新概念動(dòng)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(gè)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(dá)到實(shí)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(dá)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(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jí)的脈沖功率。

當(dāng)大功率脈沖電源向軌道、電樞回路供電時(shí),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(dòng)線圈、彈載線圈、彈丸和脈沖驅(qū)動(dòng)電源組組成。彈載線圈繞在彈丸上,每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈分別由各自的驅(qū)動(dòng)電源依次供電。線圈炮原理示意圖

當(dāng)電源給驅(qū)動(dòng)線圈施加脈沖電流時(shí),驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)線圈是固定的,因此彈載線圈便攜帶彈丸運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向則由兩個(gè)線圈中的電流方向和兩者之間的相對(duì)位置決定。

如果將驅(qū)動(dòng)線圈和彈載線圈等效為兩個(gè)電磁鐵,那么兩個(gè)線圈磁場的相互作用如下圖所示當(dāng)彈載線圈和彈丸位于驅(qū)動(dòng)線圈左側(cè)時(shí),兩者相吸,彈丸受到向右的吸引力而向右運(yùn)動(dòng),在彈丸通過驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面以前,兩個(gè)線圈之間的磁耦合增強(qiáng),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(yùn)動(dòng),速度迅速增加;當(dāng)彈丸通過驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面以后,由于兩個(gè)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(dāng)在彈丸過驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面的瞬間切斷驅(qū)動(dòng)線圈的電源,彈丸以慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在到達(dá)第二個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈左端面時(shí),第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電源以同樣的方式進(jìn)行饋電,彈丸將被第二次加速,依次類推,彈丸在整個(gè)內(nèi)彈道循環(huán)期間依次受到各驅(qū)動(dòng)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(yán)格控制驅(qū)動(dòng)電源組的工作時(shí)機(jī),使驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場與彈載線圈的運(yùn)動(dòng)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(dòng)線圈的間隙中被加速和圓柱型彈丸在軸對(duì)稱的圓筒線圈內(nèi)被加速兩種形式的重接炮。單級(jí)平板式重接炮由上、下驅(qū)動(dòng)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(duì)稱放置,中間有適當(dāng)?shù)拈g隙,彈丸是實(shí)心平板物體。上下兩個(gè)線圈串聯(lián),由同一個(gè)電源供電,兩線圈的纏繞方向或串聯(lián)連接時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)

線圈構(gòu)成多級(jí)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(jí)驅(qū)動(dòng)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(dòng)彈丸向前加速運(yùn)動(dòng),原來儲(chǔ)存在上下線圈中的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椡璧膭?dòng)能。2電磁炮的特點(diǎn)及應(yīng)用2.1電磁炮的特點(diǎn)與常規(guī)火炮相比,電磁炮具有如下十大優(yōu)點(diǎn):(1)初速高、動(dòng)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(diǎn),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(jìn)攻能力提高四倍;大口徑的電磁炮射程達(dá)幾十公里,并能發(fā)射制導(dǎo)炮彈丸,可以取代遠(yuǎn)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(yán)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(jī)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(jī)載武器使用?；陔姶排诟邉?dòng)能、能夠發(fā)射制導(dǎo)炮彈及火控系統(tǒng)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),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(jìn)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(shí)需要高達(dá)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(jí)電源的能量傳遞給儲(chǔ)能系統(tǒng),然后通過電力控制系統(tǒng)適時(shí)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(chǔ)和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)與負(fù)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(dá)80%的比重,因此電源小型化技術(shù)也是電磁炮早日進(jìn)入實(shí)用階段的關(guān)鍵。

3.2材料技術(shù)電磁炮工作時(shí),發(fā)射裝置將承受大電流和強(qiáng)載荷的沖擊,對(duì)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(jì)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(jì)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(dòng)能,然后進(jìn)行發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以確保武器系統(tǒng)穩(wěn)定有效。發(fā)射裝置是一個(gè)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(xiàng)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(jìn)行電磁炮發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)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(gè)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