什么是電磁炮？電磁炮的原理是什么？

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統(tǒng)大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的安培力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，與傳統(tǒng)的火藥推動的大炮，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

人類對于武器的追求或許永遠沒有止境，只有強大的武器才能保護國家的安全，于是許多在科幻電影中才出現(xiàn)的未來武器，也慢慢在現(xiàn)實世界中出現(xiàn)，被運用到軍事當中，今天要向大家介紹就是威力巨大的電磁軌道炮。

(BAE系統(tǒng)公司制造的電磁軌道炮原型機)

什么是電磁軌道炮呢?可能大家對于電磁軌道炮的認知大多在于電影中，在一個矩形的炮管中，看見電光閃爍，炮管中的炮彈就會飛速的發(fā)射出去，準確的擊中目標，擁有巨大的殺傷力(動漫《魔法禁書目錄》中炮姐的超電磁炮也算一種電磁軌道炮吧)?？瓷先ナ指叨说碾姶跑壍琅冢磥砜萍几惺?，但它實際運用到的原理甚至都沒有超過中學(xué)物理教科書的范疇。電磁軌道炮是利用電磁力代替火藥的爆炸力來加速推動彈丸的一種發(fā)射系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)也十分簡單，主要由發(fā)動電源、高速開關(guān)、加速裝置和炮彈彈丸組成。明白了這么簡單的結(jié)構(gòu)和原理，所以在1920年就由法國人維勒魯伯發(fā)明出來了，在二戰(zhàn)時都能使重10克的鋁彈丸以初速度達到1.08千米/秒發(fā)射出去，但是迫于當時的技術(shù)對于電力和炮管材料等問題從根本上無法解決，導(dǎo)致停止研究了很長的時間，直到現(xiàn)代才重新開始研究。

(電磁炮與傳統(tǒng)火炮能量轉(zhuǎn)換效率對比)

從目前的科學(xué)技術(shù)發(fā)展來說，電磁炮根據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理可大概分為三類：

【1】電磁線圈炮

線圈炮正式名稱交流同軸線圈炮，一般都是由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成，通過兩個電線圈之間的磁場產(chǎn)生相互作用的安培力，利用安培力將彈丸加速發(fā)射出去，這是最早的電磁炮形式。

(線圈炮的原理)

【2】電磁軌道炮

軌道炮是由兩條非常長的平行直軌道組成的，在軌道的中間會放置一個滑塊，來作為發(fā)射的彈丸。它是利用兩個軌道的之間的電流產(chǎn)生相互作用的安培力將彈丸發(fā)射出去，這是現(xiàn)在普遍的在實驗調(diào)試的電磁軌道炮，中間滑塊的質(zhì)量越大，產(chǎn)生的動能就越大，威力也越大，但相對于所需要的耗能也越大。

(軌道炮發(fā)射原理)

【3】電磁重接炮

重接炮是沒有炮管的，它是利用上下的兩個矩形線圈產(chǎn)生高強度的強磁場力作用，當彈丸進入磁場時，被線圈中的磁場力加速推進并發(fā)射出去，雖然重接炮沒有炮管，但是它需要要求彈丸具有一定的初速度進入線圈，產(chǎn)能產(chǎn)生磁場力并加速，所以它也是一種多級加速的不需要接觸的電磁炮，目前這種電磁炮是世界上最新的一種發(fā)展形勢。

(重接炮的工作原理)

總的來說電磁炮中，世界各國研究發(fā)展都專注于電磁軌道炮，大部分資源都投入到軌道炮的研究當中，當然其技術(shù)也相對比較成熟。比起傳統(tǒng)火炮來說可以做到發(fā)射的速度更高，初速度可達到8千米/秒，而傳統(tǒng)火炮只有1千米/秒以下;還能做到啟動的時間更短，從正常狀態(tài)下到發(fā)射彈丸只需要數(shù)分鐘，而且還可以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)射，可以做到1分鐘6發(fā)的重復(fù)發(fā)射;最后電磁軌道炮的發(fā)射動能更加強大，最大幾乎能達到70兆焦左右(1兆焦的能量相當于一輛1噸卡車在100英里/每小時(約161千米/小時)速度下的能量),射程可以超過2000千米，而且在發(fā)射的過程中全都是由計算機控制，彈頭也是現(xiàn)在最新的激光制導(dǎo)裝置，所以具有很高的打擊精度，帶著強大的動能擊打敵對目標并摧毀，威力極大。當電磁炮發(fā)展成熟以后運用到軍事中，海上戰(zhàn)艦(能看到戰(zhàn)列艦重出江湖的影子了)已經(jīng)可以顛覆未來戰(zhàn)爭了。

(同樣初速度下不同質(zhì)量彈丸的彈道差

(中國072登陸艦上安裝電磁軌道炮進行

組成結(jié)構(gòu)

電磁炮利用電磁力沿導(dǎo)軌發(fā)射炮彈的武器。它主要由能源、加速器、開關(guān)三部分組成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的裝置。當前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發(fā)電機，其中單極發(fā)電機是最有前途的能源。 [2]

加速器是把電磁能量轉(zhuǎn)換成炮彈動能，使炮彈達到高速的裝置。主要有：使用低壓直流單極發(fā)電機供電的軌道炮加速器和離散或連續(xù)線圈結(jié)構(gòu)的同軸同步加速器兩大類。開關(guān)是接通能源和加速器的裝置，能在幾毫秒之內(nèi)把兆安級電流引進加速器中，其中的一種是由兩根銅軌和一個可在其中滑動的滑塊組成。

發(fā)現(xiàn)原理

19世

電磁炮原理示意圖 紀，英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律表明磁場中的電荷和電流會受到洛侖茲力的作用，即位于磁場中的導(dǎo)線在通電時會受到一個力的推動，同時，如果讓導(dǎo)線在磁場中作切割磁力線的運動，導(dǎo)線上也會產(chǎn)生電流。

20世紀初，有人提出利用洛侖茲力發(fā)射炮彈的設(shè)想。在兩次世界大戰(zhàn)中，法國、德國和日本都曾研究過電磁炮。第二次世界大戰(zhàn)以后，其他國家也進行過這方面的研究。

實驗應(yīng)用

1845年，查爾斯·惠斯通制作出了世界第一臺磁阻直流電動機，并用它把金屬棒拋射到20米遠。此后，德國數(shù)學(xué)家柯比又提出了用電磁推進方法制造"電氣炮"的設(shè)想。

第一個正式提出電磁發(fā)射/電磁炮概念并進行試驗的是挪威奧斯陸大學(xué)物理學(xué)教授伯克蘭。他在1901年獲得了"電火炮"專利。1920年，法國的福瓊·維萊普勒發(fā)表了《電氣火炮》文章。幾乎同時，美國費城的電炮公司研制了用于火炮的電磁加速器。二戰(zhàn)期間，在軍事需求的刺激下，德國、日本都研制過電磁炮。德國的漢斯萊曾將10克彈丸用電磁炮加速到1.2公里/秒的初速。

20世紀70年代

用電磁炮發(fā)射宇宙飛船的設(shè)想圖 初，澳大利亞國立大學(xué)建造了第一臺電磁發(fā)射裝置，將 3克重的塑料塊(炮彈)加速到6000米/秒的速度。此后，澳、美科學(xué)家制造了不同類型的實驗樣機，并進行過多次發(fā)射實驗。用單極發(fā)電機供電的電磁炮，已能把318克重的炮彈加速到4200米/秒的速度。磁通壓縮型電磁炮已能將 2克重的炮彈加速到11000米/秒的速度。

20世紀70年代，澳大利亞國立大學(xué)的查里德·馬歇爾博士運用新技術(shù)，把3克彈丸加速到了5.9公里/秒。這一成就從實驗上證明了用電磁力把物體推進到超高速度是可行的。1978年公布實驗情況后，引起了各國軍方的特別關(guān)注，美國國防委員會得出"未來高性能武器必然以電能為基礎(chǔ)"的結(jié)論。美國防部成立了"電磁炮聯(lián)合委員會"，協(xié)調(diào)軍隊、能源部、國防原子能局及戰(zhàn)略防御倡議機構(gòu)分散進行的電炮研究工作。

1980年，美國西屋公司為“星球大戰(zhàn)”建造的實驗電磁炮把質(zhì)量為300克的炮彈加速到了每秒約4千米，而在真空中，這個速度還可提高到每秒8~10千米。

1992年，美國已把一門口徑90毫米、炮口動能9兆焦的電磁炮樣炮推到尤馬靶場進行試驗。電磁炮從實驗室到靶場說明，電源小型化技術(shù)已有所突破。

高速發(fā)展

美國

電磁炮曾是冷戰(zhàn)時代美國“星球大戰(zhàn)”軍備計劃的重點項目，被視為對抗核彈的秘密武器。美國海軍于2005年重新啟動電磁炮研究，截止2010年投放2.11億美元。

2010年12月6日，美國通用原子公司公司宣布，該公司研制的Blitzer防空型電磁軌道炮的樣炮已經(jīng)于9月在美國陸軍杜格威試驗場成功試射了空氣動力學(xué)彈丸。該次試驗是根據(jù)與海軍研究辦公室簽訂的合同進行的，成功演示了具有戰(zhàn)術(shù)價值的電磁導(dǎo)軌發(fā)射裝置、脈沖電源系統(tǒng)和彈丸的集成和能力。試驗中使用的彈丸由波音公司研制，飛行速度達到5馬赫，飛行加速度達到60000g，試驗還演示了電樞分離和穩(wěn)定飛行。

2010年12月12日，美國研發(fā)電磁軌道炮在海軍試射中，將電磁炮以音速5倍的極速，擊向200公里外目標，射程為海軍常規(guī)武器的10倍。美軍目標在8年內(nèi)進行海上實測，并于2025年前正式配備于軍艦上。 該實驗在弗吉尼亞州達爾格倫水面作戰(zhàn)中心進行，先后兩次試射電磁炮。電磁炮主要由兩條軌道組成，炮身裝在拖車大小的長方形槍管，軌道中間放著鋁制20磅炮彈。電磁炮接上電源后，電流會通過兩條軌道，從而生成強大推力，將鋁彈以高速彈射。

兩次試射所生成的能量，分別

美國試射電磁炮 達33兆和32兆焦耳，打破于2008年創(chuàng)下的10兆焦耳紀錄。1兆焦耳能量相當于1噸重汽車以時速160公里行駛。

除威力外，33兆焦耳下發(fā)射的炮彈射程較現(xiàn)時常規(guī)武器遠10倍，亦是電磁炮一大優(yōu)勢。但美軍最終實戰(zhàn)配備目標是64兆焦耳級電磁炮，射程最遠可達321公里，可讓軍艦在敵艦射程范圍外發(fā)動攻擊。

海軍研究所所長卡爾表示，電磁炮優(yōu)點眾多，首先是射速快，不會像巡航導(dǎo)彈般出現(xiàn)目標移走或落空等問題，配合全球定位系統(tǒng)(GPS)更可進一步提高準繩度。此外，由于電磁炮毋須火藥，既可提升船員安全，亦可令軍艦攜帶炮彈數(shù)量增加10倍。

2014年1月15日，美國海軍研究實驗室負責人馬修·庫倫德少將介紹稱，該項目已經(jīng)完成了第一階段(原型機研發(fā)階段)，已經(jīng)研制了2套工業(yè)電磁軌道炮系統(tǒng)原型，項目已經(jīng)進入第二階段，海軍及工業(yè)部門將測試在一分鐘內(nèi)進行多輪發(fā)射。庫倫德對即將在白沙靶場進行導(dǎo)軌炮8連射測試結(jié)果充滿信心。 [3]

2014年4月10日，美國海軍表示將啟動電磁炮海上試射計劃，利用電磁可發(fā)射音速七倍的高速輕型炮彈。 [4] 該型電磁炮已在地面展開廣泛試射，接下來將安裝在美國海軍快速艦“米利諾基特號”，并在2016年進行海上試射。 [4]

美國海軍研究部主任克隆德海軍少將在一項軍方科技圓桌會議上透露，“這已是真實的，不是科幻小說，你可以親眼看它發(fā)射。” [4] 克隆德將在華盛頓附近舉行的?？沼詈娇萍疾┯[會上表示電磁炮將協(xié)助加強美國的空防、巡航導(dǎo)彈防衛(wèi)及彈道導(dǎo)彈防衛(wèi)，同時還具有成本低廉的優(yōu)點。 [4]

中國

2013年11月20日出版的《簡式防務(wù)周刊》

美軍電磁炮 [3] 報道稱，衛(wèi)星圖象顯示中國包頭市西北方的一個所謂裝甲設(shè)備與火炮測試中心，有兩門火炮，它們分別長約26米和33.5米，這兩門超級火炮各自被固定在混凝土基座上，這個混凝土基座曾與2010年9月至2012月12月期間現(xiàn)身，當時衛(wèi)星圖像首次捕捉到了這兩門火炮的身影。 [5]

而最新的衛(wèi)星照片顯示，這兩門火炮2013年7月仍在原處。而在2011年拍攝的衛(wèi)星照相中，尺寸更大的那門所謂火炮前方，有一系列似乎是靶標的物體。報道猜測，這顯示該處正在對高速炮彈進行穿透力測試。

性能特點

電磁軌道炮是一種遠程、高能、多任務(wù)的武器

電磁炮結(jié)構(gòu) ，其射速可達當前海軍的艦炮的3倍。其射程可達100英里(約161千米)以上，以艦船上儲存的電能為動力來源，利用電磁力(洛侖茲力)沿導(dǎo)軌將彈頭加速到很高的速度發(fā)射出去。美國海軍官員稱，這是一種不太昂貴、具有高殺傷力和遠程打擊能力的攻擊性武器。 [3]

電磁軌道炮彈頭重23磅(約10.43千克)，可以從電磁導(dǎo)軌上發(fā)射，也可從海軍127毫米甚至155毫米火炮系統(tǒng)發(fā)射。導(dǎo)軌炮采用指令制導(dǎo)，但在未來可能發(fā)展成自導(dǎo)式。 [3]

除了在射程和毀傷力方面的優(yōu)勢，該炮還是一種相對廉價的海軍火炮項目，每枚炮彈成本約25000美元。 [3]

由于電磁軌道炮是一種具有高能量的武器，因此發(fā)熱情況嚴重，需要有良好的冷卻技術(shù)支持。電磁軌道炮并不僅僅是一個炮彈發(fā)射裝置，而是由多個系統(tǒng)組成的。美國海軍正在對多個冷卻系統(tǒng)設(shè)計進行評估。 [3]

(1)電磁推動力大，彈丸速度高。電磁發(fā)射的脈沖動力約為火炮發(fā)射力的10倍,所以用它發(fā)射的彈丸速度很高。一般火炮的射擊速度約為0.8千米/秒，步槍子彈的射擊速度為l千米/秒。而電磁炮可將3克重的彈丸加速到11千米/秒，將300克的彈丸加速到4千米/秒。有的專家甚至預(yù)言，將來的速度可達100千米/秒。速度對于天基反導(dǎo)彈系統(tǒng)來說尤為重要。因為攔截器速度越高，不僅攔截的效率高。而且可大大減少天基武器的數(shù)量。

(2)彈丸穩(wěn)定性好。電磁炮彈丸在炮管中受到的推力是電磁力, 這種力量是非常均勻的，而電磁推力容易控制，所以彈丸穩(wěn)定性好，這有利于提高命中精度。

(3)隱蔽性好。電磁炮在發(fā)射時不產(chǎn)生火焰和煙霧，也不產(chǎn)生沖擊波，所以作戰(zhàn)中比較隱蔽，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。而且，它采用低級燃料作能源，而不是常規(guī)火藥，這有利于發(fā)射陣地的安全。

(4)彈丸發(fā)射能量可調(diào)?？筛鶕?jù)目標性質(zhì)和射稱大小可快速調(diào)節(jié)電磁力的大小，從而控制彈丸的發(fā)射能量。

(5) 比較經(jīng)濟。與常規(guī)武器比較，火炮發(fā)射藥產(chǎn)生每焦耳能量需要10美元， 而電磁炮只需要0.1美元。如果與其他太空武器相比，電磁炮就更經(jīng)濟了。

分類

線圈炮

線圈炮又稱交流同軸線圈炮。它是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成。根據(jù)通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產(chǎn)生電磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去。

軌道炮

軌道炮(Rail Gun)或譯磁軌炮、導(dǎo)軌炮由法國人維勒魯伯于1920年發(fā)明，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。當兩軌接入電源時，強大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度(理論上可以到達亞光速)射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理，軌道炮是電磁炮最常見的式樣。電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進的動能殺傷武器，與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關(guān)注。自80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發(fā)展計劃中，已成為越來越重要的部分。

電熱炮

電熱炮的原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結(jié)構(gòu)也有多種形式。最簡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?shù)入x子體燃燒器兩極間加上高壓時，會產(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。

重接炮

重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發(fā)射裝置，沒有炮管，但要求彈丸在進入重接炮之前應(yīng)有一定的初速度。其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置，之間有間隙，長方形的“炮彈”在兩個矩形線圈產(chǎn)生的磁場中受到強磁場力的作用，穿過間隙在其中加速前進。重接炮是電磁炮的最新發(fā)展形式。