電磁場理論課程設計-電磁炮

1、 軍事科技中不可或缺的力量內容結構及任務分配情況 線圈炮原理介紹 其它類型電磁炮簡介 電磁炮用途及其特點 電磁炮的現(xiàn)狀及發(fā)展前景電磁炮設計與實驗團結是一種勢不可擋的力量電影變形金剛2中有這樣一個情節(jié)：在最后的大戰(zhàn)里美軍動用了一種國家級神秘武器，從大西洋美軍的戰(zhàn)艦上發(fā)射超高速炮彈，對金字塔頂端的“大力神”予以毀滅性打擊。這種超遠程，精度高且破壞力十足的武器，就是現(xiàn)實中的動能武器電磁炮引言 1845年，英國物理學家查爾斯-惠斯通制造了世界上第一臺直線磁阻電動機，用它把一段金屬拋射到20米遠的地方 1897-1917年，伯克蘭教授不斷改進并實驗他的電炮，獲得三項專利技術，并在1901年制造了第一個電

2、磁線圈炮，將0.5Kg的物體加速到500米/秒 1903年，伯克蘭再次制造出將10Kg的物體加速到100米/秒的超級電磁炮 1945年，漢斯勒實驗了直徑20毫米，長2米的軌道跑LM2,最終將10g重的鋁質圓柱加速到1080米/秒 1966年，蘇聯(lián)人鮑斯達列夫用10米長的單極脈沖感應線圈把2g重鋁環(huán)加速到5Km/秒電磁炮的發(fā)展史 中國人自己的電磁炮 英國1986年將100g彈丸加速到2.75km/秒，先后制造出40，90毫米口徑炮;法國和德國研制出15毫米口徑，最大速度5km/秒預加速炮：日本，前蘇聯(lián)也都有類似研究，目前中國正一步步向發(fā)達國家靠攏，已經圓滿試射25公斤級炮彈，這對于中國來講也是一

3、個巨大的飛躍美國至第二次世界大戰(zhàn)以來，始終處于電磁炮研究的國際領先分地位，先后研制出12，40，50，90毫米口徑，以及最大射速達到7Km/秒，最遠射程達到500Km的超級電磁炮， 除美國外，還有二十多個國家從事電磁炮的研究。各國電磁炮的近現(xiàn)代發(fā)展電磁炮的基本原理：法拉第電磁感應定律一 線圈炮線圈炮又稱交流同軸線圈炮由加速線圈和彈丸線圈構成，當加速線圈通入交變電流時，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，產生磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去 電磁炮基本介紹電磁炮的分類線圈炮，軌道炮，電熱炮，重階炮二 軌道炮軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把

4、彈丸發(fā)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射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理三 電熱炮其原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結構 也有多種形式最簡單的一種是采用一般的炮管，管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端當?shù)入x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(fā)蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速四 重階炮重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發(fā)射裝置，其結構

5、和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置，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線圈炮的主要部件是螺線管，它是線圈均勻地密繞在炮筒上，螺線管的單位長度的匝數(shù)為，炮筒的內半徑為，L為螺線管的長度螺線管通人電流時，根據電磁學理論，螺線管沿軸的x關系如圖，在螺線管中部磁場均勻，端口附近磁場發(fā)散線圈炮的原理根據畢薩定理，螺線管端口附近點的軸向分量為式中為真空磁導率，x為點坐標徑向分量為式中為離螺線管軸線的距離1.1線圈彈體彈體a繞有定數(shù)量的線圈，如圖所示當螺線管通人電流時，彈體線圈感應電流為為計算方便，在發(fā)生相互作用瞬間，可認為為恒量根據安培力公式利用斯托克斯（）公式可以推出彈體線圈

6、在磁場中所受平移力的公式為利用（）式可以算出線圈彈體在螺線管端口處所受的平移推力為彈體為鐵磁質材料，設鐵磁質彈體與螺線管相對位置為x(xL)，利用安培環(huán)路定律，x處大小為穿過彈體截面的磁通為根據磁通連續(xù)定理，穿過每一匝線圈的磁通量等于上式，從而得到螺線管的電感為1.1鐵磁質彈體由于電感與幾何形狀有關，從（）式看這時螺線管電感是的函數(shù)系統(tǒng)的總能量為把（）式帶入（）式，由于保持常數(shù)，使電感也是也是常數(shù)，因此，可把電感拿到積分號外，根據根據虛功原理虛功原理，沿，沿X X軸方向的力為軸方向的力為把（）式帶人（）式，可求得彈體受到沿把（）式帶人（）式，可求得彈體受到沿X X軸方向的力為軸方向的力為負號表

7、示鐵磁質彈體受力的方向與負號表示鐵磁質彈體受力的方向與軸的方向相反所以鐵軸的方向相反所以鐵磁質彈體被螺線管吸引磁質彈體被螺線管吸引. .原理：方案一：線圈炮彈式電磁炮炮筒（大線圈）炮彈（小線圈）設計方案二：鐵磁質彈體電磁炮原理：設計一設計二方案三：自制線圈電磁炮實物圖軌道炮軌道炮原理軌道炮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射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理 alIaIB100221BIlF

8、1l2221FlmvE2l彈體所得到的能量和磁場強度B與電流I的乘積有關，I越大，B就越大，彈體所得能量越大。為軌道長度為彈體通過電流的有效長度電熱炮實物圖電熱炮的原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結構也有多種形式最簡單的一種是采用一般的炮管，管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端當?shù)入x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(fā)蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速電熱炮原理重接炮實物圖重接炮原理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有一定的初速度其結構和工作原理是利用兩

9、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(fā)展形式 發(fā)射速度高，炮彈動能大。電磁炮作用在彈丸上的力，在數(shù)量級上比傳統(tǒng)火炮大一個量級。隱蔽性好。由于電磁炮火焰、煙霧和后坐力都很小，有利于陣地隱蔽。工作穩(wěn)定，重復性好。電磁炮不存在常規(guī)火炮因點火過程和發(fā)射藥燃燒過程的微量變化引起的彈體速度的不穩(wěn)定，每次發(fā)射均具有相似的重復性。電磁炮的特點能源簡易、經濟效益好。電磁炮使用的是電能，與常規(guī)火炮所使用的化學能相比操作比較簡單而且更容易控制，同時電能的來源廣并且價格低廉。彈藥貯存方便。軌道炮彈丸僅依靠其動能來起到巨大

10、的殺傷和破壞效果，彈丸內部沒有發(fā)射藥等易燃易爆物，因此貯存起來很方便。彈體質量可大可小。電磁炮既可發(fā)射小至毫克級的小彈體，也能發(fā)射大至幾百噸的大彈體。軍事應用領域電磁發(fā)射器在戰(zhàn)術反裝甲、防空和反艦戰(zhàn)術導彈方面科研和民用領域研究高速碰撞，啟動核聚變反應，研制懸浮列車電磁炮的應用 近十年來，隨著新技術、新材料的不斷發(fā)展，電磁發(fā)射技術在發(fā)射裝置、發(fā)射質量、彈丸速度、大功率電源等方面的研究取得了一系列的成果。世界范圍內研究電磁炮的浪潮一浪高過一浪，當前以美國、俄羅斯、法國、德國、澳大利亞等國家的研究較為前沿。其中美國對電磁炮的研究領先于其它任何一個國家，甚至可以說是遙遙領先。 美國于1982 年研制成

11、功實驗級導軌炮,彈丸質量317g、初速4200m/ s。1992 年夏,美國研制成功世界上第一套完整的9MJ 靶場導軌炮,并在陸軍尤馬試驗場進行了發(fā)射試驗,邁出了電磁炮走出實驗室的第一步。2006 年7 月,英國BAE 系統(tǒng)公司與美軍方簽約,為美國海軍設計和制造32MJ 實驗室型發(fā)射裝置,旨在為下一步發(fā)展64MJ 戰(zhàn)術型電磁軌道炮奠定基礎。目前的現(xiàn)狀 2008 年1 月31 日，美國海軍在位于達爾格倫的海軍水面作戰(zhàn)研究中心進行了一次高能電磁軌道炮發(fā)射試驗。此次試驗所使用的高功率脈沖電源為英國航空航天公司制造的總儲能為32 MJ 的試驗電源系統(tǒng)。試驗采用的射彈為鋁質彈丸，如圖所示，該鋁彈質量約3.35 kg，發(fā)射動能為10.64 MJ，鋁彈出膛瞬間速度達到2 520 m/s。 目前有四方面的技術瓶頸 脈沖功率電源技術 軌道和電樞的可靠性技術 高過載彈丸技術 發(fā)射系統(tǒng)總體系統(tǒng)集成技術瓶頸盡管電磁炮目前仍處于研究階段，但前景卻相