電磁場(chǎng)理論課程設(shè)計(jì)-電磁炮

1、電磁場(chǎng)理論課程設(shè)計(jì)-電磁炮第一頁(yè)，共46頁(yè)。2內(nèi)容結(jié)構(gòu)及任務(wù)分配情況 小組簡(jiǎn)介及電磁炮基本情況1 線圈炮原理介紹3 其它類型電磁炮簡(jiǎn)介4 電磁炮用途及其特點(diǎn)5 電磁炮的現(xiàn)狀及發(fā)展前景6電磁炮設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)團(tuán)結(jié)是一種勢(shì)不可擋的力量第二頁(yè)，共46頁(yè)。冷兵器時(shí)代，利用原始機(jī)械拋射物體，速度只有每秒幾十米熱兵器時(shí)代，利用化學(xué)能的火炮可以使彈丸初速達(dá)到1千米/秒目前，利用電能的電磁炮可將彈丸加速到數(shù)千米/秒，這還遠(yuǎn)非極限電影變形金剛2中有這樣一個(gè)情節(jié)：在最后的大戰(zhàn)里美軍動(dòng)用了一種國(guó)家級(jí)神秘武器，從大西洋美軍的戰(zhàn)艦上發(fā)射超高速炮彈，對(duì)金字塔頂端的“大力神”予以毀滅性打擊。這種超遠(yuǎn)程，精度高且破壞力十足的武器，

2、就是現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)能武器電磁炮引言第三頁(yè)，共46頁(yè)。 歷史固然曲折，卻無(wú)法阻擋我們探知未來(lái)的腳步1845年，英國(guó)物理學(xué)家查爾斯-惠斯通制造了世界上第一臺(tái)直線磁阻電動(dòng)機(jī)，用它把一段金屬拋射到20米遠(yuǎn)的地方1897-1917年，伯克蘭教授不斷改進(jìn)并實(shí)驗(yàn)他的電炮，獲得三項(xiàng)專利技術(shù)，并在1901年制造了第一個(gè)電磁線圈炮，將0.5Kg的物體加速到500米/秒1903年，伯克蘭再次制造出將10Kg的物體加速到100米/秒的超級(jí)電磁炮1945年，漢斯勒實(shí)驗(yàn)了直徑20毫米，長(zhǎng)2米的軌道跑LM2,最終將10g重的鋁質(zhì)圓柱加速到1080米/秒1966年，蘇聯(lián)人鮑斯達(dá)列夫用10米長(zhǎng)的單極脈沖感應(yīng)線圈把2g重鋁環(huán)加速到5

3、Km/秒電磁炮的發(fā)展史第四頁(yè)，共46頁(yè)。 中國(guó)人自己的電磁炮 英國(guó)1986年將100g彈丸加速到2.75km/秒，先后制造出40，90毫米口徑炮;法國(guó)和德國(guó)研制出15毫米口徑，最大速度5km/秒預(yù)加速炮：日本，前蘇聯(lián)也都有類似研究，目前中國(guó)正一步步向發(fā)達(dá)國(guó)家靠攏，已經(jīng)圓滿試射25公斤級(jí)炮彈，這對(duì)于中國(guó)來(lái)講也是一個(gè)巨大的飛躍美國(guó)至第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，始終處于電磁炮研究的國(guó)際領(lǐng)先分地位，先后研制出12，40，50，90毫米口徑，以及最大射速達(dá)到7Km/秒，最遠(yuǎn)射程達(dá)到500Km的超級(jí)電磁炮， 除美國(guó)外，還有二十多個(gè)國(guó)家從事電磁炮的研究。各國(guó)電磁炮的近現(xiàn)代發(fā)展第五頁(yè)，共46頁(yè)。電磁炮的基本原理：法拉

4、第電磁感應(yīng)定律一 線圈炮線圈炮又稱交流同軸線圈炮由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成，當(dāng)加速線圈通入交變電流時(shí)，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)就會(huì)在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與加速線圈電流的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生磁場(chǎng)力，使彈丸加速運(yùn)動(dòng)并發(fā)射出去 電磁炮基本介紹電磁炮的分類線圈炮，軌道炮，電熱炮，重階炮第六頁(yè)，共46頁(yè)。二 軌道炮軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去它由兩條平行的長(zhǎng)直導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸當(dāng)兩軌接入電源時(shí)，強(qiáng)大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時(shí)，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會(huì)以很大的速度射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理三 電熱炮

5、其原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結(jié)構(gòu) 也有多種形式最簡(jiǎn)單的一種是采用一般的炮管，管內(nèi)設(shè)置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端當(dāng)?shù)入x子體燃燒器兩極間加上高壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一道電弧，使放在兩極間的等離子體生成材料（如聚乙烯）蒸發(fā)蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速四 重階炮重接炮是一種多級(jí)加速的無(wú)接觸電磁發(fā)射裝置，其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個(gè)矩形線圈上下分置，長(zhǎng)方形的“炮彈”在兩個(gè)矩形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用第七頁(yè)，共46頁(yè)。第八頁(yè)，共46頁(yè)。線圈炮的主要部件是螺線管，它是線圈均勻地密繞在炮筒上，螺線管的單位長(zhǎng)度的匝數(shù)為，炮筒的內(nèi)半徑為，L為螺線管的長(zhǎng)度螺線管

6、通人電流時(shí)，根據(jù)電磁學(xué)理論，螺線管沿軸的x關(guān)系如圖，在螺線管中部磁場(chǎng)均勻，端口附近磁場(chǎng)發(fā)散線圈炮的原理第九頁(yè)，共46頁(yè)。根據(jù)畢薩定理，螺線管端口附近點(diǎn)的軸向分量為式中為真空磁導(dǎo)率，x為點(diǎn)坐標(biāo)徑向分量為式中為離螺線管軸線的距離第十頁(yè)，共46頁(yè)。1.1線圈彈體彈體a繞有定數(shù)量的線圈，如圖所示當(dāng)螺線管通人電流時(shí)，彈體線圈感應(yīng)電流為為計(jì)算方便，在發(fā)生相互作用瞬間，可認(rèn)為為恒量第十一頁(yè)，共46頁(yè)。根據(jù)安培力公式利用斯托克斯（）公式可以推出彈體線圈在磁場(chǎng)中所受平移力的公式為第十二頁(yè)，共46頁(yè)。利用（）式可以算出線圈彈體在螺線管端口處所受的平移推力為第十三頁(yè)，共46頁(yè)。彈體為鐵磁質(zhì)材料，設(shè)鐵磁質(zhì)彈體與螺線管

7、相對(duì)位置為x(xL)，利用安培環(huán)路定律，x處大小為穿過彈體截面的磁通為根據(jù)磁通連續(xù)定理，穿過每一匝線圈的磁通量等于上式，從而得到螺線管的電感為1.1鐵磁質(zhì)彈體第十四頁(yè)，共46頁(yè)。由于電感與幾何形狀有關(guān)，從（）式看這時(shí)螺線管電感是的函數(shù)系統(tǒng)的總能量為把（）式帶入（）式，由于保持常數(shù)，使電感也是也是常數(shù)，因此，可把電感拿到積分號(hào)外，第十五頁(yè)，共46頁(yè)。根據(jù)虛功原理，沿X軸方向的力為把（）式帶人（）式，可求得彈體受到沿X軸方向的力為負(fù)號(hào)表示鐵磁質(zhì)彈體受力的方向與軸的方向相反所以鐵磁質(zhì)彈體被螺線管吸引.第十六頁(yè)，共46頁(yè)。第十七頁(yè)，共46頁(yè)。原理：方案一：線圈炮彈式電磁炮第十八頁(yè)，共46頁(yè)。炮筒（大線

8、圈）炮彈（小線圈）設(shè)計(jì)第十九頁(yè)，共46頁(yè)。方案二：鐵磁質(zhì)彈體電磁炮原理：第二十頁(yè)，共46頁(yè)。設(shè)計(jì)一第二十一頁(yè)，共46頁(yè)。設(shè)計(jì)二第二十二頁(yè)，共46頁(yè)。方案三：自制線圈電磁炮第二十三頁(yè)，共46頁(yè)。第二十四頁(yè)，共46頁(yè)。第二十五頁(yè)，共46頁(yè)。實(shí)物圖軌道炮第二十六頁(yè)，共46頁(yè)。 軌道炮原理軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去它由兩條平行的長(zhǎng)直導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸當(dāng)兩軌接入電源時(shí)，強(qiáng)大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時(shí)，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會(huì)以很大的速度射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理 第二十七頁(yè)，共46頁(yè)。彈體所得到的

9、能量和磁場(chǎng)強(qiáng)度B與電流I的乘積有關(guān)，I越大，B就越大，彈體所得能量越大。為軌道長(zhǎng)度為彈體通過電流的有效長(zhǎng)度第二十八頁(yè)，共46頁(yè)。電熱炮實(shí)物圖第二十九頁(yè)，共46頁(yè)。 第三十頁(yè)，共46頁(yè)。 電熱炮的原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結(jié)構(gòu)也有多種形式最簡(jiǎn)單的一種是采用一般的炮管，管內(nèi)設(shè)置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端當(dāng)?shù)入x子體燃燒器兩極間加上高壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一道電弧，使放在兩極間的等離子體生成材料（如聚乙烯）蒸發(fā)蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速電熱炮原理第三十一頁(yè)，共46頁(yè)。重接炮實(shí)物圖第三十二頁(yè)，共46頁(yè)。重接炮原理重接炮是一種多級(jí)加速的無(wú)接觸電磁發(fā)射裝置，沒

10、有炮管，但要求彈丸在進(jìn)入重接炮之前應(yīng)有一定的初速度其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個(gè)矩形線圈上下分置，之間有間隙長(zhǎng)方形的“炮彈”在兩個(gè)矩形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用，穿過間隙在其中加速前進(jìn)重接炮是電磁炮的最新發(fā)展形式 第三十三頁(yè)，共46頁(yè)。第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。發(fā)射速度高，炮彈動(dòng)能大。電磁炮作用在彈丸上的力，在數(shù)量級(jí)上比傳統(tǒng)火炮大一個(gè)量級(jí)。隱蔽性好。由于電磁炮火焰、煙霧和后坐力都很小，有利于陣地隱蔽。工作穩(wěn)定，重復(fù)性好。電磁炮不存在常規(guī)火炮因點(diǎn)火過程和發(fā)射藥燃燒過程的微量變化引起的彈體速度的不穩(wěn)定，每次發(fā)射均具有相似的重復(fù)性。電磁炮的特點(diǎn)第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。能源簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)效益好。電磁炮使用的

11、是電能，與常規(guī)火炮所使用的化學(xué)能相比操作比較簡(jiǎn)單而且更容易控制，同時(shí)電能的來(lái)源廣并且價(jià)格低廉。彈藥貯存方便。軌道炮彈丸僅依靠其動(dòng)能來(lái)起到巨大的殺傷和破壞效果，彈丸內(nèi)部沒有發(fā)射藥等易燃易爆物，因此貯存起來(lái)很方便。彈體質(zhì)量可大可小。電磁炮既可發(fā)射小至毫克級(jí)的小彈體，也能發(fā)射大至幾百噸的大彈體。第三十六頁(yè)，共46頁(yè)。軍事應(yīng)用領(lǐng)域電磁發(fā)射器在戰(zhàn)術(shù)反裝甲、防空和反艦戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈方面科研和民用領(lǐng)域研究高速碰撞，啟動(dòng)核聚變反應(yīng)，研制懸浮列車電磁炮的應(yīng)用第三十七頁(yè)，共46頁(yè)。第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。第三十九頁(yè)，共46頁(yè)。第四十頁(yè)，共46頁(yè)。近十年來(lái)，隨著新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)在發(fā)射裝置、發(fā)射質(zhì)量、彈

12、丸速度、大功率電源等方面的研究取得了一系列的成果。世界范圍內(nèi)研究電磁炮的浪潮一浪高過一浪，當(dāng)前以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的研究較為前沿。其中美國(guó)對(duì)電磁炮的研究領(lǐng)先于其它任何一個(gè)國(guó)家，甚至可以說(shuō)是遙遙領(lǐng)先。美國(guó)于1982 年研制成功實(shí)驗(yàn)級(jí)導(dǎo)軌炮,彈丸質(zhì)量317g、初速4200m/ s。1992 年夏,美國(guó)研制成功世界上第一套完整的9MJ 靶場(chǎng)導(dǎo)軌炮,并在陸軍尤馬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn),邁出了電磁炮走出實(shí)驗(yàn)室的第一步。2006 年7 月,英國(guó)BAE 系統(tǒng)公司與美軍方簽約,為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)和制造32MJ 實(shí)驗(yàn)室型發(fā)射裝置,旨在為下一步發(fā)展64MJ 戰(zhàn)術(shù)型電磁軌道炮奠定基礎(chǔ)。 目前的現(xiàn)狀第

13、四十一頁(yè)，共46頁(yè)。2008 年1 月31 日，美國(guó)海軍在位于達(dá)爾格倫的海軍水面作戰(zhàn)研究中心進(jìn)行了一次高能電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)。此次試驗(yàn)所使用的高功率脈沖電源為英國(guó)航空航天公司制造的總儲(chǔ)能為32 MJ 的試驗(yàn)電源系統(tǒng)。試驗(yàn)采用的射彈為鋁質(zhì)彈丸，如圖所示，該鋁彈質(zhì)量約3.35 kg，發(fā)射動(dòng)能為10.64 MJ，鋁彈出膛瞬間速度達(dá)到2 520 m/s。第四十二頁(yè)，共46頁(yè)。 目前有四方面的技術(shù)瓶頸脈沖功率電源技術(shù)軌道和電樞的可靠性技術(shù)高過載彈丸技術(shù)發(fā)射系統(tǒng)總體系統(tǒng)集成技術(shù)瓶頸第四十三頁(yè)，共46頁(yè)。展望盡管電磁炮目前仍處于研究階段，但前景卻相對(duì)樂觀?？紤]到各個(gè)國(guó)家對(duì)軍事力量的培養(yǎng)與重視以及對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)、宇宙戰(zhàn)場(chǎng)的大力投資兼新技術(shù)領(lǐng)域的開