电磁炮原理科普

1、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

2、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

3、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）imL电枢磁场 Arm si ur M轴n毗 / Field.AaTTiture385*374磁场MagneticFieldRailguns Magnetic Field Effect汕、中f；Conducting Rail (O负极导轨正极导骂Posits kRail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

4、，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，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

5、住，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

6、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

7、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。现在贴图投射体线圈址 Flid磁场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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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106级安培的电流，110K V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 10-100K V左右。

13、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

14、。（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，使得