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有關(guān)電磁炮的一些理解
有關(guān)電磁炮的一些理解
(理學(xué)院 10122543 宋博藝)
一、前言：
電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器．與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璨煌�，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場(chǎng)的作用力，其作用的時(shí)間要長(zhǎng)得多，可大大提高彈丸的速度和射程．因而引起了世界各國(guó)軍事家們的關(guān)注．自80年代初期以來(lái)，電磁炮在未來(lái)武器的發(fā)展計(jì)劃中，已成為越來(lái)越重要的部分．
二、問題： 1、電磁炮在炮彈發(fā)射出去后，因?yàn)榭諝庾枇εc速度的平方甚至更高次方成正比，造成炮彈速度迅速減小，這就需要消耗更多的能量。因?yàn)殡姶排趯儆趧?dòng)能殺傷武器，速度有至關(guān)重要的作用，所以必須解決空氣阻力和初速度不夠高的問題；
2、目前電磁炮能夠發(fā)射的炮彈質(zhì)量仍然不大，這是加速能力不足造成的。加速炮彈的力與磁場(chǎng)和電流之積成正比，因此如何獲得足夠強(qiáng)的電流和足夠強(qiáng)的電場(chǎng)也是需要解決的問題。要獲得足夠強(qiáng)的加速磁場(chǎng)一般靠超導(dǎo)磁體。用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)已是相對(duì)成熟的技術(shù)，但超導(dǎo)磁體需要冷卻到很低溫度(如液氦溫度，約-269°C)才能發(fā)揮作用，這對(duì)于軍事是個(gè)問題，會(huì)大大降低發(fā)射裝置的靈活性；
3、如果要提高炮彈的初速度和加速能力，就需要強(qiáng)電流和強(qiáng)磁場(chǎng)，但也正由于會(huì)帶來(lái)大電流發(fā)熱問題和炮身腐蝕問題。同時(shí)由于電磁炮作為武器裝備，勢(shì)必要保持一定的尺寸以保持足夠的靈活性。所以對(duì)電磁炮的加速能力會(huì)進(jìn)一步提高要求。
三、解決方案：
1、傳統(tǒng)電磁炮：
（1）線圈炮：線圈炮又稱交流同軸線圈炮．由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成．根據(jù)通電線圈之間磁場(chǎng)的相互作用原理而工作的．加速線圈固定在炮管中，當(dāng)它通入交變電流時(shí)，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)就會(huì)在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流．感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與加速線圈電流的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生洛侖茲力，使彈丸加速運(yùn)動(dòng)并發(fā)射出去。這是電磁炮最早的設(shè)計(jì)形式。但是感應(yīng)電流不可能很大，同時(shí)由于彈丸線圈允許通過的最大電流的限制，從而限制了加速．
（2）軌道炮：軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去．它由兩條平行的長(zhǎng)直導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸．當(dāng)兩軌接人電源時(shí)，強(qiáng)大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時(shí)，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會(huì)以很大的速度射出，但是如果長(zhǎng)期電流強(qiáng)度過大會(huì)造成炮身腐蝕，
而且此電磁炮原理與滑膛槍又些類似，彈丸在空中飛行時(shí)容易造成飛行不穩(wěn)和落點(diǎn)誤差，也會(huì)減小殺傷力．
軌道炮
（3）電熱炮：電熱炮的原理完全不同于上大學(xué)網(wǎng)述兩種電磁炮，其結(jié)構(gòu)也有多種形式．最簡(jiǎn)單的一種是采用一般的炮管，管內(nèi)設(shè)置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端．當(dāng)?shù)入x子體燃燒器兩極間加上高壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一道電弧，使放在兩極間的等離子體生成材料（如聚乙烯）蒸發(fā)．蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速．此類電磁炮仍未脫離傳統(tǒng)火炮的工作模式，仍然采用熱膨脹氣體推動(dòng)。容易使炮管發(fā)熱，影響工作效率及精度，對(duì)材料也有一定的要求，不但需要炮身有良好的抗溫差性能和抗高溫性能，還有有足夠的導(dǎo)電部分和絕緣部分，對(duì)等離子體生成材料也需要考慮。另外還有廢氣和污染問題。
（4）重接炮：重接炮是一種多級(jí)加速的無(wú)接觸電磁發(fā)射裝置，沒有炮管，但要求彈丸在進(jìn)入重接炮之前應(yīng)有一定的初速度．其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個(gè)矩形線圈上下分置，之間有間隙．長(zhǎng)方形的“炮彈”在兩個(gè)矩形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用，穿過間隙在其中加速前進(jìn)．重接炮是電磁炮的最新發(fā)展形式．此類電磁炮仍受到尺度，電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。但由于電流強(qiáng)度主要由炮身矩形線圈的線路決定，可大大提高發(fā)射速度。
2、部分設(shè)想及解決方案概述：（以下設(shè)計(jì)中彈丸均設(shè)計(jì)為流線型，部分特殊說(shuō)明的需再添加尾翼或微小側(cè)翼。）
（1）采用軌道炮的模型，但所加強(qiáng)電流采用大電容蓄電瞬間釋放的方法�？上扔酶邏簩�(duì)大電容進(jìn)行充電，在發(fā)射彈丸時(shí)使其瞬間將所蓄電荷全部放出，造成瞬間大電流。至于強(qiáng)磁場(chǎng)的獲得也可由類似的方法產(chǎn)生瞬間強(qiáng)磁場(chǎng)。為保持同步性最好使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。也可由幾個(gè)小容量電容串聯(lián)獲得此效果。而且可以利用電容的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)射程。若是固定地面設(shè)施在條件允許的條件下還可以使用高溫超導(dǎo)材料，從而進(jìn)一步提高電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于電容充電放電的速度較快，但有適當(dāng)間隔，故彈丸可以進(jìn)行連發(fā)，進(jìn)行快速區(qū)域性打擊，也可用于快速防空。（需要加尾翼）
固定發(fā)射臺(tái)的電磁炮
艦載式電磁炮
陸基式電磁炮
2、在軌道炮或重接炮的基礎(chǔ)上，對(duì)彈丸和炮身進(jìn)行部分改造。彈丸使用傳統(tǒng)彈丸模式。在彈頭后添加少量固體火藥。利用火藥燃燒產(chǎn)生的沖擊力將彈丸提升至一個(gè)速度水平。此階段在一段較細(xì)的管內(nèi)進(jìn)行。管內(nèi)設(shè)膛線，使彈頭開始旋轉(zhuǎn)，從而在飛行中保持穩(wěn)定。在該段管口處加設(shè)一塊橡膠薄膜，以避免熱氣流對(duì)電磁加速部分產(chǎn)生干擾和影響，也可降低發(fā)射時(shí)的噪音，提高隱蔽性。在進(jìn)入電磁加速區(qū)域時(shí)可采用（1）中所述的大電容瞬間高壓法進(jìn)一步提升彈丸的速度。從而將彈丸的速度提升至一個(gè)較高的水平，同時(shí)旋轉(zhuǎn)保持平衡和精確性。也可由普通高壓對(duì)其加速以利用攜帶，提高機(jī)動(dòng)性。由于此類電磁炮可在較短的距離內(nèi)加速至一個(gè)客觀的程度。故可用于單兵攻防，反裝甲武器以及車載型防空設(shè)施等。
電磁炮中的磁場(chǎng)分布
3、還可以以軌道炮等作為模版將彈丸前半部分和后半部分絕緣，前半部分采用向電壓，而尾部則采用正向電壓，同時(shí)使用機(jī)械對(duì)彈丸進(jìn)行壓制。發(fā)射開始時(shí)正反電壓平衡，在正向電壓超過逆向電壓及機(jī)械阻力達(dá)到最大
值的同時(shí)帶動(dòng)逆向電壓開關(guān)及機(jī)械開關(guān)，產(chǎn)生最大的加速度，從而可以使彈丸有一個(gè)相對(duì)較大的初速度。但此方法易造成炮身腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命，發(fā)射時(shí)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。不過可以發(fā)射較大的彈丸，同時(shí)提高射程。特別用做陸基時(shí)，可以采用公里級(jí)直線加速器，以及高溫超導(dǎo)材料等都可以大幅度提高發(fā)射速度并提高射程。宜用作遠(yuǎn)距離、超遠(yuǎn)距離常規(guī)打擊以及天基反導(dǎo)系統(tǒng)。（需加設(shè)尾翼，若需旋轉(zhuǎn)可使用側(cè)翼并輔以低壓正交磁場(chǎng)。）
可裝備于軍艦進(jìn)行遠(yuǎn)距離打擊的電磁軌道炮
四、尚未解決的問題：
由于目前的各種設(shè)施的限制無(wú)法產(chǎn)生太高的電壓，或是產(chǎn)生高壓的儀器不利于攜帶，致使電磁炮的體積一直無(wú)法縮小，從而限制了它的使用。所以應(yīng)該積極尋找小體積高電壓產(chǎn)生裝置及高效儲(chǔ)能裝置以解決電磁炮的體積縮小化問題。電磁炮的彈丸在射出時(shí)為直線或拋物線，彈體本身不旋轉(zhuǎn)，應(yīng)該采取設(shè)置膛線或微小側(cè)翼加正交磁場(chǎng)的方法使彈丸旋轉(zhuǎn)從而保持穩(wěn)定性并加大殺傷力。以及如何最大程度的減小空氣阻力維持原動(dòng)能。
五、后記
電磁泡與常規(guī)火炮相比，有以下特點(diǎn)：
電磁炮利用電磁力所作的功作為發(fā)射能量，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和彌漫的煙霧，因而具有良好的隱蔽性．電磁炮可根據(jù)目標(biāo)的性質(zhì)和距離，調(diào)節(jié)、選擇適當(dāng)?shù)哪芰縼?lái)調(diào)整彈丸的射程．
從發(fā)射能量的成本來(lái)看，常規(guī)火炮的發(fā)射藥產(chǎn)生每兆焦耳能量需10美元，而電磁炮只需0.1美元．
電磁炮作為發(fā)展中的高技術(shù)兵器，其軍事用途十分廣泛．
（一）用于天基反導(dǎo)系統(tǒng)：電磁炮由于初速度極高，可用于摧毀空間的低軌道衛(wèi)星和導(dǎo)彈，還可以攔截由艦只和裝甲發(fā)射的導(dǎo)彈．因此，在美國(guó)的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃中，電磁軌道炮成為一項(xiàng)主要研究的任務(wù)．
（二）用于防空系統(tǒng)：美軍認(rèn)為可用電磁炮代替高射武器和防空導(dǎo)彈遂行防空任務(wù)．美國(guó)正在研制長(zhǎng)7.5米、發(fā)射速度為500發(fā)／分、射程達(dá)幾十千米的電磁炮，準(zhǔn)備替代艦上的“火神——方陣防空系統(tǒng)”．用它不
僅能打擊臨空的各種飛機(jī)，還能在遠(yuǎn)距離攔截空對(duì)艦導(dǎo)彈．英國(guó)也正在積極研制用于裝甲車的防空電磁炮．
（三）用于反裝甲武器：美國(guó)的打靶試驗(yàn)證明，電磁炮是對(duì)付坦克裝甲的有效手段．發(fā)射質(zhì)量為50克、速度為3km/s的炮彈，可穿透25.4mm厚的裝甲．有關(guān)資料還報(bào)道，用一種電磁炮做試驗(yàn)，完全可以穿透模擬的T－72、T－80坦克的裝甲厚度．由此可見，電磁炮具有很強(qiáng)的穿透能力，是非常優(yōu)良的反裝甲武器．
（四）用于改裝常規(guī)火炮：隨著電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，在普通火炮的炮口加裝電磁加速系統(tǒng)，可大大提高火炮的射程．美國(guó)利用這一技術(shù)，已將火炮射程加大到150km．
基本上發(fā)達(dá)國(guó)家都有在研究，我國(guó)也在研究
六、文獻(xiàn)來(lái)源：
（1）百度百科——電磁炮；
（2）百度文庫(kù)——電磁炮；
（3）百度圖片——電磁炮。及其他部分相關(guān)資源。
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