浅析电磁炮优缺点

浅析电磁炮优缺点、原理及其发展趋势摘要：国无防不立。想要维护国家安全，保证和平的社会环境，科学技术是关键。只有真正重视并懂得合理运用技术、科学的国家，才能长久不衰，屹立于各民族之林。传统火炮自产生至今已有600多年的历史，其可发掘的潜力已十分有限。越来越多的人意识到传统火炮的局限性，纷纷把眼光聚焦在“新类型”的大炮——电磁炮上。其实电磁炮的构想早在100多年前就有，只是限于当时的条件，无法造出有实用价值的电磁炮罢了。历史的车轮在前进，科学在发展，很多曾经困扰过人们的问题被慢慢解决。电磁炮也因新技术的产生，在新的世纪里再次迸发出勃勃生机。本人通过查询资料，和同学分享、探讨等方式，搜集并整理相关材料。对电磁炮的优缺点，原理及其发展趋势做如下简述。关键词：电磁炮的优缺点电磁炮的原理电磁炮的发展趋势一、电磁炮的优缺点在武器运用方面，相比于传统火炮，电磁炮有以下优点：1、能量成本低以电磁炮使用的发电燃料为柴油或汽油为例，其每兆焦能量需0.1美元左右，而常规化学炮的发射药产生每兆焦能量需10美元。相比之下，电磁炮很划算。2、炮弹速度快电磁炮发射的炮弹初速可达几十甚至上百千米每秒，远快于传统火炮的初速（传统火炮初速很少超过2千米每秒）。由于速度快，炮弹飞行时间变短，很大程度上提高了炮弹的命中率（尤其是对运动目标），也加强了炮弹的杀伤力。3、射程改变简单可控常规火炮为了改变火炮的射程，通常是改变发射药装药量，或改变火炮仰角，这些方法能改变的射程十分有限。电磁炮不同，它的原理机制就很好的解决了这个问题。4、装换效率高常规火炮的化学能与动能转换效率只有20%左右，而电磁炮的电能与动能转换效率最高可达50%。5、隐蔽性好电磁炮发射时产生的炮口火焰、噪音和后坐力都很小（几乎没有），不易被发现。炮兵阵地隐蔽性很好。6、载荷大电磁发射技术运用十分广泛，发射平台广。同时，电磁炮炮弹尺寸和重量小，其弹药基数很大。凡是都不可能十全十美，电磁炮也有它的缺点：1、使用寿命问题尽管在实验室里，电磁炮发射的炮弹的极限速度和炮口动能在不断的刷新，然而很多情况下，高发射速度和炮口动能对轨道的损伤是致命的。超高速度摩擦引起的接触、烧蚀、高温高压，加大了对电磁炮轨道性能的要求。目前为止，还没有发现合适的轨道材料。2、开关问题电磁炮的脉冲功率电源需要在极短时间内（10毫秒）把存储的能量释放出来，以产生上兆安倍的电流。其中的一个关键部件就是大功率开关。这也是制约电磁炮发展的一个关键技术瓶颈。3、电源储能密度问题就目前而言，电磁炮的电源储能密度仍然较低，32兆焦的脉冲电源系统可能会占用非常大的空间。极大的限制了电磁炮的发展。4、能源转换效率问题电磁炮的能源转换效率理论上可以达到50%，然而目前并做不到这点。综上所述，电磁炮有利有弊。但要知道，科学在发展，我们眼前的问题可能在之后会被解决。二、电磁炮的原理按结构分，电磁炮分为三种：导轨炮，线圈炮和重接炮。下面将分别介绍它们的工作原理。1、导轨炮导轨炮主要由弹丸，开关，导轨，电枢，单机电机和原动机等组成。当电源开关接通时，电流由一条导轨流经电枢，再由另一条导轨反向流回，从而构成闭合回路。强大的电流（MA级）流经两并行导轨时，在导轨之间产生了强大的磁场。这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生洛伦兹力。该力推动电枢和电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而使弹丸获得超高速。（简单导轨炮示意图）以下是导轨炮的内弹道模型:式中为电枢质量；为弹丸质量；为弹丸速度；为洛伦兹力。导轨炮从电路观点来看，本质上可等效为脉冲功率源和电阻，电感组成的发射电路，只是随着电枢，弹丸的运动，总电阻，电感线性增大，即式中为导轨电阻梯度，为导轨电感梯度；为初始负载电阻；为初始负载电感。根据基尔霍夫定理，回路的电压方程为：式中为脉冲功率源端电压，即炮后膛压；为电流。对载流回路，它所蕴含的磁场能量为则磁场力为根据具体的脉冲功率源条件，可以解出导轨炮的理论最大速度，现讨论一特殊情况，即假定放电回路电流为恒流，可以求出在的条件下，可以得到最大速度为注：在实际中，由于摩擦阻力，空气阻力等存在以及能量的损耗，实际速度要比小30%以上。2、线圈炮线圈炮又称同轴加速器，由特殊交流电机，原动机，驱动线圈和弹载线圈所组成。发射时，依次给驱动线圈交流充电，在线圈周围形成的磁场使弹载线圈产生感应电流，使其在电磁力的推动下运动。线圈炮的主要部件螺线管，它是线圈均匀的密绕在炮管上，螺线管上的匝数为n，炮管的内半径为r，螺线管内的长度为l，螺线管通入电流时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的B-X图，在螺线管中部均匀，端口附近磁场发散。（简单线圈炮示意图）图1B沿轴线分量3、重接炮重接炮包括板状弹丸型和柱状弹丸型两种。以板状为例。它是由一系列同轴矩形线圈和一个板状弹丸组成，线圈轴线与弹丸运动方向垂直。两线圈间隙较小，板状弹丸在其内运动，弹丸一般采用非导磁的良导体实心板，期长，宽比线圈截面口径的长宽略大，各驱动可有自己的独立电源或共用一个电源，上，下线圈的缠绕和连接应保证磁通方向一致。工作过程如下图A，当弹丸尚未进入线圈间隙时，如图A（a）状态，线圈无电源，无磁场。当弹丸以某一速度进入进入上下线圈间隙，并且刚好遮住线圈面积时，如图A（b）。此时线圈通电，产生磁场，如图A（c）。当板状弹丸的尾部与线圈左侧拉开一小段距离时，弹丸切割磁场，磁场力推动弹丸向前运动。当弹丸被线圈加速离开后，如图A（d）,至此一级加速完毕，弹丸进入下一级并重复以上过程。重接炮从本质上来看，是变化的磁场对弹丸感生涡流，而涡流与磁场相互作用产生电磁力来加速弹丸。三、电磁炮的发展趋势世界范围内研究电磁炮的浪潮一浪高过一浪，当前以美国、俄罗斯、法国、德国、澳大利亚等国家的研究较为前沿。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：1、采用高新技术、提高系统效率高新技术的发展为电磁炮的研制提供了条件,将超导材料用于电磁炮是新的发展趋势。超导材料的电流密度和储能密度极高,储能效率达60%～90%,将其用于储能线圈、发电机、磁体和开关等,不仅有利于电磁炮小型化、提高射速,而且可减小能量损失、大大提高系统效率。附注：采用多级、多层、多段(节)和分布电源多模块结构的导轨也是一条重要途径。多模块结构可以减小导轨的能量损失,提高系统的能量转换效率至两倍左右。2、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流可直接向电磁炮供电。附注：采用先进的线圈炮技术以提高能量密度和功率密度,减小系统的体积和重量,也是重要的研究发展方向之一。3、研究线圈加速技术虽然线圈加速方式在技术上不如导轨炮成熟,但线圈炮加速时弹丸与固定线圈间是非接触的,且不产生高温等离子体,所需的工作电流也比导轨炮小,因而系统的能量转换效率高、损失小。结语：尽管电磁炮目前仍处于研究阶段，但前景却相对乐观。随着对电磁炮研制的逐步完善，可望在20世纪末将出现实战型的电磁炮。预计在不久的将来，快如流星的电磁炮终将取代传统的火炮，在未来战场上发挥神威。参考文献【1】曹荣刚《“电磁炮”：冲破极限》兵器总141期2011.02【2】禹俊、周庄奇、邓尚超《对电磁炮技术的分析》【3】《电磁炮的基本原理及发展趋势》【4】《电磁理论在电磁炮中的应用》【5】《21世纪的主力大炮——电磁炮》