电磁炮原理科普

并不神秘的电磁炮 笔者混迹科吧数月 阅贴不少 多有受教于众吧友 常希望用 自己所学回馈吧众 幸亏寸有所长 总算写成此科普拙文 笔者将 使用不超过中学物理课本的知识对大家喜闻乐见的电磁炮的基本原 理和技术做一介绍 因能力所限 时间所限 笔者马上要出差了 只能浮光掠影 走马观花 不足和不正确之处 请各位指正 电磁炮是科幻迷们喜闻乐见的未来武器 也被各国军方所重视 它具有很多优秀特性 1 速度 常规火药发射的炮弹受火药气体燃烧速度的限制 初速度很难超过 2km 每秒 根据具体的使用需要从某些迫击炮的不 到 200 米每秒到坦克炮发射大口径穿甲弹时的接近 2km 每秒 即 使加大装药量也无济于事 炮口动能则一般不超过 10MJ 而电磁炮 没有这个限制 它由电流与磁场的相互作用力提供动力而非高温气 体膨胀 理论发射速度可达光速 考虑到空气的阻力 大气层内的 实用初速也可以超过 4km 每秒 这样的速度无疑带来了巨大的摧毁 能力和更远的射程 2 电磁炮没有后坐力 更小的震动使得它更加精确 基于更快 的速度 它的弹道更加笔直 易于瞄准 大大提高了命中率 3 射击时没有爆炸的声音和火光 攻击更加隐蔽 4 因为炮弹没有发射药 更加轻便 可携带更多弹药 减轻后 勤压力 不过这一点嘛 电源的重量可就另算了 5 炮口初速度可以通过电流大小进行调整 6 电能比火药要便宜 常见的电磁炮 1 轨道炮 结构和原理最简单的电磁炮 因而技术也越成熟 距离实用 化越近 此结构由两根平行导轨组成 带有电枢的炮弹在轨道上滑动 当 大电流 可达数百万安培或更多 通过一根导轨经电枢流向另一根 导轨时 在导轨间形成强磁场 电枢受洛伦兹力作用前进 多级导 轨炮串联可获得更高初速度 单级的导轨电流毕竟有现实方面的限 制 可以增加多级导轨 不管速度如何 只要这个电流还在 就能 不断加速 火药炮就没这点好处 它的基本原理十分简单 就是左手定则和安培定则 1 左手定则 左手放入磁场中 让磁感线垂直穿入手心 手心面向 N 极 叉进 点出 四指指向电流所指方向 则大拇指的方向就是导体受力的 方向 这个就很好理解了吧 好了 现在我们有了一个超级电源和能受得了超大电流的导轨 还有了能导电的炮弹 可磁场从哪里来呢 要知道普通磁体产生 的磁场可是不够的 能产生几个特斯拉强磁场的磁体都是巨无霸 级别的 几吨重没压力 没关系 我们的安培定则出场了 1 假设用右手握住通电导线 大拇指指向电流方向 那么弯曲 的四指就表示导线周围的磁场方向 2 假设用右手握住通电螺 线管 弯曲的四指指向电流方向 那么大拇指的指向就是通电螺 线管内部的磁场方向 一目了然了吧 不信用右手握一下左右两边的导线 这样强大的磁场不能由普通磁体生成 只能在极其强大的电流 中产生 导轨炮不但原理较为简单 其电路各部件的要求也最为现实 因此成为目前最接近实战的一种 美军计划于 2011 年完成 32MJ 电磁炮的 100 发寿命演示 这已 经 3 倍于常规火炮的最大炮口动能 远期计划完成 64MJ 的电磁炮 上舰 届时 军舰将能够在数分钟内使用制导炮弹对几百公里外的 目标实施强力打击 2 同轴线圈炮 好了 现在登场第二种稍微复杂一点的电磁炮结构 其实 线圈炮有数种结构 网络上对线圈炮的原理解释主要 有两种 一种说法是驱动线圈对炮弹线圈产生斥力推动炮弹 另一 种是驱动线圈对铁磁性炮弹产生引力推动炮弹 这常使得大家迷惑 不解 其实 这两种说法都是正确的 不同于轨道炮 线圈炮按照炮弹线圈是否连接电源可以分为两 类 电源型和感应型 其基本原理和实现方式都有些许差别 网上的两种都属于感应式线圈炮 笔者时间和精力有限 这里只 介绍网上的第一种 在此之前 请安培定则再亮相一次 用右手握螺线管 让四指指向螺线管中电流的方向 那么大 拇指所指的那端就是螺线管的 N 级 另外还有一位重量级朋友需要介绍 楞次定律 闭合回路内部的磁通量趋向于保持不变 如果外界磁场介入闭合回路内部的磁通量趋向于保持不变 如果外界磁场介入 使回路磁通增加 减小 使回路磁通增加 减小 则回路中感应电流产生的方向是使得回 则回路中感应电流产生的方向是使得回 路内部磁通减小 增加 的方向 路内部磁通减小 增加 的方向 一句话 闭合回路的感应电流反抗回路中磁通的变化一句话 闭合回路的感应电流反抗回路中磁通的变化 现在贴图 加速线圈中依次通入强大的电流产生磁场 与炮弹上缠绕的线 圈感应 产生推力 炮弹通过一个线圈后 这个线圈开始作用 上一个线圈断开 逐级加速 具体原理如下图文 右方大的加速线圈产生的磁场如图 使得左边炮弹线圈内部有 了从右向左的磁通 因此 炮弹线圈中的感应电流必然使得其内 部的磁通为从左向右 那么 N S 磁极也就确定了 那么 作用力 必然向左啦 线圈炮可是有一个大好处 如上图 炮弹线圈与加速线圈磁极 相反 线圈中电流流向也相反 因而在炮管 把炮弹的通路仍叫 做炮管吧 中受到加速线圈径向上的斥力因而能够悬浮在炮管中 炮弹与炮管中不存在摩擦烧蚀 也减小了能量的损失 如上图 大线圈为驱动线圈 小线圈为炮弹线圈 大线圈 电流方向为逆时针 炮弹线圈感生电流为顺时针 大线圈产生的 磁场方向垂直纸面向外 如图 这样 炮弹线圈在每一点上受到 来自大线圈的斥力 这个斥力指向线圈中心 请读者自己用右手 定则判断 这就是线圈炮的炮弹可以悬浮的原因 但这个图也可以看出线圈炮的缺点 很明显 它的轴向磁通 提供了径向悬浮力 而径向磁通提供的才是推进力 而螺线管的 轴向磁通空间上更为密集 这使得过多的能量被用在悬浮上 而 推进力损失较大 后面的重接炮可以克服此缺点 另外通电导线周围磁场并不是均匀的 而是越靠近导线越大 因此 当炮弹受重力向下方靠近时 受到从下向上的斥力自动增 大 如果受到其他方向的扰动 也会在斥力的作用下自动回正 这无疑又是一个让人满意的特点 通电线圈对炮弹具有排斥力 这个力也是炮弹的动力 当炮 弹通过线圈后 必须立刻对这个线圈加电 以充分利用线圈的磁 场 但同时 线圈加电不能过早 如果在炮弹未到达时提前加电 这 个线圈对炮弹将造成阻力 这要求每个线圈的精准动作 这需要强大的开关以及其他元 件 极为灵敏的反应元件 如果电路加电 断电和衰减反应不及 时 只需差几十甚至几个微秒 要么线圈对弹丸加速不彻底 要 么反而向后拉弹丸 甚至各个线圈对炮弹的作用力将会出现 顶 牛 整个发射将完全失败 值得一提的是 线圈炮的各级线圈的匝数是逐级减少的 这 是因为炮弹速度越来越快 需要在极短时间内对线圈通电 这时 过大的电感不利于电流的迅速变化 减小匝数就是为了使电感减 小到一个较为合理的数值 3 重接炮 重接炮算是一种特殊的线圈炮 主要有板状弹丸重接炮和柱状 弹丸重接炮 现在以第一种为例介绍其原理 仍然是楞次定律 如上图 上下方是两个矩形线框 中间有一个非磁性材料 且 为优良导电体的板状弹丸 如铝 弹丸具有一定的初速度 当弹 丸完全进入上下两线框之间 彻底遮断两线框时 通入电流 上 下均为逆时针 磁力线方向为从下向上 使线框电流达到峰值并 切断电源 将磁能储存在线框中 此时板状体重将产生顺时针的涡旋电流并暂时保持 但整个回 路在磁场中受力平衡 当板状体在惯性下前沿运动出线框的时候 受力平衡被打破 板状体后缘的的电流使其受到向右的推动力 而前缘已经移出磁场 因此总体受力向右 重接炮仍然可以通过多级线圈加速 重接炮弹丸同样是悬浮的 但径向分力很小 而轴向加速的磁力极大 同时 欧姆损失也小 得多 是未来电磁炮的发展方向之一 电磁炮的基本原理都较为简单 最简单的导轨炮已经快要投入 使用了 但真实的设计和制造中 仍然有几座高峰需要攀登 1 电源技术 这可是最关键的技术 限于篇幅和自身水平 只能简而言之 用电能提供几十兆焦的能量不算什么 假设我们要将 2kg 的炮弹加速到 5km 每秒 需要 25 兆焦的电能 这里只是举 例 就假设电能完全转化为机械能吧 大概只相当于 7 度电 可是 我们必须在 1ms 的发射时间内提供这些这些电能 那 就是电源功率要达到 25 千兆瓦 这是一般电源无法提供的 必须使用脉冲功率技术 它的基本原理是 将能量储存在储 能元件中 之后瞬间释放 形成初级脉冲 之后对脉冲进行 压缩 这样形成的毫秒级别的超高功率脉冲电流才能达到要 求 导轨炮的电源要求能提供 级安培的电流 1 10K V 106 的电压 毫秒级别的脉冲宽度 一万亿瓦级别的功率 线圈 炮和重接炮的工作电流小些 但电压需要 10 100KV 左右 另外 对其储存能量 储能密度 机动性 放电频率都有要 求 常用电源有 脉冲功率电容器 补偿脉冲交流发电机 变磁通旋转压缩发生器 特种脉冲磁流体电机等 2 导轨和电枢技术 轨道炮的导轨在发射时会受到强大的排斥力 这点吧友 用左手定则判断吧 在下不贴图了 这个排斥力甚至大于炮 弹所受推进力 F BIL 没办法 谁让导轨长呢 这种情况 下 轨必须具有极好的机械强度 也就是要将导轨可靠的定 位 工作时不能变形 有的导轨炮将导轨嵌入玻璃纤维套中 在导轨和绝缘体中加注环氧树脂 可以承受巨大的斥力 也 有的使用陶瓷绝缘体 获得较长寿命 另外 线圈炮和重接 炮的线圈也受到极大的斥力 有力就有反力 电磁炮可以通 过磁场这种特殊物质改变导轨或线圈的受力方向 但炮弹受 力 导轨或线圈不受力是绝对不可能的 必须有极为可靠的 方式对这些元件进行加固 导轨和的考验还远不止此 在几兆安培的电流下 导轨 和电枢之间的电弧将对它们造成烧蚀 并产生巨大的热量 因此 导轨应该导电性好 强度高 耐热性好 导轨可采用 铜钨合金制成 同时还要以水套通入水甚至液氢来冷却导轨 对电枢来说也是同样的 通常可以使用铜或铝 但发射 速度太快时 电枢将气化 此时只能使用等离子体电枢 炮 弹和导轨之间的气体被电离导电充当了电枢 3 投射体 也就是炮弹啦 它在高速飞行中摩擦生 热十分严重 会导致弹头烧融变形