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。

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。目前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是近期内最有前途的能源。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。早在19世纪，科学家已发现在磁场中的电荷和电流会受到洛仑兹力的作用。20世纪初，有人提出利用洛仑兹力发射炮弹的设想。在两次世界大战中，法国、德国和日本都曾研究过电磁炮。第二次世界大战以后，其他国家也进行过这方面的研究。自70年代初以来，与电磁发射有关的技术取得了重大进展。澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置，将 3克重的塑料块（炮弹）加速到6000米／秒的速度。此后，澳、美科学家制造了不同类型的实验样机，并进行过多次发射实验。用单极发电机供电的电磁炮，已能把318克重的炮弹加速到4200米／秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将 2克重的炮弹加速到11000米／秒的速度。

电磁炮原理

电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。正是根据这一定律人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，或者说，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。 那么如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，使它获得前进的动力呢？一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。在1980年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。它把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千米。如果是在真空中，这个速度还可提高到每秒8—10千米，这已经超过了第一宇宙速度，具备了作为一种新型航天发射装置的理论资格。

技术问题

将这一理论上的可能变为实际，还需要解决以下几个问题：首先，那台实验电磁炮的加速度太大，人无法承受。这个问题只有一个解决方法，那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3倍重力加速度的长时间加速，满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算，为达到第一宇宙速度，约需1000千米！)在技术上难以实现。 第二，如果把电磁炮水平安装在地面上，飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速，难以顺利达到环绕地球轨道，为此，用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅。 第三，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度，约-269°C)才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，但作为固定使用的航天发射装置，基本上可以不必考虑这些，而且如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。

关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关，因为在磁场不够强的情况下，要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要，因为作为武器的电磁炮得严格限制长度，而作为发射工具，几千米甚至十几千米的炮身并不算问题，只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。此外，延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算，用5千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了，可人显然还是无法忍受，而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造，因此用电磁炮发射人的想法还是放弃算了。最后，有人觉得建造公里级长度，配备强磁场的加速轨道可能会有技术困难，但这只是不了解人类现有技术水平的臆测，实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米，甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了对环道施工的精度要求极高外，各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。换句话说，在建造宇宙电磁炮的基本技术方面，人们早已充分掌握了，仅仅是所用领域不同而已。真正的困难倒是，从来没谁把超级加速器放在高寒山区，而且青藏高原的交通条件目前也不大好。 　　至于电磁炮的发射成本，如果不考虑产生强磁场的低温液体费用，仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已，日常维护成本也大概和同长度的高速地铁相仿，最多开口处一小段需要要配备专职扫雪人员，要么加个活动盖子，也就都解决了。

特点

　　(1)电磁推动力大，弹丸速度高。电磁发射的脉冲动力约为火炮发射力的10倍,所以用它发射的弹丸速度很高。一般火炮的射击速度约为0.8千米/秒，步枪子弹的射击速度为l千米/秒。而电磁炮可将3克重的弹丸加速到11千米/秒，将300克的弹丸加速到4千米/秒。有的专家甚至预言，将来的速度可达100千 　　米/秒。速度对于天基反导弹系统来说尤为重要。因为栏载器速度越高，不仅拦截的效率高。而且可大大减少天基武器的数量。(2)弹丸稳定性好。电磁炮弹丸在炮管中受到的推力是电磁力, 这种力量是非常均匀的，而电磁推力容易控制，所以弹丸稳定性好，这有利于提高命中精度。（3）隐蔽性好。电磁炮在发射时不产生火焰和烟雾，也不产生冲击波，所以作战中比较隐蔽，不易被敌人发现。而且，它采用低级燃料作能源，而不是常规火药。这有利于发射阵地的安全。(4)弹丸发射能量可调。可根据目标性质和射称大小可快速调节电磁力的大小，从而控制弹丸的发射能量。(5) 比较经济。与常规武器比较，火炮发射药产生每焦耳能量需要10美元， 而电磁炮只需要0.1美元。如果与其他太空武器相比，电磁炮就更经济了。

电磁炮 - 分类

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：

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，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去。

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。当两轨接入电源时，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。

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。

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。

 

第二篇：电磁炮技术分析论文

对电磁炮技术的分析

禹俊 （电子科技大学 光电信息学院 ）

周庄奇（电子科技大学 光电信息学院 ）

郑尚超（电子科技大学 光电信息学院 ）

摘要：现代战争对远程火力要求越来越高，而传统火炮的技术发展已经接近极限，在这种情况下，电磁炮以其超远射程，超大能量，超精准的优点，在攻克技术难题后，有望成为新一代远程火力打击力量。

关键词：电磁炮；导轨炮；分散储能；欧姆热损耗

一． 电磁炮原理及分类

电磁炮是一种将电能以某种方式转化为电磁能，以电磁力将弹丸从“炮膛”内加速发射出去的装置。电磁炮可以按结构分为三种：导轨炮，线圈炮和重接炮。接近武器的是电磁导轨炮和同轴线圈炮。本文主要介绍导轨炮和线圈炮。 导轨炮的基本原理比较简单，主要由弹丸，电枢，导轨，开关，单机电机和原动机等组成。当电源开关接通时，电流由一条导轨流经电枢，再由另一条导轨反向流回，从而构成闭合回路。强大的电流（MA级）流经两并行导轨时，在导轨之间产生了强大的磁场。这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生洛伦兹力。该力推动电枢和电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而使弹丸获得超高速。

（简单导轨炮示意图）

以下是导轨炮的内弹道模型:

dvs?FM 若不计各种阻力，则运动方程为：?ma?ms?dt

式中ma为电枢质量；ms为弹丸质量；vs为弹丸速度；FM为洛伦兹力。

导轨炮从电路观点来看，本质上可等效为脉冲功率源和电阻，电感组成的发射电

路，只是随着电枢，弹丸的运动，总电阻，电感线性增大，即 Rr?R0?Rr'x

Lr =L0 + L'rx

式中Rr'为导轨电阻梯度，L '

r为导轨电感梯度；R0为初始负载电阻；L0为初始

负载电感。根据基尔霍夫定理，回路的电压方程为

d(Lri)?iRr?Ub?0dt

式中Ub为脉冲功率源端电压，即炮后膛压；i为电流。对RL载流回路，它所蕴

含的磁场能量为

WM?Lri2

则磁场力为

FM?(?WM1?i2 )t?Lr?x212

根据具体的脉冲功率源条件，可以解出导轨炮的理论最大速度，现讨论一特殊情

况，即假定放电回路电流为恒流I，可以求出

Lr?I2

vs?vs0?t2(ma?ms)

x?x0?vs0t?

计算一个实例，参数如表，

Lr?It4(ma?ms)22 在x0?v0?0的条件下，可以得到最大速度为

vsm?L'

rI2xmax

ma?ms

Vsm=5.48km/s

在实际中，由于摩擦阻力，空气阻力等存在以及能量的损耗，实际速度要比Vsm小30%以上。

线圈炮又称同轴加速器，由原动机，特殊交流电机，驱动线圈和弹载线圈所组成。发射时，依次给驱动线圈交流充电，在线圈周围形成的磁场使弹载线圈产生感应电流，使其在电磁力的推动下运动。线圈炮的主要部件螺线管，它是线圈均匀的密绕在炮管上，螺线管上的匝数为n,炮管的内半径我r,l为螺线管内的长度，螺线管通入电流时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的B-X图，在螺线管中部均匀，端口附近磁场发散。

（简单线圈炮示意图）

重接炮是电磁发射技术的一种新形式，它包括板状弹丸型和柱状弹丸型两种。以板状为例。它是由一系列同轴矩形线圈和一个板状弹丸组成，线圈轴线与弹丸运动方向垂直。两线圈间隙较小，板状弹丸在其内运动，弹丸一般采用非导磁的良导体实心板，期长，宽比线圈截面口径的长宽略大，各驱动可有自己的独立电源或共用一个电源，上，下线圈的缠绕和连接应保证磁通方向一致。

工作过程如下图A，当弹丸尚未进入线圈间隙时，如图A（a）状态，线圈无电源，无磁场。当弹丸以某一速度进入进入上下线圈间隙，并且刚好遮住线圈面积时，如图A（b）。此时线圈通电，产生磁场，如图A（c）。当板状弹丸的尾部与线圈左侧拉开一小段距离时，弹丸切割磁场，磁场力推动弹丸向前运动。当弹丸被线圈加速离开后，如图A（d）,至此一级加速完毕，弹丸进入下一级并重复以上过程。

重接炮从本质上来看，是变化的磁场对弹丸感生涡流，而涡流与磁场相互作用产生电磁力来加速弹丸。

二． 电磁炮应用

自上世纪80 年代以来,电磁炮技术的研究取得了多方面进展,应用领域日趋广阔。

美国于1982 年研制成功实验级导轨炮,弹丸质量317g、初速4200m/ s。1992 年夏,美国研制成功世界上第一套完整的9MJ 靶场导轨炮,并在陆军尤马试验场进行了发射试验,迈出了电磁炮走出实验室的第一步。该炮是一个连续发射系统,全重25t ,能以2500～4000m/ s 的初速齐射9 发弹丸,炮口动能9MJ 。2006 年

7 月,英国BAE 系统公司与美军方签约,为美国海军设计和制造32MJ 实验室型发射装置,旨在为下一步发展64MJ 战术型电磁轨道炮奠定基础。与此同时,美国还进行了电磁炮发射超高速动能弹的研究。内容包括弹道陶瓷的处理,新型合金的研制与钨、贫铀的加工方法,开发轻质高强度金属陶瓷等。

尽管电磁炮的研究取得了很大进展,已完成从基本原理到可行性的论证工作,但是要将电磁炮转化为实用的武器系统仍存在诸多难题,比如怎样减小电磁炮体积和重量、降低能耗、提高效率和解决炮管易损等。

部分电磁炮的实物图

正在发射的电磁炮

由现在已知的电磁炮技术和各国军方展示的电磁炮成品，我们不难发现电磁炮在应用方面相对于普通火炮有很大优势，下面是优势列举：

（1）发射速度高，炮口动能大。电磁炮作用在弹丸上的力，在数量级上比传统火炮大一个量级。

（2）隐蔽性好，工作稳定，重复性好。电磁轨道炮发射时无火焰，无烟雾，设计声响和冲击波小，在战场上不容易被敌方发现。点火过程中不会出现常规火

炮时有发生的点火延迟、突然撞击、加速突变等不稳定的情况，大大提高了使用的安全性和可靠性。

（3）能源简易、经济效益好。电磁炮使用的是电能，与常规火炮所使用的化学能相比操作比较简单而且更容易控制，同时电能的来源广并且价格低廉。

（4）弹药贮存方便。轨道炮弹丸仅依靠其动能来起到巨大的杀伤和破坏效果，弹丸内部没有发射药等易燃易爆物，因此贮存起来很方便。

三． 电磁炮技术的改进

简单导轨炮在电物理特性方面有两大缺陷：一是激励电流难以保持恒流；二是因欧姆热损失导致效率较低。于是人们用初级电源（可用一电容表示）和电感器组成脉冲形成网络，以便获得近似恒定的工作电流。原理下图所示，图A是并联方式，导轨炮可获得一近似恒流的平顶波。图B是串联方式，通过恰当选取每个支路（L-C）的振荡周期，使各支路贡献的电流（图中虚线）之和接近方波（图中实线）。

这些多级储能器馈电的方案仅对炮管为几米或更短的导轨炮有效，能把效率提高20%或更多些，而对长达10-10^3m的电磁导轨炮必须采取新的馈电方案-分散储能型导轨炮

分散储能型导轨炮的导轨中排列着一系列储能器，且每个储能器间距相同，储能器中包括初级电源（电容器C）和一个二次储能器（电感L和电阻R）。当弹

丸在膛内运动到某一储能区段时，该区段储能器向电枢放电，如此逐级加速弹丸。此法可以做到弹丸出膛前各储能器的储能用尽，而在加速过程中电枢却始终得到一近似恒定的总电流，并在某时刻仅导轨的一小部分参与传导满负荷电流，从而减少了导轨的欧姆热损失和储存在导轨电感内的剩留磁能。这是它与多级储能器馈电的导轨炮最显著的差别。因此，分散储能型导轨炮的长度不受限制，视需要可达10^3m以上。

以下给出分散储能型导轨炮的内弹道方程组：

分散储能型导轨炮的电路工作原理如上图所示。设x为从导轨左部（i=1）起始的距离坐标，x*为从第n级开始的坐标。从图可知：电枢正处于n与n+1级之间。根据基尔霍夫定律，可写出回路方程。电枢已通过的各级电路方程为：

iiQidQid2QidQkd2QkQi?1dQi?1???Ri?Li?Rl?Ll??R?0(1?i?n?1rii?ri?i?1222CidtCi?1dtdtk?1dtk?1dt

容纳电枢的那一级电路方程为：

nQndQnd2Qnd2QKdx*ndQk?x*?Lr??Rn?Ln?(Rri)??Lr?x*??022Cndtdtk?1dtdtk?1dt

x*?x??li

i?1n?1

式中忽略了电枢电阻和电感，因两导轨间距远小于li。

电枢和弹丸组件的运动方程为：

ndvs1dQ?(?k)2?FD?FG (ma?ms)?Lrdt2k?1dt

其中FD,FG分别由前两式表示。

以上方程组共包含n+1个二阶微分方程和n+1个变量。它们与适当的初始条件联合，便可给出电枢和弹丸组件的系统特性。

最后，尽管电磁炮的实际应用的时刻尚未到来，但是随着各种技术障碍被攻克，相信总有一天，我们会看到它在战场上的风采。

参考文献

【1】金志明 《高速推进内弹道学》 北京 国防工业出版社 2001.9

【2】李小鹏 李立毅 《重接式电磁发射技术的现状及应用前景》中国科技论文在线

【3】王京 肖华 何焰蓝 《自控式电磁线圈炮》《物 理 实 验》 2004 年10 月 第24 卷 第10 期