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電磁炮 |
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電磁炮是利用電磁發射技術製成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大砲將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關注。自20世紀80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發展計劃中，已成為越來越重要的部分。簡介 利用電磁力(洛侖茲力)沿導軌發射砲彈的武器。它主要由能源、加速器、開關三部分組成。 能源通常採用可蓄存10∼100兆焦耳能量的裝置。當前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發電機，其中單極發電機是最有前途的能源。加速器是把電磁能量轉換成砲彈動能，使砲彈達到高速的裝置。主要有：使用低壓直流單極發電機供電的軌道炮加速器和離散或連續線圈結構的同軸同步加速器兩大類。開關是接通能源和加速器的裝置，能在幾毫秒之內把兆安級電流引進加速器中，其中的一種是由兩根銅軌和一個可在其中滑動的滑塊組成。早在19世紀，科學家已發現磁場中的電荷和電流會受到洛侖茲力的作用。 20世紀初，有人提出利用洛侖茲力發射砲彈的設想。在兩次世界大戰中，法國、德國和日本都曾研究過電磁炮。第二次世界大戰以後，其他國家也進行過這方面的研究。自70年代初以來，與電磁發射有關的技術取得了重大進展。澳大利亞國立大學建造了第一台電磁發射裝置，將3克重的塑料塊（砲彈）加速到6000米/秒的速度。此後，澳、美科學家製造了不同類型的實驗樣機，並進行過多次發射實驗。用單極發電機供電的電磁炮，已能把318克重的砲彈加速到4200米/秒的速度。磁通壓縮型電磁炮已能將2克重的砲彈加速到11000米/秒的速度。 結構原理 基本原理 電磁炮的原理非常簡單，19世紀，英國科學家法拉第發現，位於磁場中的導線在通 電時會受到一個力的推動，同時，如果讓導線在磁場中作切割磁力線的運動，導線上也會產生電流。這就是著名的法拉第電磁感應定律。正是根據這一定律人們發明瞭如今廣泛應用的發電機和電動機，它也是電磁炮的基本原理，或者說，電磁炮不過是一種比較特殊的電動機，因為它的轉子不是旋轉的，而是作直線加速運動的砲彈。那麼如何產生驅動砲彈的磁場，並讓電流經過砲彈，使它獲得前進的動力呢？一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體製成軌道，中間放置砲彈，使電流可以通過三者建立迴路。把這個裝置放在磁場中，並給砲彈通電，砲彈就會加速向前飛出。在1980年，美國西屋公司為“星球大戰”建造的實驗電磁炮基本就是這樣的結構。它把質量為300克的砲彈加速到了每秒約4千米。如果是在真空中，這個速度還可提高到每秒8~10千米，這已經超過了第一宇宙速度，具備了作為一種新型航天發射裝置的理論資格。 技術問題 將這一理論上的可能變為實際，還需要解決以下幾個問題：首先，那台實驗電磁炮的加速度太大，人無法承受。這個問題只有一個解決方法，那就是延長加速時間。然而這必須以採用更長的軌道為代價。由於人體只能承受大約3倍重力加速度的長時間加速，滿足人體耐受能力的電磁炮所需的軌道長度(經計算，為達到第一宇宙速度，約需1000千米！)在技術上難以實現。 第二，如果把電磁炮水平安裝在地面上，飛出砲口後的砲彈仍然會在大氣阻力下很快減速，難以順利達到環繞地球軌道，為此，用於航天發射的電磁炮必須將出口設置在空氣稀薄的高山之巔。 第三，電磁炮能夠發射的砲彈質量仍然不大，這是加速能力不足造成的。加速砲彈的力與磁場和電流之積成正比，要獲得足夠強的加速磁場一般靠超導磁體。用超導線圈產生磁場已是相對成熟的技術，但超導磁體需要冷卻到很低溫度(如液氦溫度，約-269°C)才能發揮作用，這對於軍事應用是個問題，因為會大大降低發射裝置的靈活性，但作為固定使用的航天發射裝置，基本上可以不必考慮這些，而且如果高溫超導強磁體能夠研製成功，對低溫條件的要求也可放寬。 關於電磁炮的第四個技術問題和第三個相關，因為在磁場不夠強的情況下，要想提高加速能力就只能讓砲彈通過足夠大的電流。於是就產生了大電流發熱和砲身燒蝕等麻煩。幸好這些麻煩對於航天發射不太重要，因為作為武器的電磁炮得嚴格限制長度，而作為發射工具，幾千米甚至十幾千米的砲身並不算問題，只是對建設施工時的作業精度要求較高罷了。此外，延長軌道也可使砲彈承受的加速度降低。經過計算，用5千米長的軌道使砲彈由靜止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，這已經比普通迫擊砲發射時的加速度還小了，可人顯然還是無法忍受，而長1000千米的加速軌道在地球上幾乎無法建造，因此用電磁炮發射人的想法還是放棄算了。 最後，有人覺得建造公里級長度，配備強磁場的加速軌道可能會有技術困難，但這只是不了解人類現有技術水平的臆測，實際上為數眾多的粒子加速器、對撞機等多半具有幾千米，甚至幾十千米長的加速和聚能環。而且它們除了對環道施工的精度要求極高外，各轉彎和控制點等處也均需要設置強磁場。換句話說，在建造宇宙電磁炮的基本技術方面，人們早已充分掌握了，僅僅是所用領域不同而已。真正的困難倒是，從來沒誰把超級加速器放在高寒山區，而且青藏高原的交通條件也不大好。 至於電磁炮的發射成本，如果不考慮產生強磁場的低溫液體費用，僅僅是電和不可回收的砲彈殼體而已，日常維護成本也大概和同長度的高速地鐵相仿，最多開口處一小段需要要配備專職掃雪人員，要么加個活動蓋子，也就都解決了。 性能特點 (1)電磁推動力大，彈丸速度高。電磁發射的脈衝動力約為火砲發射力的10倍,所以用它發射的彈丸速度很高。一般火砲的射擊速度約為0.8千米/秒，步槍子彈的射擊速度為l千米/秒。而電磁炮可將3克重的彈丸加速到11千米/秒，將300克的彈丸加速到4千米/秒。有的專家甚至預言，將來的速度可達100千米/秒。速度對於天基反導彈系統來說尤為重要。因為欄載器速度越高，不僅攔截的效率高。而且可大大減少天基武器的數量。 (2)彈丸穩定性好。電磁砲彈丸在砲管中受到的推力是電磁力, 這種力量是非常均勻的，而電磁推力容易控制，所以彈丸穩定性好，這有利於提高命中精度。 （3）隱蔽性好。電磁炮在發射時不產生火焰和煙霧，也不產生衝擊波，所以作戰中比較隱蔽，不易被敵人發現。而且，它採用低級燃料作能源，而不是常規火藥。這有利於發射陣地的安全、 (4)彈丸發射能量可調。可根據目標性質和射稱大小可快速調節電磁力的大小，從而控制彈丸的發射能量。 (5) 比較經濟。與常規武器比較，火砲發射藥產生每焦耳能量需要10美元， 而電磁炮只需要0.1美元。如果與其他太空武器相比，電磁炮就更經濟了。 分類 線圈炮 線圈炮又稱交流同軸線圈炮。它是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構成。根據通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在砲管中，當它通入交變電流時，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，產生電磁場力，使彈丸加速運動並發射出去。 軌道炮 軌道炮（Rail Gun）或譯磁軌炮、導軌炮由法國人維勒魯伯於1920年發明，是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去。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（理論上可以到達亞光速)射出，這就是軌道炮的發射原理，軌道炮是電磁炮最常見的式樣。電磁炮是利用電磁發射技術製成的一種先進的動能殺傷武器，與傳統的大砲將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關注。自80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發展計劃中，已成為越來越重要的部分。 電熱炮 電熱炮的原理完全不同於上述兩種電磁炮，其結構也有多種形式。最簡單的一種是採用一般的砲管，管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在砲後膛的末端。當等離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。蒸發後的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速。 重接炮 重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發射裝置，沒有砲管，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個矩形線圈上下分置，之間有間隙，長方形的“砲彈”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展形式。 |
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