1、并不神秘的電磁炮筆者混跡科吧數月，閱貼不少，多有受教于眾吧友。常希望用自己所學回饋吧眾。幸虧寸有所長，總算寫成此科普拙文。筆者將使用不超過中學物理課本的知識對大家喜聞樂見的電磁炮的基本原理和技術做一介紹。因能力所限，時間所限（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。也被各國軍方所重視。它具有很多優秀特性。1.速度 常規火藥發射的炮彈受火藥氣體燃燒速度的限制，初速度很難超過2km每秒（根據具體的使用需要從某些迫擊炮的不到200米每秒到坦克炮發射大口徑穿甲彈時的接近2km每秒），即使加大裝藥量也無濟于事。炮口動能則一般不超過10

2、MJ。而電磁炮沒有這個限制，它由電流與磁場的相互作用力提供動力而非高溫氣體膨脹，理論發射速度可達光速。考慮到空氣的阻力，大氣層內的實用初速也可以超過4km每秒。這樣的速度無疑帶來了巨大的摧毀能力和更遠的射程。2. 電磁炮沒有后坐力，更小的震動使得它更加精確。基于更快的速度，它的彈道更加筆直，易于瞄準，大大提高了命中率。3. 射擊時沒有爆炸的聲音和火光，攻擊更加隱蔽。4. 因為炮彈沒有發射藥，更加輕便，可攜帶更多彈藥，減輕后勤壓力（不過這一點嘛，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行調整。6. 電能比火藥要便宜。 常見的電磁炮1. 軌道炮結構和原理最簡單的電磁炮，因而技術

3、也越成熟，距離實用化越近。此結構由兩根平行導軌組成，帶有電樞的炮彈在軌道上滑動。當大電流（可達數百萬安培或更多）通過一根導軌經電樞流向另一根導軌時，在導軌間形成強磁場。電樞受洛倫茲力作用前進。多級導軌炮串聯可獲得更高初速度。單級的導軌電流畢竟有現實方面的限制，可以增加多級導軌，不管速度如何，只要這個電流還在，就能不斷加速（火藥炮就沒這點好處）。它的基本原理十分簡單，就是左手定則和安培定則。（1） 左手定則 左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極（叉進點出），四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導體受力的方向。這個就很好理解了吧！好了，現在我們有了一個超級電源和能受得了超大電流的

4、導軌。還有了能導電的炮彈。可磁場從哪里來呢？要知道普通磁體產生的磁場可是不夠的，能產生幾個特斯拉強磁場的磁體都是巨無霸級別的，幾噸重沒壓力。沒關系，我們的安培定則出場了。1、假設用右手握住通電導線，大拇指指向電流方向，那么彎曲的四指就表示導線周圍的磁場方向。 2、假設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部的磁場方向。一目了然了吧？不信用右手握一下左右兩邊的導線。這樣強大的磁場不能由普通磁體生成，只能在極其強大的電流中產生。導軌炮不但原理較為簡單，其電路各部件的要求也最為現實，因此成為目前最接近實戰的一種。美軍計劃于2011年完成32MJ電磁炮的100發

5、壽命演示。這已經3倍于常規火炮的最大炮口動能。遠期計劃完成64MJ的電磁炮上艦。屆時，軍艦將能夠在數分鐘內使用制導炮彈對幾百公里外的目標實施強力打擊。2.同軸線圈炮好了，現在登場第二種稍微復雜一點的電磁炮結構。其實，線圈炮有數種結構。網絡上對線圈炮的原理解釋主要有兩種，一種說法是驅動線圈對炮彈線圈產生斥力推動炮彈，另一種是驅動線圈對鐵磁性炮彈產生引力推動炮彈。這常使得大家迷惑不解。其實，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電源型和感應型，其基本原理和實現方式都有些許差別。網上的兩種都屬于感應式線圈炮，筆者時間和精力有限，這里只介紹網上的第一種。在此之前

6、，請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  。另外還有一位重量級朋友需要介紹，楞次定律： 閉合回路內部的磁通量趨向于保持不變，如果外界磁場介入使回路磁通增加（減小），則回路中感應電流產生的方向是使得回路內部磁通減小（增加）的方向。一句話：閉合回路的感應電流反抗回路中磁通的變化。現在貼圖加速線圈中依次通入強大的電流產生磁場，與炮彈上纏繞的線圈感應，產生推力。炮彈通過一個線圈后，這個線圈開始作用，上一個線圈斷開，逐級加速。具體原理如下圖文。右方大的加速線圈產生的磁場如圖，使得左邊炮彈線圈內部有了從右向左的磁通，因此，炮彈線

7、圈中的感應電流必然使得其內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：大線圈為驅動線圈，小線圈為炮彈線圈。大線圈電流方向為逆時針，炮彈線圈感生電流為順時針。大線圈產生的磁場方向垂直紙面向外（如圖），這樣，炮彈線圈在每一點上受到來自大線圈的斥力，這個斥力指向線圈中心（請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。 但這個圖也可以看

8、出線圈炮的缺點。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，而推進力損失較大。后面的重接炮可以克服此缺點。 另外通電導線周圍磁場并不是均勻的，而是越靠近導線越大。因此，當炮彈受重力向下方靠近時，受到從下向上的斥力自動增大。如果受到其他方向的擾動，也會在斥力的作用下自動回正。這無疑又是一個讓人滿意的特點。通電線圈對炮彈具有排斥力，這個力也是炮彈的動力。當炮彈通過線圈后，必須立刻對這個線圈加電，以充分利用線圈的磁場。但同時，線圈加電不能過早。如果在炮彈未到達時提前加電，這個線圈對炮彈將造成阻力。這要求每個線圈的精

9、準動作。這需要強大的開關以及其他元件，極為靈敏的反應元件。如果電路加電、斷電和衰減反應不及時，只需差幾十甚至幾個微秒，要么線圈對彈丸加速不徹底，要么反而向后拉彈丸，甚至各個線圈對炮彈的作用力將會出現“頂牛”，整個發射將完全失敗。值得一提的是，線圈炮的各級線圈的匝數是逐級減少的，這是因為炮彈速度越來越快，需要在極短時間內對線圈通電。這時，過大的電感不利于電流的迅速變化。減小匝數就是為了使電感減小到一個較為合理的數值。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。現在以第一種為例介紹其原理。仍然是楞次定律。如上圖：上下方是兩個矩形線框。中間有一個非磁性材料，且為優良導

10、電體的板狀彈丸（如鋁）。彈丸具有一定的初速度，當彈丸完全進入上下兩線框之間，徹底遮斷兩線框時，通入電流（上下均為逆時針，磁力線方向為從下向上）使線框電流達到峰值并切斷電源，將磁能儲存在線框中。 此時板狀體重將產生順時針的渦旋電流并暫時保持，但整個回路在磁場中受力平衡。當板狀體在慣性下前沿運動出線框的時候。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力，而前緣已經移出磁場，因此總體受力向右。重接炮仍然可以通過多級線圈加速。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，歐姆損失也小得多。是未來電磁炮的發展方向之一。電磁炮的基本原理都較為簡單，最簡單的導軌炮已經快要投入

11、使用了。但真實的設計和制造中，仍然有幾座高峰需要攀登：（1） 電源技術這可是最關鍵的技術，限于篇幅和自身水平，只能簡而言之。用電能提供幾十兆焦的能量不算什么，假設我們要將2kg的炮彈加速到5km每秒，需要25兆焦的電能（這里只是舉例，就假設電能完全轉化為機械能吧），大概只相當于7度電。可是，我們必須在1ms的發射時間內提供這些這些電能。那就是電源功率要達到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。它的基本原理是，將能量儲存在儲能元件中，之后瞬間釋放，形成初級脈沖，之后對脈沖進行壓縮，這樣形成的毫秒級別的超高功率脈沖電流才能達到要求。導軌炮的電源要求能提供106 級安培的電流，1

12、-10K V的電壓，毫秒級別的脈沖寬度。一萬億瓦級別的功率。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，對其儲存能量，儲能密度，機動性，放電頻率都有要求。常用電源有：脈沖功率電容器、補償脈沖交流發電機、變磁通旋轉壓縮發生器、特種脈沖磁流體電機等 （2） 導軌和電樞技術 軌道炮的導軌在發射時會受到強大的排斥力，（這點吧友用左手定則判斷吧，在下不貼圖了），這個排斥力甚至大于炮彈所受推進力（F=BIL 沒辦法，誰讓導軌長呢）。這種情況下，軌必須具有極好的機械強度，也就是要將導軌可靠的定位，工作時不能變形。有的導軌炮將導軌嵌入玻璃纖維套中，在導軌和絕緣體中加注環氧樹脂，可以承受

13、巨大的斥力。也有的使用陶瓷絕緣體，獲得較長壽命。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這種特殊物質改變導軌或線圈的受力方向，但炮彈受力，導軌或線圈不受力是絕對不可能的），必須有極為可靠的方式對這些元件進行加固導軌和的考驗還遠不止此，在幾兆安培的電流下，導軌和電樞之間的電弧將對它們造成燒蝕，并產生巨大的熱量。因此，導軌應該導電性好，強度高，耐熱性好。導軌可采用銅鎢合金制成，同時還要以水套通入水甚至液氫來冷卻導軌。對電樞來說也是同樣的，通常可以使用銅或鋁，但發射速度太快時，電樞將氣化，此時只能使用等離子體電樞，炮彈和導軌之間的氣體被電離導電充當了電樞。（3）投射體 也就是炮彈啦。它在高速飛行中摩擦生熱十分嚴重，會導致彈頭燒融變形