新概念动能武器-电磁炮

引言近年来,由于高新技术的普遍应用,许多鲜为人知的新概念火炮随之诞生。其中,电磁炮因其性能奇特、威力巨大而成为新概念武器家族中的一个重要成员。电磁炮是现代战争中的一代新概念武器,目前国外的技术发展已达到实用阶段。用物理学中关于电流的磁场、电磁感应和涡流的基本理论。美国在该领域一直处于领先地位

美海军工程师在弗吉尼亚州的达尔格伦海军水面作战研究中心，成功试射首门由军工企业制造的电磁轨道炮原型

电磁轨道炮，上图为炮弹出膛的瞬间1电磁炮原理与分类电磁炮是一种利用电磁力推动弹丸运动的新概念火炮,由于它能将弹丸加速到极高的速度,因此被称为动能杀伤武器。法拉第电磁感应定律是电磁炮的理论基础,根据结构的不同,电磁炮可分为轨道炮、线圈炮和重接炮。1.1轨道炮工作原理轨道炮是电磁炮中结构和原理最为简单的一类。简单轨道炮主要有两条平行的金属轨道、电枢、弹丸和大功率脉冲电源组成。轨道一般是耐磨损、抗烧蚀的良导体;电枢是高导电率的金属、等离子体或金属与等离子体的混合体,电枢与轨道之间具有良好的电接触,使电源、轨道和电枢之间构成电气回路;大功率脉冲电源一般具有兆瓦级的脉冲功率。

当大功率脉冲电源向轨道、电枢回路供电时,假定回路中的电流方向i如图所示,根据平行导线的磁场分布可知,轨道间的磁场方向B如图所示,作用在电枢上的力F的大小和方向可由左手定则判断出来，如果假定电枢和弹丸的总质量和加速度分别为为m、a,轨道的自感梯度为L,则作用在电枢和弹丸上的力的大小F=ma=1.2线圈炮工作原理

线圈炮也被称为“同轴加速器”,主要由沿导向板条

轴向排列的若干驱动线圈、弹载线圈、弹丸和脉冲驱动电源组组成。弹载线圈绕在弹丸上,每个驱动线圈分别由各自的驱动电源依次供电。线圈炮原理示意图

当电源给驱动线圈施加脉冲电流时,驱动线圈中电流的突变,在弹载线圈中产生感应电流和磁场,两个线圈的磁场相互作用产生安培力,使线圈彼此有电磁力的相互作用。由于驱动线圈是固定的,因此弹载线圈便携带弹丸运动,运动方向则由两个线圈中的电流方向和两者之间的相对位置决定。

如果将驱动线圈和弹载线圈等效为两个电磁铁,那么两个线圈磁场的相互作用如下图所示当弹载线圈和弹丸位于驱动线圈左侧时,两者相吸,弹丸受到向右的吸引力而向右运动,在弹丸通过驱动线圈中心横截面以前,两个线圈之间的磁耦合增强,互感增加,弹丸所受到的向右的力随之增加,弹丸将作变加速运动,速度迅速增加;当弹丸通过驱动线圈中心横截面以后,由于两个线圈之间的磁耦合降低,互感的减少,弹丸受力的方向改变,弹丸受到向左的吸力作用而减速。

由此可见,为了使弹丸始终受到加速力的作用,应当在弹丸过驱动线圈中心横截面的瞬间切断驱动线圈的电源,弹丸以惯性继续运动,在到达第二个驱动线圈左端面时,第二个驱动电源以同样的方式进行馈电,弹丸将被第二次加速,依次类推,弹丸在整个内弹道循环期间依次受到各驱动线圈的加速力的作用,直至飞出炮口,获得极高的初速。由以上分析可知,为了保证弹丸一直处于加速状态,必须严格控制驱动电源组的工作时机,使驱动线圈产生的磁场与弹载线圈的运动位置精确同步。1.3重接炮工作原理重接炮是电磁发射的一种较新形式,目前主要有平板形状的弹丸在驱动线圈的间隙中被加速和圆柱型弹丸在轴对称的圆筒线圈内被加速两种形式的重接炮。单级平板式重接炮由上、下驱动线圈、平板式弹丸和脉冲电源组成。如下图所示。

两线圈同轴对称放置,中间有适当的间隙,弹丸是实心平板物体。上下两个线圈串联,由同一个电源供电,两线圈的缠绕方向或串联连接时应保证磁力线方向相同且垂直于弹丸。

为了提高弹丸的速度,一般重接炮可由多个驱动

线圈构成多级重接炮,与线圈炮类似,弹丸在发射过程中将依次受到各级驱动线圈的加速,获得极高的弹丸初速。涡流磁场与重接磁场的相互作用产生的电磁力推动弹丸向前加速运动,原来储存在上下线圈中的磁能转变为弹丸的动能。2电磁炮的特点及应用2.1电磁炮的特点与常规火炮相比,电磁炮具有如下十大优点:(1)初速高、动能大。(2)能源简单、安全。(3)隐蔽性好。(4)易于调整射程,(5)工作稳定,重复性好。(6)弹丸形状多样。(7)弹丸飞行稳定。(8)装填方便、快捷。(9)效率高。(10)弹丸质量可大可小。2.2电磁炮的应用鉴于电磁炮的诸多特点,电磁炮在军事上、航天和高压物理研究方面均有美好的应用前景。军事上电磁炮主要用作战术武器。陆军,自行火炮的弹丸初速一般控制在4km/s,以防止大气烧蚀;3km/s的穿甲弹能使坦克的防御和进攻能力提高四倍;大口径的电磁炮射程达几十公里,并能发射制导炮弹丸,可以取代远程火炮;具有高射速的小口径电磁炮可作为防空高炮使用。

海军,同样采用高射速小口径电磁炮能够拦截新一代超声速导弹,以解决所面临的高性能反舰导弹威胁的严重问题。空军,利用电磁发射技术,能够建设形成一种全新的野战机场和短程起降方式,高射速、高初速的小口径电磁炮也可作为机载武器使用。基于电磁炮高动能、能够发射制导炮弹及火控系统简单、易于实现的特点,天基电磁炮具有更大的威力,可用于战略防御。高压物理方面,电磁炮可以用来研究材料的状态方程、金属成型焊接、进行碰撞核聚变和磁悬浮列车的研究。3电磁炮的关键技术3.1脉冲电源技术电磁炮工作时需要高达几十兆瓦或上百兆瓦的脉冲功率,普通电源无法满足要求。目前,电磁炮所用电源首先将初级电源的能量传递给储能系统,然后通过电力控制系统适时地把能量转换到脉冲形成网络。主要技术包括频率能量存储和脉冲形成网络与负载的偶合。另外,由于电源在电磁炮的重量和体积上占有高达80%的比重,因此电源小型化技术也是电磁炮早日进入实用阶段的关键。

3.2材料技术电磁炮工作时,发射装置将承受大电流和强载荷的冲击,对轨道材料、绝缘材料、电枢材料和弹丸弹体材料均有极高的要求。问题的解决寄希望于新材料的研究,超导技术将在电磁炮的研究与应用中发挥重要作用。

3.3发射装置设计发射装置是电磁炮的核心部件,涉及到身管、供输弹装置、脉冲形成网络、电力控制系统及电枢、开关等。发射装置的设计首先要根据武器系统的战术技术要求,确定采用何种发射原理和弹丸的动能,然后进行发射装置的结构设计以确保武器系统稳定有效。发射装置是一个集多种高新技术于一体的复杂系统,如何将已经取得一定发展的单项技术高效的应用到电磁炮中,需要用系统工程的理论和方法来进行电磁炮发射装置的设计研究,以提高系统总体技术水平。4电磁炮的未来发展未来电磁炮的主要向以下几个方面发展:第一,能源小型化。第二,能量转换效率提高。第三,稳定性提高。5结语经过近20年的研究