電磁炮的原理與歷史

2021-02-18 機器人及PLC自動化應用


電磁炮利用電磁力(洛侖茲力)沿導軌發射炮彈的武器。它主要由能源、加速器、開關三部分組成。能源通常採用可蓄存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、單極發電機,其中單極發電機是最有前途的能源。

加速器是把電磁能量轉換成炮彈動能,使炮彈達到高速的裝置。主要有:使用低壓直流單極發電機供電的軌道炮加速器和離散或連續線圈結構的同軸同步加速器兩大類。開關是接通能源和加速器的裝置,能在幾毫秒之內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。

發現原理

電磁炮原理示意圖

19世紀,英國科學家法拉第發現了法拉第電磁感應定律,該定律表明磁場中的電荷和電流會受到洛侖茲力的作用,即位於磁場中的導線在通電時會受到一個力的推動,同時,如果讓導線在磁場中作切割磁力線的運動,導線上也會產生電流。

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

實驗應用

1845年,查爾斯·惠斯通製作出了世界第一臺磁阻直流電動機,並用它把金屬棒拋射到20米遠。此後,德國數學家柯比又提出了用電磁推進方法製造"電氣炮"的設想。

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


用電磁炮發射宇宙飛船的設想圖

20世紀70年代初,澳大利亞國立大學建造了第一臺電磁發射裝置,將 3克重的塑料塊(炮彈)加速到6000米/秒的速度。此後,澳、美科學家製造了不同類型的實驗樣機,並進行過多次發射實驗。用單極發電機供電的電磁炮,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,澳大利亞國立大學的查裡德·馬歇爾博士運用新技術,把3克彈丸加速到了5.9公裡/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年公布實驗情況後,引起了各國軍方的特別關注,美國國防委員會得出"未來高性能武器必然以電能為基礎"的結論。美國防部成立了"電磁炮聯合委員會",協調軍隊、能源部、國防原子能局及戰略防禦倡議機構分散進行的電炮研究工作。

1980年,美國西屋公司為「星球大戰」建造的實驗電磁炮把質量為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,電源小型化技術已有所突破。

美軍電磁炮

中國在電磁炮方面的研究進展:

2013年11月20日出版的《簡式防務周刊》報導稱,衛星圖象顯示中國包頭市西北方的一個所謂裝甲設備與火炮測試中心,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月期間現身,當時衛星圖像首次捕捉到了這兩門火炮的身影。

而最新的衛星照片顯示,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。報導猜測,這顯示該處正在對高速炮彈進行穿透力測試。

電磁炮的分類:

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成。根據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,產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流。感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用,產生電磁場力,使彈丸加速運動並發射出去。

軌道炮

軌道炮(Rail Gun)或譯磁軌炮、導軌炮由法國人維勒魯伯於1920年發明,是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去。它由兩條平行的長直導軌組成,導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸。當兩軌接入電源時,強大的電流從一導軌流入,經滑塊從另一導軌流回時,在兩導軌平面間產生強磁場,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射技術製成的一種先進的動能殺傷武器,與傳統的大炮將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同,電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力,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注。自80年代初期以來,電磁炮在未來武器的發展計劃中,已成為越來越重要的部分。

電熱炮

電熱炮的原理完全不同於上述兩種電磁炮,其結構也有多種形式。最簡單的一種是採用一般的炮管,管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極,燃燒器安裝在炮後膛的末端。當等離子體燃燒器兩極間加上高壓時,會產生一道電弧,使放在兩極間的等離子體生成材料(如聚乙烯)蒸發。蒸發後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射裝置,沒有炮管,但要求彈丸在進入重接炮之前應有一定的初速度。其結構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展形式。

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