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南京理工大学机械工程学院课程论文课程名称：新概念武器论文题目：电磁炮概论姓名：学号：学校：成绩：得分明细及权重：内容准确性（60%）书写符合要求（24%）参考文献（10%）按时交论文（6%）得分任课老师签名：1电磁炮概论赵豪杰9131042102913104210237（南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094）摘要：电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。与传统的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的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。因而引起了世界各国军事家们的关注。自20世纪80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的一部分。关键词：动能武器,电磁发射,轨道,线圈1引言电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力(即洛伦兹力)作用的基本原理来加速弹丸的。根据加速方式,电磁炮可分为导轨炮和线圈炮以及电热炮和重接炮。1.1概念1.1.1线圈炮线圈炮又称交流同轴线圈炮。它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成。根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生洛仑兹力，使弹丸加速运动并发射出去．1.1.2轨道炮（导轨炮）轨道炮(导轨炮)是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。当两轨接人电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间2产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理。导轨炮的导轨有单一、串联、并联和多层等不同结构形式,根据导轨的形式,炮口截面可选用方形、圆形和椭圆形等。电枢主要有固态金属电枢、等离子体电枢和混合型电枢等种类。提供脉冲功率的电源主要有电容器组、高性能蓄电池、各种单极发电机、脉冲变压器、强制发电机和爆炸发电机,以及计划研制的超导储能系统等。整个系统结构复杂,人工操作比较困难,通常由计算机控制[1]。1.1.3电热炮电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式．最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端。当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发。蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速。1.1.4重接炮重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度。其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙、长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进。重接炮是电磁炮的最新发展形式。2研制背景19世纪早在19世纪，科学家已发现磁场中的电荷和电流会受到洛仑兹力的作用。20世纪初，有人提出利用洛仑兹力发射炮弹的设想。在两次世界大战中，法国、德国和日本都曾研究过电磁炮。第二次世界大战以后，其他国家也进行过这方面的研究。在1845年，查尔斯·惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛3射到20米远。此后，德国数学家柯比又提出了用电磁推进方法制造电气炮的设想。而第一个正式提出电磁发射/电磁炮概念并进行试验的是挪威奥斯陆大学物理学教授伯兰克。他在1901年获得了电火炮专利。1920年，法国的福琼·维莱普勒发表了《电气火炮》文章。几乎同时，美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。二战期间，在军事需求的刺激下，德国、日本都研制过电磁炮。德国的汉斯莱曾将10克弹丸用电磁炮加速到1.2公里/秒的初速。二战时期但是在二战后，关于电磁炮的消息就比较少了，人们似乎更加关心磁悬浮与高温超导技术了。纠其原因，大概是解决不了瞬时巨大能源供应的稳定性和小型化问题。20世纪70年代后期自20世纪70年代初以来，与电磁发射有关的技术取得了重大进展。澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置，将3克重的塑料块（炮弹）加速到6000米/秒的速度。此后，澳、美科学家制造了不同类型的实验样机，并进行过多次发射实验。用单极发电机供电的电磁炮，已能把318克重的炮弹加速到4200米/秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将2克重的炮弹加速到11000米/秒的速度。20世纪70年代，澳大利亚国立大学的查里德·马歇尔博士运用新技术，把3克弹丸加速到了5.9公里/秒。这一成就从实验上证明了用电磁力把物体推进到超高速度是可行的。他的成就1978年公布后，引起了各国军方的特别关注，美国国防委员会得出未来高性能武器必然以电能为基础的结论。美国防部成立了电磁炮联合委员会，协调军队、能源部、国防原子能局及战略防御倡议机构分散进行的电炮研究工作。1992年，美国已把一门口径90毫米、炮口动能9兆焦的电磁炮样炮推到尤马靶场进行试验。电磁炮从实验室到靶场说明，电源小型化技术已有所突破。2013年11月20日出版的《简式防务周刊》以神秘超级大炮藏身中国沙漠为题报道称，卫星图象显示中国包头市西北方的一个所谓装甲设备与火炮测试中4心，有两门非同寻常的超级火炮，它们分别长约26米和33.5米，这两门超级火炮各自被固定在混凝土基座上，这个混凝土基座曾与2010年9月至2012月12月期间现身，当时卫星图像首次捕捉到了这两门火炮的身影。报道称，最新的卫星照片显示，这两门火炮2013年7月仍在原处。而在2011年拍摄的卫星照相中，尺寸更大的那门所谓火炮前方，有一系列似乎是靶标的物体。报道猜测，这显示该处正在对高速炮弹进行穿透力测试。2014年1月17日电据中国国防科技信息网报道，美国海军的电磁轨道炮项目已经进入了第二阶段，美海军领导希望这种武器在未来能够装备到海军舰艇上2014年1月15日，美国海军研究实验室负责人马修·库伦德少将介绍称，该项目已经完成了第一阶段(原型机研发阶段)，已经研制了2套工业电磁轨道炮系统原型，项目已经进入第二阶段，海军及工业部门将测试在一分钟内进行多轮发射。库伦德对即将在白沙靶场进行导轨炮8连射测试结果充满信心。陆地试射北京时间2010年12月12日消息，美国研发的强力武器电磁轨道炮离成功再迈进一步。海军在前日的试射中，将电磁炮以音速5倍的极速，击向200公里外目标，射程为海军常规武器的10倍，且破坏力惊人，是至今试射的最佳成果。美军目标在8年内进行海上实测，并于2025年前正式配备于军舰上。美国海军前日在弗吉尼亚州达尔格伦水面作战中心，先后两次试射电磁炮。电磁炮主要由两条「轨道」组成，炮身装在拖车大小的长方形枪管，轨道中间放着铝制20磅炮弹。电磁炮接上电源后，电流会通过两条轨道，从而生成强大推力，将铝弹以高速弹射。两次试射所生成的能量，分别达33兆和32兆焦耳，打破于2008年创下的10兆焦耳纪录。1兆焦耳能量相当于1吨重汽车以时速160公里行驶，电磁炮威力可想而知。除威力外，33兆焦耳下发射的炮弹射程较现时常规武器远10倍，亦是电磁炮一大优势。但美军最终实战配备目标是64兆焦耳级电磁炮，届时射程最远可达321公里，可让军舰在敌舰射程范围外发动攻击。“星战”计划至今投放16亿5电磁炮曾是冷战时代美国“星球大战”军备计划的重点项目，被视为对抗核弹的秘密武器。美国海军于2005年重新启动电磁炮研究，至今投放2.11亿美元。海军研究所所长卡尔表示，电磁炮优点众多，首先是射速快，不会像巡航导弹般出现目标移走或落空等问题，配合全球定位系统（GPS）更可进一步提高准绳度。此外，由于电磁炮毋须火药，既可提升船员安全，亦可令军舰携带炮弹数量增加10倍。2010年12月6日，美国通用原子公司公司宣布，该公司研制的Blitzer防空型电磁轨道炮的样炮已经于9月在美国陆军杜格威试验场成功试射了空气动力学弹丸。该次试验是根据与海军研究办公室签订的合同进行的，成功演示了具有战术价值的电磁导轨发射装置、脉冲电源系统和弹丸的集成和能力。试验中使用的弹丸由波音公司研制，飞行速度达到5马赫，飞行加速度达到60000g，试验还演示了电枢分离和稳定飞行。海上试射美将启动电磁炮海上试射计划炮弹成本仅为导弹1%2014年4月10日，据新加坡联合早报网报道，美国海军将启动电磁炮海上试射计划，利用电磁可发射音速七倍的高速轻型炮弹。报道称，该未来型电磁炮已在地面展开广泛试射，接下来将安装在美国海军快速舰“米利诺基特号”，并在2016年进行海上试射。美国海军研究部主任克隆德海军少将在一项军方科技圆桌会议上透露，“这已是真实的，不是科幻小说，你可以亲眼看它发射。”克隆德将在华盛顿附近举行的海空宇航科技博览会上，同美军及国防科技业者讨论电磁炮系统的研发进展。克隆德说：“它将协助加强美国的空防、巡航导弹防卫及弹道导弹防卫。这类大炮炮弹的成本，仅是目前一枚导弹的百分之一[2]。”3关键技术3.1轨道的抗烧蚀技术轨道的烧蚀问题一直是影响电磁轨道炮发展与应用的技术瓶颈。经过多年的6研究和探索,轨道的抗烧蚀技术取得了重大突破,获得了阶段性研究成果,证明解决途径的正确性;但距离这一问题的完全解决,实现预期的轨道发射寿命,还有相当大的工作量。3.2超高速、远程弹丸技术电磁炮弹丸初速高,承受的过载大,飞行距离远。要求其内部的导航/制导部件具有抗高过载的能力;弹丸的空气动力学特性也需要特殊设计;与电枢等机构的组合及分离技术。3.3高功率脉冲电源技术美海军预期的舰载电磁轨道炮需要能在8～12ms内提供电流平均值5MA的脉冲电源,所需要的总能量将近200MJ。因此,电源系统要解决能量的快速吸收与存储、电流波形的形成与整形、强电流的监测与开关控制等技术问题。3.4热管理技术对电磁炮而言,目前实验室内的单次发射试验还未真正涉及到系统的热管理问题。但在将来实际应用中,对于按照一定的发射率执行火力支援任务的电磁轨道炮而言,系统的热管理问题极为重要,必须采用综合性的散热和冷却技术措施,实现系统内热载荷的平衡。3.5发射系统的工程化应用优化发射系统中轨道和绝缘机构的材料设计、结构设计,以及生产中的制造工艺性问题;并进行疲劳试验和研究,解决发射系统在多次循环发射应力作用下的耐受性。3.6适装性研究解决电磁炮系统的电磁兼容性,发射声场特性及其与舰载平台的适配性等问题[3]。4典型产品电磁炮作为发展中的高技术兵器，其军事用途十分广泛．4.1用于天基反导系统：7电磁炮由于初速度极高，可用于摧毁空间的低轨道卫星和导弹，还可以拦截由舰只和装甲发射的导弹．因此，在美国的“星球大战”计划中，电磁轨道炮成为一项主要研究的任务．4.2用于防空系统：美军认为可用电磁炮代替高射武器和防空导弹遂行防空任务．美国正在研制长7.5米、发射速度为500发／分、射程达几十千米的电磁炮，准备替代舰上的“火神——方阵防空系统”．用它不仅能打击临空的各种飞机，还能在远距离拦截空对舰导弹．英国也正在积极研制用于装甲车的防空电磁炮．4.3用于反装甲武器：美国的打靶试验证明，电磁炮是对付坦克装甲的有效手段．发射质量为50克、速度为3km/s的炮弹，可穿透25.4mm厚的装甲．有关资料还报道，用一种电磁炮做试验，完全可以穿透模拟的T－72、T－80坦克的装甲厚度．由此可见，电磁炮具有很强的穿透能力，是非常优良的反装甲武器．4.4用于改装常规火炮：随着电磁发射技术的发展，在普通火炮的炮口加装电磁加速系统，可大大提高火炮的射程．美国利用这一技术，已将火炮射程加大到150km[4]。5发展方向目前，以美国为代表的许多发达国家正在针对电磁炮研究中存在的问题，有计划地开展电磁炮实用性研究和野外试验。具体的研究方向有以下几个:5.1能源小型化体积和重量是电磁炮武器化和战术应用的主要障碍之一，而这两者主要由脉冲功率源及功率调节装置的能量密度和功率密度所决定。要减小体积、降低重量，必须实现能源小型化。因此，今后将进一步开发高能量密度和高功率密度材料，以研制小型轻质脉冲功率源。新研制的盘式交流发电机经整