发展中的电磁炮

刘廷贤
(炮兵指挥学院物理教研室，河北宣化　075100)

　　摘　要　概括叙述了三种不同类型的电磁炮的工作原理，并对其关键技术进行了简要的分析.基本上反映了电磁炮的发展现状.
　　关键词　电磁轨道炮；同轴线圈炮；磁力线重接炮
　　分类号　O 59

1　电磁炮概述
　　现在，以火药作为发射能源的传统火炮，已经能够将质量为几千克的弹丸加速到1.8 km/s左右的炮口速度(即弹丸离开炮口时的速度).这已经接近化学能发射弹丸速度的极限(不包括采用火箭推进方式).然而随着军事科学技术的发展，利用化学能发射弹丸所能获得的速度，远远不能适应目前反装甲、防空、拦截高速导弹技术的需要.在这种情况下，利用电能发射弹丸的电磁炮便应运而生.
　　电磁炮以电磁力推进弹丸，能使弹丸获得很高的初速度.目前试验已获得的最高速度为：当弹丸质量为3.1×10^-3 kg时，初速可达10.1 km/s.为适应地面战术武器的应用，人们追求的目标是将千克级的弹丸通过电磁力加速到2.5～4 km/s；而对于天基战略防御拦截导弹的武器(部署在航天器上的战略防御拦截导弹的武器)，则要求将质量为几克至几十克的弹丸加速到20 km/s以上.近十几年来，各主要发达国家研究试验的实践表明，达到这一目标是可能的.
　　现在，电磁炮原理上的问题已基本解决.但是由于在工程技术及制造工艺上还存在一些问题有待解决，所以它的发展仍处在实验阶段.各国的军队都还没有实际使用它.据资料介绍，美国陆军计划要在今年，将电磁炮安装在坦克上投入使用.由于保密的原因，详情还不清楚.
　　按照结构的不同，电磁炮可区分为电磁轨道炮、同轴线圈炮和磁力线重接炮三种.目前发展比较迅速、理论和实践上比较成熟、接近武器化的，主要是电磁轨道炮和同轴线圈炮.

2　电磁炮的工作原理
2.1　电磁轨道炮的工作原理
　　如图1所示，电磁轨道炮由两条联接着大电流源的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向可滑动的电枢组成.发射时，电流由一条导轨流经电枢，再由另一条导轨流回，而构成闭合回路.强大的电流流经两平行导轨时，在两导轨间产生强大的磁场，这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生强大的电磁力，该力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而获得高速度.
　　根据毕奥-萨伐尔定律和安培定律可推得，电枢受到的电磁场的作用力与电流强度的平方成正比，即
　　　　　　　　　　F=kI²
由此可见，要想获得弹丸的高速度，必须供给轨道强大的电流.通常该电流的数值在兆安级.而电流的脉冲宽度在毫秒数量级.
　　在强脉冲电流的作用下，轨道炮中弹丸的加速度可达重力加速度的几十万倍.因此，轨道炮只需要较短的导轨，就能使弹丸获得很高的速度.它的优点是结构简单，适用范围广.例如可用于天基战略反导，发射质量为1～10 g的弹丸，能使其速度达到20 km/s以上，以拦截战略导弹；也可用于地面战术武器，如反装甲和防空；还可用于各类超高速碰撞，包括碰撞核聚变、流星体碰撞等研究.其缺点一是效率低，一般约10%左右.二是大电流对导轨的烧蚀严重，影响其使用寿命.为此，近些年来又出现了一些改进型的电磁轨道炮.例如，有的轨道炮为了减小电流，在轨道炮的外面与轨道并行走向绕多匝线圈以增强磁场，称为加强型轨道炮；有的轨道炮采用分段储能、供电或多级串联使用以提高效率.

3　电磁炮的关键技术分析
　　电磁炮的关键技术主要有：电源技术、电磁发射器设计技术、材料技术、以及系统总体设计技术等.
3.1　电源技术
　　由于电磁炮发射时需要非常大的脉冲电功率(要求电源功率在吉瓦数量级，脉冲持续时间在毫秒数量级)，普通电源满足不了这一要求.因此，通常的作法是先将初级电源的功率传递给储能系统，将能量储存起来，后者在适当的时机以适当的方式将能量转换到脉冲形成网络中，以适应负载的要求.目前电磁炮原理试验样机使用的电源主要有：电容器组、电感储能系统、磁通压缩发生器、蓄电池组、脉冲磁流体发电装置、单极脉冲发电机和补偿型脉冲交流发电机等七种形式.每种电源都有其自身的特点和使用价值.从目前研究和试验情况来看，研究的重点是：高能量高储能密度的电容器组、单级发电机、补偿型交流发电机.这几种电源发展比较迅速，应用也日趋成熟.电源技术的难点在于缩小其体积.
3.2　电磁发射器设计技术
　　电磁发射器是电磁炮的核心部件.首先必须根据武器系统的使用要求，研究确定采用哪种发射原理和方式，能够满足性能的要求；其次要根据已确定的弹丸动能，推算所需电源的脉冲功率，来确定最佳的供电方式和采用的电源形式；再次，要研究用于试验的发射器结构形式，包括炮身、供弹系统以及能量储存转换方式；最后，要组成在实验室或试验场条件下，能够实现发射循环的原理样机或试验装置，进行发射试验，测试有关数据.并根据试验数据修改和完善原理样机，为全武器系统的设计提供必要的参数和依据.
3.3　材料技术
　　由于电磁炮发射时是在强脉冲电流的条件下加速弹丸的，其工作条件极为恶劣.因此，对其所用材料的要求就很高.目前对材料的研究主要是对轨道材料、绝缘材料、弹丸材料等的研究.
　　轨道炮的导轨是在兆安级的电流下工作的，材料要经受瞬时极大的热流冲击，容易造成导轨的严重烧蚀，特别是弹丸底部的初始位置，烧蚀更为严重.因此，导轨材料首先要有好的抗烧蚀性能，同时还应具有良好的导电性能和高的倔服强度，滑动摩擦系数要小，并且在高温下能保持较强的硬度.目前多使用性能良好的无氧铜，或钢与钨、锆、钍、镍、铬等的合金.
　　与导轨、电枢接触的绝缘材料应具有较强的抗电弧烧蚀性能.用于线圈炮的绝缘材料必须耐高温和高压，而且要有较高的机械强度.试验已经发现了一些性能比较好的材料，如二氧化硅、三氧化二铝等.
　　目前电磁炮的弹丸材料多为塑料或轻金属.其外弹道特性还未及考虑.弹丸材料必须能够承受膛内加速时所产生的比传统火炮高得多的加速度(约为重力加速度的几十万倍).再加上与装甲目标的高速碰撞，其硬度是至关重要的.而且一旦弹丸速度达到3 km/s以上，它在空气中高速飞行时产生的摩擦热，也足以将普通材料的弹丸熔化掉.所以，弹丸材料不仅硬度要高，还要耐烧蚀.
3.4　系统总体技术
　　十几年来，电磁炮的研究，主要围绕如何提高弹丸速度这一核心问题，开展了许多相关单项技术的研究，并取得了长足的发展.单项技术发展到一定程度时，系统总体技术就成为武器系统研制的一项十分重要的关键技术.而且必须先行一步，必须从系统的总体部置和各组成部分的功能，以及选择的技术途径和实施方案等全局出发，为各分系统和零部件的研究发展提出量化指标及相应的约束条件，以求得系统总体综合性能的优化.
　　以上所述关键技术是基于对目前发展现状的分析而得到的.随着科学技术的发展和电磁炮的日趋成熟，关键技术的研究领域也可能发生转移.

4　参考文献
1　洪昌仪.兵器工业高新技术.北京：兵器工业出版社，1994.28～40