电磁炮及其相关材料技术--实验报告

1、电磁炮及其相关材料技术物理学理论的不断发展与完善， 促进了军事能源的不断变革， 促进作战兵器 的不断更新。枪、炮是作战的主要武器之一。随着作战空间的不断加大，火药对 提高炮弹在炮口的发射速度的能力已很有限，很有必要另辟新径。1985 年，美国国防科学委员会在装甲 / 反装甲技术讨论会上就做出结论 : “未来的高性能兵器必然以电能为基础。 ”电磁炮是利用电磁发射技术制成一种 先进的杀伤武器，在未来战争中有着广阔的应用前景。本次试验以电磁炮为切入点， 通过对电磁炮原理和性能的分析讲解， 引出电 磁炮广阔的应用前景和发展阻碍， 并提出解决相关问题的材料学途径， 包括实验 用的可控硅开关、超级电容器、

2、超导材料、纳米技术等等， “一个实验，多项技 术”是在设计整个试验时的思路。实验目的1、理解电磁炮的组成结构及工作原理；2、熟悉增强电磁炮威力的相关技术手段；3、理解可控硅开关控制电路通断和电容器的原理；4、了解在实用化道路上电磁炮需要解决的诸多材料学难题及其解决方案；5、了解电磁炮的优缺点及其在未来战争中的应用。实验原理1、电磁炮的简介及分类 电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。 与传统大炮将火 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产生的洛伦兹力来 对金属炮弹进行加速， 使其达到打击目标所需的动能， 与传统的火药推动的大炮， 电磁炮可大大提高弹丸的速度和射

3、程。根据加速方式，电磁炮分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮。本次试验重 点演示的便是线圈炮。2、基本原理（1）线圈炮线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位 长度的匝数为n，炮筒的内半径为R，螺线管的长度为I。螺线管通入电流i时, 根据电磁学理论，螺线管沿轴的 B - x关系如图1,在螺线管中部磁场均匀，端 口附近磁场发散。螺线管端口附近 p点B的轴向分量为巧=柿夙1-（1）式中卩o为真空磁导率，x为p点坐标。图2线圈炮简单电路图线圈炮的简单电路图如图2所示：220V交流电经过整流器的整流之后变成 直流电，K1接通后，电容C开始充电，等到电容充电完成后，断开 K1。线

4、圈相 当于炮身,在线圈的合适部位装上弹丸，接通 K2,在线圈处便会产生一个由脉冲 电流产生的强大磁场，如公式（1）所示，磁场会驱动铁制弹丸前进，从而将弹 丸发射出去。（2）轨道炮图3导轨炮工作原理导轨炮的工作原理如图3所示，主要由一对平行导轨和夹在其间可移动的电 枢及电源、开关等组成。当开关闭合时，向一条导轨输入强大的电流，经过电枢沿 另一条导轨流回。载流电枢在导轨电流产生的磁场中受到洛伦兹力的作用而被加 速,将弹丸射出。电枢弹丸所受的力可表示为其中F为洛伦兹力（N）、L为导轨电感梯度（H/m）、丨为电流强度（A） 弹丸的加速度则为I4a = F/m = L-f亦，式中a为加速度（m/s2）、

5、m为电枢与弹丸的质量之和（kg）。由（3）式可见,导 轨中的电流强度越大，弹丸的加速度就越大，弹丸的运动速度越快。3、可控硅开关的原理可控硅开关可控硅又叫晶闸管，是晶体闸流管（Thyristor）的简称，俗称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V、“ VT表示。图4可控硅原理图如图4所示，可控硅有四层N、P半导体构成，可以把可从阴极向上数的第、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层组成另一只 PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea,又在控制极G和阴极C之间(相当BG1的基一射间)输入一个正的触发信号,BG1将产生基

6、极电流I bi,经放大，BG1将有一个放大了 B 1倍的集电极电流lei。 因为BG1集电极与BG2基极相连，I ei又是BG2的基极电流I b2。BG2又把比I b2(I bi)放大了 B 2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大，直到BG1 BG2完全导通。实际这一过程是“一触即发”的过程，触发信号加入控制极，可控硅立即导通，时间极短，主要决定于可控硅的性能。可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只 是初始的I b1,而是经过BG1 BG2放大后的电流(B 1* B 2*I b1)这一电流远大于Ib1,足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失

7、，可控硅仍保持导通 状态只有断开电源Ea或降低Ea,使BG1 BG2中的集电极电流小于维持导通的 最小值时，可控硅方可关断作为一种无触点开关，可控硅开关具有反应极快，在微秒级内开通、关断； 无火花、无噪音、效率高、成本低等优点，在本次实验电路的通断中起着重要的 作用。4、实验用(超级)电容器电容就是整个电磁炮的动力来源，它决定了电磁炮的规格，但在实验准备时定要注意电容的选择电容耐压 V 的高低是决定电磁炮威力的重要参数， 理论上电压越大威力也就 越大（指在其他一切条件不发生变化的情况下电压越高弹丸出膛速度越快） ，但 前提在其它电子器件的承受电压范围内。电容的容量 uf 则决定了电容能储存多少

8、电能。选用合理容量的电容器可以 达到最为合适的放电时间， 使电磁炮达到最大的出膛速度。 容量过小， 加速时间 过短，初速也会降低。 容量过大会导致电容给线圈放电时间过长， 当弹丸通过线 圈中点时电容仍在放电，产生的磁力会对弹丸产生一种反向的拉力，降低初速， 这种也称为反拉现象，是应避免的。本次实验使用的是两个并联的铝电解电容器， 这是一种由铝圆筒做负极， 里 面装有液体电解质， 插入一片弯曲的铝带做正极而制成的电容器， 具有电性能好、 适用范围宽、可靠性高等优点。如果想要达到更高的容量， 则可以选用超级电容器， 超级电容器可以是由多 孔炭等材料制成，该材料的多孔结构允许其面积达到 2000m2

9、/g ，通过增大表面积， 从而达到更大的储电量。 应根据预期达到的电磁炮威力的大小、 子弹的种类等合 理地选择电容器。电容充电时， 可以电容上接着电压表， 时刻测量电容的电压， 在最大耐压前 停止充电。本次实验的充电时间大约为 10 秒。6、电磁炮的优缺点优点：（1）电磁推动力大，弹丸速度高，射程远：七倍音速甚至更高，理论射 程可达 300 多公里；（2）弹丸稳定性好；（3）隐蔽性好；（4）弹丸发射能量可调；（5）经济：常规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。应用过程中的障碍：（1）重量、体积大，一般平台无法使用；（2）耗电量大，效率低下，需要高性能的电

10、源；（3）材料性能要求高；（4）炮管发热现象严重，严重可烧毁炮管材料。（5）目前没有合适的作战平台，而作战平台的开发，配套设备（即全数 字化作战系统和全电力作战平台）的研发耗资巨大。7、材料学上的解决方案 随着材料技术的进步，以上电磁炮在实用过程中的问题也逐渐有了解决炮管的发热问题是因为存在电阻，而且加上通过的电流非常大，有时需 要达到上万安，由焦耳定律 Q=I2Rt 可以知道，一定的电阻、强大的电流，即 使在时间很短的情况下也会造成很强烈的发热现象，严重可烧毁炮管材料。 但是如果使用超导材料制作电路和炮管材料， 这个问题便得到了很好的解决， 超导材料电阻为 0，不会有发热现象。但是超导材料的

11、应用也需要满足实战 环境下的耐磨、耐海洋大气环境腐蚀、维修保养、成本等问题，任重而道远。而对于小型化问题，这个则需要借助于纳米技术，采用纳米材料来制作 相关的电子器件，电磁炮小型化的一个关键问题是电源的小型化，要在一个 小的电源上释放出强大的能量，这需要精湛的工艺和先进的材料，通过对目 前美军电磁炮试射可以说明，电源小型化技术已有所突破，有资料表明纳米 技术起了很大的作用。我们相信随着材料技术的进步，以上问题都会迎刃而解，电磁炮也会在 未来的反导、反舰等战争中有着巨大的作用，在航天器的发射等领域也会有 着非同寻常的意义。实验内容1、线圈的绕制从塑料管一段 2 厘米处开始将线圈绕制在塑料管上，

12、每层 40匝，一共缠 绕 5 层，注意绕线圈一定要紧实，可用胶水固定，因为线圈的制作好坏将直 接决定弹丸的初速。图5绕制线圈2、可控硅的检测万用表选电阻R*1Q挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极G,红表笔的引脚为阴极K,另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极 A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极 A和控制极G,此时万用表电阻挡指针应向右偏转， 阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏，不能使用2、电路的焊接图6试验用电路图根据

13、电路图焊接电路，焊接时应注意：（1）焊点要焊接牢固，防止不同焊点之间因为晃动而造成的短路或者断路等现 象。（2）多个电容器应当并联，接入电路时，注意电容的极性，避免反接造成爆炸 等后果。（3）绕制线圈的铜线外有一层绝缘外皮，在焊接时应先去除。（4）焊接完成后应当将裸露在外的焊点用胶带包好，避免短路等后果。（5）为了美观，可将电路器件进行修饰，装在一个容器内，做成一定的形状图7经成员加装外壳后的自行电磁火炮3、电磁炮的试射（1）准备好设计的目标，气球、易拉罐等。（2）用220V交流电对线路进行供电，线路通过整流作用，对电容进行充电，充电完成后断开电源，在电容上可将万用表调制1K档位，观察充电情况，得出电容器充电时间。（3）装填弹丸，注意装填的位置，是弹丸距线圈的中心有一定的距离，但不过 大。（4）确定好距离（适中），瞄准目标，按下触发开关，可控硅导通，强大的电磁 力将弹丸发射出去。4、实验效果经过试验的测定，结果如下：气球，轻松打爆；硬纸板，击穿；图8硬纸板已经击穿易拉罐、硬质奶粉罐，打出一个洞，接近击穿。图9金属罐毁伤效果图实验器材铜线、塑料管、铁制弹丸、导线、铝电解电容器、限流电容、可控硅、整流器、 五号电池、整流二极管、电