖：上下方是兩個矩形線框。中間有一個非磁性材料，且為優(yōu)良導(dǎo)

10、電體的板狀彈丸（如鋁）。彈丸具有一定的初速度，當(dāng)彈丸完全進(jìn)入上下兩線框之間，徹底遮斷兩線框時，通入電流（上下均為逆時針，磁力線方向?yàn)閺南孪蛏希┦咕€框電流達(dá)到峰值并切斷電源，將磁能儲存在線框中。 此時板狀體重將產(chǎn)生順時針的渦旋電流并暫時保持，但整個回路在磁場中受力平衡。當(dāng)板狀體在慣性下前沿運(yùn)動出線框的時候。受力平衡被打破。板狀體后緣的的電流使其受到向右的推動力，而前緣已經(jīng)移出磁場，因此總體受力向右。重接炮仍然可以通過多級線圈加速。重接炮彈丸同樣是懸浮的，但徑向分力很小，而軸向加速的磁力極大。同時，歐姆損失也小得多。是未來電磁炮的發(fā)展方向之一。電磁炮的基本原理都較為簡單，最簡單的導(dǎo)軌炮已經(jīng)快要投入

11、使用了。但真實(shí)的設(shè)計(jì)和制造中，仍然有幾座高峰需要攀登：（1） 電源技術(shù)這可是最關(guān)鍵的技術(shù)，限于篇幅和自身水平，只能簡而言之。用電能提供幾十兆焦的能量不算什么，假設(shè)我們要將2kg的炮彈加速到5km每秒，需要25兆焦的電能（這里只是舉例，就假設(shè)電能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能吧），大概只相當(dāng)于7度電。可是，我們必須在1ms的發(fā)射時間內(nèi)提供這些這些電能。那就是電源功率要達(dá)到25千兆瓦。這是一般電源無法提供的，必須使用脈沖功率技術(shù)。它的基本原理是，將能量儲存在儲能元件中，之后瞬間釋放，形成初級脈沖，之后對脈沖進(jìn)行壓縮，這樣形成的毫秒級別的超高功率脈沖電流才能達(dá)到要求。導(dǎo)軌炮的電源要求能提供106 級安培的電流，1

12、-10K V的電壓，毫秒級別的脈沖寬度。一萬億瓦級別的功率。線圈炮和重接炮的工作電流小些，但電壓需要10-100KV左右。另外，對其儲存能量，儲能密度，機(jī)動性，放電頻率都有要求。常用電源有：脈沖功率電容器、補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)、變磁通旋轉(zhuǎn)壓縮發(fā)生器、特種脈沖磁流體電機(jī)等 （2） 導(dǎo)軌和電樞技術(shù) 軌道炮的導(dǎo)軌在發(fā)射時會受到強(qiáng)大的排斥力，（這點(diǎn)吧友用左手定則判斷吧，在下不貼圖了），這個排斥力甚至大于炮彈所受推進(jìn)力（F=BIL 沒辦法，誰讓導(dǎo)軌長呢）。這種情況下，軌必須具有極好的機(jī)械強(qiáng)度，也就是要將導(dǎo)軌可靠的定位，工作時不能變形。有的導(dǎo)軌炮將導(dǎo)軌嵌入玻璃纖維套中，在導(dǎo)軌和絕緣體中加注環(huán)氧樹脂，可以承受

13、巨大的斥力。也有的使用陶瓷絕緣體，獲得較長壽命。另外，線圈炮和重接炮的線圈也受到極大的斥力。（有力就有反力，電磁炮可以通過磁場這種特殊物質(zhì)改變導(dǎo)軌或線圈的受力方向，但炮彈受力，導(dǎo)軌或線圈不受力是絕對不可能的），必須有極為可靠的方式對這些元件進(jìn)行加固導(dǎo)軌和的考驗(yàn)還遠(yuǎn)不止此，在幾兆安培的電流下，導(dǎo)軌和電樞之間的電弧將對它們造成燒蝕，并產(chǎn)生巨大的熱量。因此，導(dǎo)軌應(yīng)該導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高，耐熱性好。導(dǎo)軌可采用銅鎢合金制成，同時還要以水套通入水甚至液氫來冷卻導(dǎo)軌。對電樞來說也是同樣的，通?？梢允褂勉~或鋁，但發(fā)射速度太快時，電樞將氣化，此時只能使用等離子體電樞，炮彈和導(dǎo)軌之間的氣體被電離導(dǎo)電充當(dāng)了電樞。（3）投射體 也就是炮彈啦。它在高速飛行中摩擦生熱十分嚴(yán)重，會導(dǎo)致彈頭燒融變形