圖　12　電磁炮的工作原理

2.1　電磁軌道炮的工作原理

　　如圖1所示，電磁軌道炮由兩條聯(lián)接著大電流源的固定平行導(dǎo)軌和一個(gè)沿導(dǎo)軌軸線方向可滑動的電樞組成.發(fā)射時(shí)，電流由一條導(dǎo)軌流經(jīng)電樞，再由另一條導(dǎo)軌流回，而構(gòu)成閉合回路.強(qiáng)大的電流流經(jīng)兩平行導(dǎo)軌時(shí)，在兩導(dǎo)軌間產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，這個(gè)磁場與流經(jīng)電樞的電流相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，該力推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿導(dǎo)軌加速運(yùn)動，從而獲得高速度.

　　根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和安培定律可推得，電樞受到的電磁場的作用力與電流強(qiáng)度的平方成正比，即

　　　　　　　　　　F=kI2

由此可見，要想獲得彈丸的高速度，必須供給軌道強(qiáng)大的電流.通常該電流的數(shù)值在兆安級.而電流的脈沖寬度在毫秒數(shù)量級.

　　在強(qiáng)脈沖電流的作用下，軌道炮中彈丸的加速度可達(dá)重力加速度的幾十萬倍.因此，軌道炮只需要較短的導(dǎo)軌，就能使彈丸獲得很高的速度.它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣.例如可用于天基戰(zhàn)略反導(dǎo)，發(fā)射質(zhì)量為1～10 g的彈丸，能使其速度達(dá)到20 km/s以上，以攔截戰(zhàn)略導(dǎo)彈；也可用于地面戰(zhàn)術(shù)武器，如反裝甲和防空；還可用于各類超高速碰撞，包括碰撞核聚變、流星體碰撞等研究.其缺點(diǎn)一是效率低，一般約10%左右.二是大電流對導(dǎo)軌的燒蝕嚴(yán)重，影響其使用壽命.為此，近些年來又出現(xiàn)了一些改進(jìn)型的電磁軌道炮.例如，有的軌道炮為了減小電流，在軌道炮的外面與軌道并行走向繞多匝線圈以增強(qiáng)磁場，稱為加強(qiáng)型軌道炮；有的軌道炮采用分段儲能、供電或多級串聯(lián)使用以提高效率.

　　　　　　圖　22.2　同軸線圈炮的工作原理

　　如圖2所示，同軸線圈炮由環(huán)繞于炮膛的一系列固定的加速線圈與環(huán)繞于彈丸的彈載運(yùn)動線圈(彈丸線圈)構(gòu)成.它利用加速線圈與彈丸線圈之間互感時(shí)產(chǎn)生的電磁力作為彈丸的加速力.當(dāng)給加速線圈突然加上電流時(shí)在彈線圈內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，這時(shí)兩個(gè)線圈相當(dāng)于兩個(gè)電磁鐵，它們相互排斥，彈丸線圈受到的這個(gè)排斥力就是加速力.發(fā)射時(shí)依次給加速線圈供電，于是產(chǎn)生沿炮身管運(yùn)動的磁場，這個(gè)磁場與彈丸線圈中感應(yīng)電流激勵(lì)的磁場相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的加速力，從而使彈丸加速運(yùn)動.需要說明的是，加速線圈與彈丸線圈之間的相互作用，相當(dāng)于兩個(gè)磁體間的相互作用，既可以相斥也可以相吸，可使彈丸加速也可使彈丸減速.因此，必須保證使加速線圈產(chǎn)生的磁場與彈丸線圈的運(yùn)動位置精確同步.同軸線圈炮與電磁軌道炮相比有三個(gè)優(yōu)點(diǎn).一是加速力大，它的加速力峰值是電磁軌道炮的100倍.第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于同軸線圈炮中彈丸不與炮膛直接接觸，是靠磁懸浮力運(yùn)動的，因而炮管與彈丸之間無摩擦.而且加速力施加于整個(gè)彈丸之上，從而使能量利用率較高，一般可達(dá)50%.第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是需要的電流較小，不存在兆安級的脈沖電流，可使開關(guān)裝置簡化.

　　一般來說，同軸線圈炮適用于與軌道炮相比發(fā)射初速度較低，口徑與質(zhì)量較大的彈丸，如加榴炮彈丸.也可用來發(fā)射魚雷、導(dǎo)彈或彈射飛行器等.

2.3　重接炮的工作原理

　　重接炮是電磁炮的一種新形式.目前只有美國對單級重接炮進(jìn)行了一些理論研究.單級重接炮由上下兩個(gè)長方形同軸線圈組成，其間有一間隙.發(fā)射體為一長方體，可穿過兩線圈的間隙作加速運(yùn)動.重接炮綜合了線圈炮能發(fā)射大質(zhì)量彈丸、以及軌道炮能發(fā)射超高速彈丸的優(yōu)點(diǎn)，還可賦予彈丸更高的加速力峰值，且使平均加速力與峰值加速力之間相差不大，從而使彈丸獲得均勻的加速度.重接炮被認(rèn)為是未來天基超高速電磁炮的結(jié)構(gòu)形式.由于其理論和實(shí)踐上還不夠成熟，所以本文不再對它的工作原理進(jìn)行更為詳盡的敘述.3　電磁炮的關(guān)鍵技術(shù)分析

　　電磁炮的關(guān)鍵技術(shù)主要有：電源技術(shù)、電磁發(fā)射器設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、以及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)等.

3.1　電源技術(shù)

　　由于電磁炮發(fā)射時(shí)需要非常大的脈沖電功率(要求電源功率在吉瓦數(shù)量級，脈沖持續(xù)時(shí)間在毫秒數(shù)量級)，普通電源滿足不了這一要求.因此，通常的作法是先將初級電源的功率傳遞給儲能系統(tǒng)，將能量儲存起來，后者在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)以適當(dāng)?shù)姆绞綄⒛芰哭D(zhuǎn)換到脈沖形成網(wǎng)絡(luò)中，以適應(yīng)負(fù)載的要求.目前電磁炮原理試驗(yàn)樣機(jī)使用的電源主要有：電容器組、電感儲能系統(tǒng)、磁通壓縮發(fā)生器、蓄電池組、脈沖磁流體發(fā)電裝置、單極脈沖發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償型脈沖交流發(fā)電機(jī)等七種形式.每種電源都有其自身的特點(diǎn)和使用價(jià)值.從目前研究和試驗(yàn)情況來看，研究的重點(diǎn)是：高能量高儲能密度的電容器組、單級發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償型交流發(fā)電機(jī).這幾種電源發(fā)展比較迅速，應(yīng)用也日趨成熟.電源技術(shù)的難點(diǎn)在于縮小其體積.

3.2　電磁發(fā)射器設(shè)計(jì)技術(shù)

　　電磁發(fā)射器是電磁炮的核心部件.首先必須根據(jù)武器系統(tǒng)的使用要求，研究確定采用哪種發(fā)射原理和方式，能夠滿足性能的要求；其次要根據(jù)已確定的彈丸動能，推算所需電源的脈沖功率，來確定最佳的供電方式和采用的電源形式；再次，要研究用于試驗(yàn)的發(fā)射器結(jié)構(gòu)形式，包括炮身、供彈系統(tǒng)以及能量儲存轉(zhuǎn)換方式；最后，要組成在實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)場條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射循環(huán)的原理樣機(jī)或試驗(yàn)裝置，進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，測試有關(guān)數(shù)據(jù).并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修改和完善原理樣機(jī)，為全武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供必要的參數(shù)和依據(jù).

3.3　材料技術(shù)

　　由于電磁炮發(fā)射時(shí)是在強(qiáng)脈沖電流的條件下加速彈丸的，其工作條件極為惡劣.因此，對其所用材料的要求就很高.目前對材料的研究主要是對軌道材料、絕緣材料、彈丸材料等的研究.

　　軌道炮的導(dǎo)軌是在兆安級的電流下工作的，材料要經(jīng)受瞬時(shí)極大的熱流沖擊，容易造成導(dǎo)軌的嚴(yán)重?zé)g，特別是彈丸底部的初始位置，燒蝕更為嚴(yán)重.因此，導(dǎo)軌材料首先要有好的抗燒蝕性能，同時(shí)還應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能和高的倔服強(qiáng)度，滑動摩擦系數(shù)要小，并且在高溫下能保持較強(qiáng)的硬度.目前多使用性能良好的無氧銅，或鋼與鎢、鋯、釷、鎳、鉻等的合金.

　　與導(dǎo)軌、電樞接觸的絕緣材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗電弧燒蝕性能.用于線圈炮的絕緣材料必須耐高溫和高壓，而且要有較高的機(jī)械強(qiáng)度.試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些性能比較好的材料，如二氧化硅、三氧化二鋁等.

　　目前電磁炮的彈丸材料多為塑料或輕金屬.其外彈道特性還未及考慮.彈丸材料必須能夠承受膛內(nèi)加速時(shí)所產(chǎn)生的比傳統(tǒng)火炮高得多的加速度(約為重力加速度的幾十萬倍).再加上與裝甲目標(biāo)的高速碰撞，其硬度是至關(guān)重要的.而且一旦彈丸速度達(dá)到3 km/s以上，它在空氣中高速飛行時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱，也足以將普通材料的彈丸熔化掉.所以，彈丸材料不僅硬度要高，還要耐燒蝕.

3.4　系統(tǒng)總體技術(shù)

　　十幾年來，電磁炮的研究，主要圍繞如何提高彈丸速度這一核心問題，開展了許多相關(guān)單項(xiàng)技術(shù)的研究，并取得了長足的發(fā)展.單項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)，系統(tǒng)總體技術(shù)就成為武器系統(tǒng)研制的一項(xiàng)十分重要的關(guān)鍵技術(shù).而且必須先行一步，必須從系統(tǒng)的總體部置和各組成部分的功能，以及選擇的技術(shù)途徑和實(shí)施方案等全局出發(fā)，為各分系統(tǒng)和零部件的研究發(fā)展提出量化指標(biāo)及相應(yīng)的約束條件，以求得系統(tǒng)總體綜合性能的優(yōu)化.