秒懂軌道電磁炮的原理——祝賀中國電磁發射進入武器化階段

近日，中國航天科工集團官方網站發表文章透露我國已經加入電磁武器研製行列，而且提到早在60年代就開始研製電磁發射裝置，但近十幾年來才進入武器化實用化階段。那麼我們關注的問題是，為何該技術如此引人注目，又是什麼樣的技術難題阻礙了這項技術的實用化？

在我們探討電磁發射之前，先來簡述下傳統火藥發射。在傳統的化學能發射過程中，彈體和發射藥是前後布置的，後部的火藥被點燃，造成體積迅速地膨脹，推動彈體在槍管或是炮膛裡加速前進。這樣帶來的缺點是：第一，彈體和裝藥不能完全分離，增加了重量；第二，火藥的燃燒爆炸是瞬間發生的，這個給彈丸加速的過程是沒法精確控制的，而且後坐力也不可避免；第三，化學能的發射有速度限制，即彈丸的在炮管的出口速度大概被局限在1219米每秒，這就大大限制了固定重量彈丸的動能，毀傷力無法得到提高。（詳見軍武次位面Lite 02：電磁炮）

由於傳統發射的局限，電磁發射應用而生。美國海軍的實驗型號電磁炮能把金屬物體加速到16000米每秒，在6分鐘內把彈頭打到大約400公裡外。如此巨大的威力，令各國軍方豈能不心動！那麼接下來我們來用通俗的語言來介紹一下其原理吧。

▲利用洛倫茲力的電磁發射示意圖

讓我們來複習下高中物理，哦不，學習下物理知識順便看幾個英語單詞。圖中橙黃色的虛線為驅動電流（Driving Current），當它沿著箭頭所示方向在白色的導軌（Rail）導通時，必然要經過淺藍色的拋射體（Projectile）後再從另外一條導軌返回去，形成一個由電流圍起來的迴路。這個時候，耳邊仿佛響起物理老師的聲音，右手定則！對，右手握住導軌，並且大拇指指向橙色電流方向，那麼磁場的方向就是其餘四指的指向方向。正如圖上藍色圈圈的方向，磁場B（Magnetic Field）是由導軌下方進入到導軌和拋射體圍起來的線圈中。自然界就是這麼神奇，當這個小小的密閉長方形線圈內有了磁場，它就一定不讓線圈內保持這樣的磁場通量，非要把這個由電流圍起來的長方形擴大來弱化線圈內的磁通量！方法是產生綠色所示的洛倫茲力（Force）讓那個淺藍色的小棍（拋射體）向外移動。當然，在這個洛倫茲力作用下，那根小棍子就會不斷加速，如果導軌很長很長，那麼累計下來的速度就會很大很大。也可以把電流調高一點，這樣洛倫茲力會更大，不用很長的導軌也能達到很高的速度。

看到這裡，大概我們也能猜到如果把那個淺藍色的小棍當成彈頭的的話，不就能發射出去了？確實如此。

▲軌道式電磁炮原理示意圖

把導軌加固，把要發射的彈頭固定在拋射的小棍上，電磁炮就完成啦！在軌道式電磁炮原理示意圖中我們看到，彈託就扮演原來的那個小棍的角色，其他幾乎沒變化。而且這門大炮優點眾多，初速快，射程遠，發射能量可調節，發射成本低，沒有硝煙便於隱蔽自己，沒有後座便於瞄準等等等等。這樣的神器可以用來發射衛星，攔截飛彈，遠程火力支援幾乎無所不能，利用相同的原理，其實也可以把航母上的戰機彈射出去！

▲電磁炮基本組件

等一下，以上只是原理，大家都懂，真正的攔路虎存在於工程技術上。要製作成可靠的發射系統，很多部件是必須的。比如脈衝電源(Pulsed Power Supply)，發電機（Power Generator），可靠的導軌（Rail）等等。其中對脈衝電源的要求非常高，它必須能提供高能量密度、大儲能、能夠快速充放電的功能，而且開關控制系統也要匹配。因為想要給彈丸一個大的加速度，就需要瞬間給出強大的電流來產生巨大的洛倫茲力，可以想像，毫秒級別的時間內，輸出數十萬安培的大電流對設備的要求十分苛刻。而這裡的發電機也不是一般的發電機，而是單極發電機。它供電量要達到兆瓦級，以支持電磁炮的使用，特別是能夠迅速的再次充電，以提高電磁炮的持續射速。在巨大的電磁力作用下，高速滑行的彈體帶給導軌強烈的燒蝕，導軌既要在高溫下有足夠強度，還必須要導電！如此高的要求下，還要把它做小，讓軍艦等平臺能搭載它更是難上加難。所以，我們一般看到的都是廠房一樣巨大的設備（那是炮嗎？）和發射時烈焰滾滾（說好的不用火藥不暴露自己呢？）。

▲通用原子公司為美國海軍提供的電磁炮測試部件

▲電磁炮發射時的場景

說了這麼多，那麼有接近實用的嗎？當然有！美帝海軍就打算給新的DDG1000驅逐艦安裝電磁炮並且正在測試，說明小型化程度已經達到一定水準，至少大型軍艦還是有足夠空間來安裝的。

▲美國海軍DDG1000驅逐艦

綜上，電磁炮是未來火炮發展的方向之一，在明白了這種武器的原理以及現狀後就會理解我國加入電磁武器研製的意義所在。在此對奮戰在軍工領域的科研人員表示由衷的崇敬！

結尾偷偷告訴大家在家裡怎麼做這個電磁炮呢？看下面這個視頻你就知道啦，（友情提醒，水平不夠請勿模仿！）

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