新概念動能武器-電磁炮

引言近年來,由于高新技術(shù)的普遍應(yīng)用,許多鮮為人知的新概念火炮隨之誕生。其中,電磁炮因其性能奇特、威力巨大而成為新概念武器家族中的一個重要成員。電磁炮是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的一代新概念武器,目前國外的技術(shù)發(fā)展已達到實用階段。用物理學(xué)中關(guān)于電流的磁場、電磁感應(yīng)和渦流的基本理論。美國在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位

美海軍工程師在弗吉尼亞州的達爾格倫海軍水面作戰(zhàn)研究中心，成功試射首門由軍工企業(yè)制造的電磁軌道炮原型

電磁軌道炮，上圖為炮彈出膛的瞬間1電磁炮原理與分類電磁炮是一種利用電磁力推動彈丸運動的新概念火炮,由于它能將彈丸加速到極高的速度,因此被稱為動能殺傷武器。法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁炮的理論基礎(chǔ),根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,電磁炮可分為軌道炮、線圈炮和重接炮。1.1軌道炮工作原理軌道炮是電磁炮中結(jié)構(gòu)和原理最為簡單的一類。簡單軌道炮主要有兩條平行的金屬軌道、電樞、彈丸和大功率脈沖電源組成。軌道一般是耐磨損、抗燒蝕的良導(dǎo)體;電樞是高導(dǎo)電率的金屬、等離子體或金屬與等離子體的混合體,電樞與軌道之間具有良好的電接觸,使電源、軌道和電樞之間構(gòu)成電氣回路;大功率脈沖電源一般具有兆瓦級的脈沖功率。

當大功率脈沖電源向軌道、電樞回路供電時,假定回路中的電流方向i如圖所示,根據(jù)平行導(dǎo)線的磁場分布可知,軌道間的磁場方向B如圖所示,作用在電樞上的力F的大小和方向可由左手定則判斷出來，如果假定電樞和彈丸的總質(zhì)量和加速度分別為為m、a,軌道的自感梯度為L,則作用在電樞和彈丸上的力的大小F=ma=1.2線圈炮工作原理

線圈炮也被稱為“同軸加速器”,主要由沿導(dǎo)向板條

軸向排列的若干驅(qū)動線圈、彈載線圈、彈丸和脈沖驅(qū)動電源組組成。彈載線圈繞在彈丸上,每個驅(qū)動線圈分別由各自的驅(qū)動電源依次供電。線圈炮原理示意圖

當電源給驅(qū)動線圈施加脈沖電流時,驅(qū)動線圈中電流的突變,在彈載線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流和磁場,兩個線圈的磁場相互作用產(chǎn)生安培力,使線圈彼此有電磁力的相互作用。由于驅(qū)動線圈是固定的,因此彈載線圈便攜帶彈丸運動,運動方向則由兩個線圈中的電流方向和兩者之間的相對位置決定。

如果將驅(qū)動線圈和彈載線圈等效為兩個電磁鐵,那么兩個線圈磁場的相互作用如下圖所示當彈載線圈和彈丸位于驅(qū)動線圈左側(cè)時,兩者相吸,彈丸受到向右的吸引力而向右運動,在彈丸通過驅(qū)動線圈中心橫截面以前,兩個線圈之間的磁耦合增強,互感增加,彈丸所受到的向右的力隨之增加,彈丸將作變加速運動,速度迅速增加;當彈丸通過驅(qū)動線圈中心橫截面以后,由于兩個線圈之間的磁耦合降低,互感的減少,彈丸受力的方向改變,彈丸受到向左的吸力作用而減速。

由此可見,為了使彈丸始終受到加速力的作用,應(yīng)當在彈丸過驅(qū)動線圈中心橫截面的瞬間切斷驅(qū)動線圈的電源,彈丸以慣性繼續(xù)運動,在到達第二個驅(qū)動線圈左端面時,第二個驅(qū)動電源以同樣的方式進行饋電,彈丸將被第二次加速,依次類推,彈丸在整個內(nèi)彈道循環(huán)期間依次受到各驅(qū)動線圈的加速力的作用,直至飛出炮口,獲得極高的初速。由以上分析可知,為了保證彈丸一直處于加速狀態(tài),必須嚴格控制驅(qū)動電源組的工作時機,使驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場與彈載線圈的運動位置精確同步。1.3重接炮工作原理重接炮是電磁發(fā)射的一種較新形式,目前主要有平板形狀的彈丸在驅(qū)動線圈的間隙中被加速和圓柱型彈丸在軸對稱的圓筒線圈內(nèi)被加速兩種形式的重接炮。單級平板式重接炮由上、下驅(qū)動線圈、平板式彈丸和脈沖電源組成。如下圖所示。

兩線圈同軸對稱放置,中間有適當?shù)拈g隙,彈丸是實心平板物體。上下兩個線圈串聯(lián),由同一個電源供電,兩線圈的纏繞方向或串聯(lián)連接時應(yīng)保證磁力線方向相同且垂直于彈丸。

為了提高彈丸的速度,一般重接炮可由多個驅(qū)動

線圈構(gòu)成多級重接炮,與線圈炮類似,彈丸在發(fā)射過程中將依次受到各級驅(qū)動線圈的加速,獲得極高的彈丸初速。渦流磁場與重接磁場的相互作用產(chǎn)生的電磁力推動彈丸向前加速運動,原來儲存在上下線圈中的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椡璧膭幽堋?電磁炮的特點及應(yīng)用2.1電磁炮的特點與常規(guī)火炮相比,電磁炮具有如下十大優(yōu)點:(1)初速高、動能大。(2)能源簡單、安全。(3)隱蔽性好。(4)易于調(diào)整射程,(5)工作穩(wěn)定,重復(fù)性好。(6)彈丸形狀多樣。(7)彈丸飛行穩(wěn)定。(8)裝填方便、快捷。(9)效率高。(10)彈丸質(zhì)量可大可小。2.2電磁炮的應(yīng)用鑒于電磁炮的諸多特點,電磁炮在軍事上、航天和高壓物理研究方面均有美好的應(yīng)用前景。軍事上電磁炮主要用作戰(zhàn)術(shù)武器。陸軍,自行火炮的彈丸初速一般控制在4km/s,以防止大氣燒蝕;3km/s的穿甲彈能使坦克的防御和進攻能力提高四倍;大口徑的電磁炮射程達幾十公里,并能發(fā)射制導(dǎo)炮彈丸,可以取代遠程火炮;具有高射速的小口徑電磁炮可作為防空高炮使用。

海軍,同樣采用高射速小口徑電磁炮能夠攔截新一代超聲速導(dǎo)彈,以解決所面臨的高性能反艦導(dǎo)彈威脅的嚴重問題?？哲?利用電磁發(fā)射技術(shù),能夠建設(shè)形成一種全新的野戰(zhàn)機場和短程起降方式,高射速、高初速的小口徑電磁炮也可作為機載武器使用。基于電磁炮高動能、能夠發(fā)射制導(dǎo)炮彈及火控系統(tǒng)簡單、易于實現(xiàn)的特點,天基電磁炮具有更大的威力,可用于戰(zhàn)略防御。高壓物理方面,電磁炮可以用來研究材料的狀態(tài)方程、金屬成型焊接、進行碰撞核聚變和磁懸浮列車的研究。3電磁炮的關(guān)鍵技術(shù)3.1脈沖電源技術(shù)電磁炮工作時需要高達幾十兆瓦或上百兆瓦的脈沖功率,普通電源無法滿足要求。目前,電磁炮所用電源首先將初級電源的能量傳遞給儲能系統(tǒng),然后通過電力控制系統(tǒng)適時地把能量轉(zhuǎn)換到脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。主要技術(shù)包括頻率能量存儲和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)與負載的偶合。另外,由于電源在電磁炮的重量和體積上占有高達80%的比重,因此電源小型化技術(shù)也是電磁炮早日進入實用階段的關(guān)鍵。

3.2材料技術(shù)電磁炮工作時,發(fā)射裝置將承受大電流和強載荷的沖擊,對軌道材料、絕緣材料、電樞材料和彈丸彈體材料均有極高的要求。問題的解決寄希望于新材料的研究,超導(dǎo)技術(shù)將在電磁炮的研究與應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

3.3發(fā)射裝置設(shè)計發(fā)射裝置是電磁炮的核心部件,涉及到身管、供輸彈裝置、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)、電力控制系統(tǒng)及電樞、開關(guān)等。發(fā)射裝置的設(shè)計首先要根據(jù)武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求,確定采用何種發(fā)射原理和彈丸的動能,然后進行發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計以確保武器系統(tǒng)穩(wěn)定有效。發(fā)射裝置是一個集多種高新技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng),如何將已經(jīng)取得一定發(fā)展的單項技術(shù)高效的應(yīng)用到電磁炮中,需要用系統(tǒng)工程的理論和方法來進行電磁炮發(fā)射裝置的設(shè)計研究,以提高系統(tǒng)總體技術(shù)水平。4電磁炮的未來發(fā)展未來電磁炮的主要向以下幾個方面發(fā)展:第一,能源小型化。第二,能量轉(zhuǎn)換效率提高。第三,穩(wěn)定性提高。5結(jié)語經(jīng)過近20年的研究