1、電磁炮原理科普并不神秘的電磁炮筆者混跡科吧數(shù)月，閱貼不少，多有受教于眾吧友。常希望用自 己所學(xué)回饋吧眾。幸虧寸有所長(zhǎng)，總算寫成此科普拙文。筆者將使用 不超過中學(xué)物理課本的知識(shí)對(duì)大家喜聞樂見的電磁炮的基本原理和 技術(shù)做一介紹。因能力所限，時(shí)間所限（筆者馬上要出差了），只能浮光掠影、走馬觀花，不足和不正確之處，請(qǐng)各位指正。電磁炮是科幻迷們喜聞樂見的未來武器。也被各國(guó)軍方所重視。它具有很多優(yōu)秀特性。1 .速度常規(guī)火藥發(fā)射的炮彈受火藥氣體燃燒速度的限制，初速度很又t超過2km每秒（根據(jù)具體的使用需要從某些迫擊炮的不到 200米每秒到坦克炮發(fā)射大口徑穿甲彈時(shí)的接近 2km每秒），即使加 大裝藥量也無濟(jì)于

2、事。炮口動(dòng)能則一般不超過 10MJ而電磁炮沒有 這個(gè)限制，它由電流與磁場(chǎng)的相互作用力提供動(dòng)力而非高溫氣體膨 脹，理論發(fā)射速度可達(dá)光速?？紤]到空氣的阻力，大氣層內(nèi)的實(shí)用初 速也可以超過4km每秒。這樣的速度無疑帶來了巨大的摧毀能力和更 遠(yuǎn)的射程。2 .電磁炮沒有后坐力，更小的震動(dòng)使得它更加精確?；诟?的速度，它的彈道更加筆直，易于瞄準(zhǔn)，大大提高了命中率。3 .射擊時(shí)沒有爆炸的聲音和火光，攻擊更加隱蔽。4 .因?yàn)榕趶棝]有發(fā)射藥，更加輕便，可攜帶更多彈藥，減輕后 勤壓力（不過這一點(diǎn)嘛，電源的重量可就另算了。）5 .炮口初速度可以通過電流大小進(jìn)行調(diào)整。6 .電能比火藥要便宜。常見的電磁炮1.軌道炮

3、結(jié)構(gòu)和原理最簡(jiǎn)單的電磁炮，因而技術(shù)也越成熟，距離實(shí)用化 越近。Railguns Magnetic Field Effectur尋出klagjH.Ti 匚/ Field驅(qū)動(dòng)電流磁場(chǎng)正極導(dǎo)多 Posits k Condd-ttingRail忖餌JMi府 Conducting R削I （O負(fù)極導(dǎo)軌211«在2020-2。22何麗懶罟385*374- cnwec此結(jié)構(gòu)由兩根平行導(dǎo)軌組成，帶有電樞的炮彈在軌道上滑動(dòng)。當(dāng)大 電流（可達(dá)數(shù)百萬安培或更多）通過一根導(dǎo)軌經(jīng)電樞流向另一根導(dǎo)軌 時(shí)，在導(dǎo)軌間形成強(qiáng)磁場(chǎng)。電樞受洛倫茲力作用前進(jìn)。多級(jí)導(dǎo)軌炮串 聯(lián)可獲得更高初速度。單級(jí)的導(dǎo)軌電流畢竟有現(xiàn)實(shí)方面的

4、限制， 可以增加多級(jí)導(dǎo)軌，不管速度如何，只要這個(gè)電流還在，就能不斷加速（火藥炮就沒這點(diǎn)好處）。它的基本原理十分簡(jiǎn)單，就是左手定則和安培定則。（1）左手定則左手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極（叉進(jìn)點(diǎn) 出），四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力的方向。這個(gè)就很好理解了吧!好了，現(xiàn)在我們有了一個(gè)超級(jí)電源和能受得了超大電流的導(dǎo)軌。還有了能導(dǎo)電的炮彈?？纱艌?chǎng)從哪里來呢？要知道普通磁體 產(chǎn)生的磁場(chǎng)可是不夠的，能產(chǎn)生幾個(gè)特斯拉強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體都是巨 無霸級(jí)別的，幾噸重沒壓力。沒關(guān)系，我們的安培定則出場(chǎng)了。1、假設(shè)用右手握住通電導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，那么彎曲的四指就表示導(dǎo)線周圍的磁

5、場(chǎng)方向。 2、假設(shè)用右手握住通電 螺線管，彎曲的四指指向電流方向，那么大拇指的指向就是通電 螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)方向。一目了然了吧？不信用右手握一下左右兩邊的導(dǎo)線這樣強(qiáng)大的磁場(chǎng)不能由普通磁體生成，只能在極其強(qiáng)大的電流中 產(chǎn)生。導(dǎo)軌炮不但原理較為簡(jiǎn)單，其電路各部件的要求也最為現(xiàn)實(shí)，因此成為目前最接近實(shí)戰(zhàn)的一種美軍計(jì)劃于2011年完成32MJ電磁炮的100發(fā)壽命演示。這已經(jīng) 3倍于常規(guī)火炮的最大炮口動(dòng)能。 遠(yuǎn)期計(jì)劃完成64MJ的電磁炮上艦。屆時(shí)，軍艦將能夠在數(shù)分鐘內(nèi)使用制導(dǎo)炮彈對(duì)幾百公里外的目標(biāo)實(shí)施 強(qiáng)力打擊。2.同軸線圈炮好了，現(xiàn)在登場(chǎng)第二種稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電磁炮結(jié)構(gòu)。其實(shí)，線圈炮有數(shù)種結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)上對(duì)

6、線圈炮的原理解釋主要有兩種，一種說法是驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)炮彈線圈產(chǎn)生斥力推動(dòng)炮彈，另一種是驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)鐵磁性炮彈產(chǎn)生引力推動(dòng)炮彈。這常使得大家迷惑不解。其實(shí)，這兩種說法都是正確的。不同于軌道炮，線圈炮按照炮彈線圈是否連接電源可以分為兩類一一電源型和感應(yīng)型，其基本原理和實(shí)現(xiàn)方式都有些許差別。網(wǎng)上的兩種都屬于感應(yīng)式線圈炮， 筆者時(shí)間和精力有限，這里只介紹網(wǎng)上的第一種。在此之前，請(qǐng)安培定則再亮相一次用右手握螺線管，讓四指指向螺線管中電流的方向， 那么大 拇指所指的那端就是螺線管的 N級(jí) 。另外還有一位重量級(jí)朋友需要介紹，楞次定律：閉合回路內(nèi)部的磁通量趨向于保持不變， 如果外界磁場(chǎng)介入 使回路磁通增加（減?。?，

7、則回路中感應(yīng)電流產(chǎn)生的方向是使得 回路內(nèi)部磁通減?。ㄔ黾樱┑姆较?。一句話：閉合回路的感應(yīng)電流反抗回路中磁通的變化。現(xiàn)在貼圖加速線圈中依次通入強(qiáng)大的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)， 與炮彈上纏繞的線圈感應(yīng)，產(chǎn)生推力。炮彈通過一個(gè)線圈后，這個(gè)線圈開始作用, 上一個(gè)線圈斷開，逐級(jí)加速。具體原理如下圖文。右方大的加速線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖，使得左邊炮彈線圈內(nèi)部有 了從右向左的磁通，因此，炮彈線圈中的感應(yīng)電流必然使得其內(nèi) 部的磁通為從左向右。那么 N, S磁極也就確定了。那么，作用 力必然向左啦。線圈炮可是有一個(gè)大好處，如上圖，炮彈線圈與加速線圈磁 極相反，線圈中電流流向也相反，因而在炮管（把炮彈的通路仍 叫做炮管吧）中受到

8、加速線圈徑向上的斥力因而能夠懸浮在炮管 中。炮彈與炮管中不存在摩擦燒蝕，也減小了能量的損失。.如上圖：大線圈為驅(qū)動(dòng)線圈，小線圈為炮彈線圈。大線圈電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，炮彈線圈感生電流為順時(shí)針。大線圈產(chǎn)生 的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外（如圖），這樣，炮彈線圈在每一點(diǎn)上 受到來自大線圈的斥力，這個(gè)斥力指向線圈中心（請(qǐng)讀者自己用 右手定則判斷）。這就是線圈炮的炮彈可以懸浮的原因。但這個(gè)圖也可以看出線圈炮的缺點(diǎn)。很明顯，它的軸向磁通 提供了徑向懸浮力，而徑向磁通提供的才是推進(jìn)力。 而螺線管的 軸向磁通空間上更為密集，這使得過多的能量被用在懸浮上，而 推進(jìn)力損失較大。后面的重接炮可以克服此缺點(diǎn)。另外通電導(dǎo)線周圍磁

9、場(chǎng)并不是均勻的，而是越靠近導(dǎo)線越大。因此，當(dāng)炮彈受重力向下方靠近時(shí)，受到從下向上的斥力自動(dòng)增大。如果受到其他方向的擾動(dòng)，也會(huì)在斥力的作用下自動(dòng)回正。這無疑又是一個(gè)讓人滿意的特點(diǎn)。通電線圈對(duì)炮彈具有排斥力，這個(gè)力也是炮彈的動(dòng)力。當(dāng)炮 彈通過線圈后，必須立刻對(duì)這個(gè)線圈加電，以充分利用線圈的磁 場(chǎng)。但同時(shí)，線圈加電不能過早。如果在炮彈未到達(dá)時(shí)提前加電，這 個(gè)線圈對(duì)炮彈將造成阻力。這要求每個(gè)線圈的精準(zhǔn)動(dòng)作。這需要強(qiáng)大的開關(guān)以及其他 元件，極為靈敏的反應(yīng)元件。如果電路加電、斷電和衰減反應(yīng)不 及時(shí)，只需差幾十甚至幾個(gè)微秒，要么線圈對(duì)彈丸加速不徹底， 要么反而向后拉彈丸，甚至各個(gè)線圈對(duì)炮彈的作用力將會(huì)出現(xiàn)

10、“頂牛”，整個(gè)發(fā)射將完全失敗。值得一提的是，線圈炮的各級(jí)線圈的匝數(shù)是逐級(jí)減少的， 這 是因?yàn)榕趶椝俣仍絹碓娇?，需要在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)線圈通電。這時(shí)， 過大的電感不利于電流的迅速變化。 減小匝數(shù)就是為了使電感減 小到一個(gè)較為合理的數(shù)值。3.重接炮重接炮算是一種特殊的線圈炮，主要有板狀彈丸重接炮和柱狀 彈丸重接炮?，F(xiàn)在以第一種為例介紹其原理。仍然是楞次定律。如上圖：上下方是兩個(gè)矩形線框。中間有一個(gè)非磁性材料，且 為優(yōu)良導(dǎo)電體的板狀彈丸（如鋁）。彈丸具有一定的初速度，當(dāng) 彈丸完全進(jìn)入上下兩線框之間，徹底遮斷兩線框時(shí)，通入電流（上 下均為逆時(shí)針，磁力線方向?yàn)閺南孪蛏希┦咕€框電流達(dá)到峰值并 切斷電源，將磁能

11、儲(chǔ)存在線框中。此時(shí)板狀體重將產(chǎn)生順時(shí)針的渦旋電流并暫時(shí)保持，但整個(gè) 回路在磁場(chǎng)中受力平衡。當(dāng)板狀體在慣性下前沿運(yùn)動(dòng)出線框的時(shí) 候。受力平衡被打破。板狀體后緣的的電流使其受到向右的推動(dòng) 力，而前緣已經(jīng)移出磁場(chǎng)，因此總體受力向右。重接炮仍然可以通過多級(jí)線圈加速。重接炮彈丸同樣是懸浮 的，但徑向分力很小，而軸向加速的磁力極大。同時(shí)，歐姆損失也小得多。是未來電磁炮的發(fā)展方向之一。電磁炮的基本原理都較為簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的導(dǎo)軌炮已經(jīng)快要投 入使用了。但真實(shí)的設(shè)計(jì)和制造中，仍然有幾座高峰需要攀登： (1)電源技術(shù)這可是最關(guān)鍵的技術(shù)，限于篇幅和自身水平，只能簡(jiǎn)而言之。用電能提供幾十兆焦的能量不算什么，假設(shè)我們要將

12、2kg的炮彈加速到5km每秒，需要25兆焦的電能(這 里只是舉例，就假設(shè)電能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能吧)，大概 只相當(dāng)于7度電?？墒牵覀儽仨氃?ms的發(fā)射時(shí)間內(nèi) 提供這些這些電能。那就是電源功率要達(dá)到25千兆瓦。 這是一般電源無法提供的，必須使用脈沖功率技術(shù)。它 的基本原理是，將能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，之后瞬間釋 放，形成初級(jí)脈沖，之后對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，這樣形成的 毫秒級(jí)別的超高功率脈沖電流才能達(dá)到要求。導(dǎo)軌炮的電源要求能 提供級(jí)安培的電 流，1-10K V的電壓，毫秒級(jí)別的脈沖寬度。一萬億瓦級(jí) 別的功率。線圈炮和重接炮的工作電流小些，但電壓需 要10-100KV左右。另外，對(duì)其儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)能密度， 機(jī)

13、動(dòng)性，放電頻率都有要求。常用電源有：脈沖功率電 容器、補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)、變磁通旋轉(zhuǎn)壓縮發(fā)生器、 特種脈沖磁流體電機(jī)等（2）導(dǎo)軌和電樞技術(shù)軌道炮的導(dǎo)軌在發(fā)射時(shí)會(huì)受到強(qiáng)大的排斥力，（這點(diǎn) 吧友用左手定則判斷吧，在下不貼圖了），這個(gè)排斥力 甚至大于炮彈所受推進(jìn)力（F=BIL沒辦法，誰讓導(dǎo)軌 長(zhǎng)呢）。這種情況下，軌必須具有極好的機(jī)械強(qiáng)度，也 就是要將導(dǎo)軌可靠的定位，工作時(shí)不能變形。有的導(dǎo)軌 炮將導(dǎo)軌嵌入玻璃纖維套中，在導(dǎo)軌和絕緣體中加注環(huán) 氧樹脂，可以承受巨大的斥力。也有的使用陶瓷絕緣體， 獲得較長(zhǎng)壽命。另外，線圈炮和重接炮的線圈也受到極 大的斥力。（有力就有反力，電磁炮可以通過磁場(chǎng)這種 特殊物質(zhì)改變導(dǎo)軌或線圈的受力方向，但炮彈受力，導(dǎo) 軌或線圈不受力是絕對(duì)不可能的），必須有極為可靠的 方式對(duì)這些元件進(jìn)行加固導(dǎo)軌和的考驗(yàn)還遠(yuǎn)不止此，在幾兆安培的電流下， 導(dǎo)軌和電樞之間的電弧將對(duì)它們?cè)斐蔁g， 并產(chǎn)生巨大 的熱量。因此，導(dǎo)軌應(yīng)該導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高，耐熱性好。 導(dǎo)軌可采用銅鴇合金制成，同時(shí)還要以水套通入水甚至 液氫來冷卻導(dǎo)軌。對(duì)電樞來說也是同樣的，通常可以使用銅或鋁，但 發(fā)射速度太快時(shí)，電樞將氣化，此時(shí)只能使用等離子體 電樞，炮彈和導(dǎo)軌之間的氣體被電離導(dǎo)電充當(dāng)了電樞。(3)投射體 也就是炮彈啦。它在高速飛行中摩擦生熱十分嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致彈頭