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1、新概念武器-电磁炮1.引言近年来,由于高新技术的普遍应用,许多鲜为人知的新概念火炮随之诞生。其中,电磁炮因其性能奇特、威力巨大而成为新概念武器家族中的一个重要成员。2010年12月10日美国海军在弗吉尼亚州达尔格林水面作战中心,成功试射电磁炮。试射中,电磁炮以音速5倍的极速,击向200km外目标,射程为海军常规武器的10倍,破坏力惊人。美军目标在8年内进行海上实测,并于2025年前正式配备于军舰上。自从1845年世界上第一台直线磁阻电动机将一根金属棒抛射到20m远的地方算起,电磁炮已经经历了一个多世纪的艰难曲折的发展历程。20世纪80年代以来,世界上的一些
2、发达国家投入了巨额经费进行电磁炮的实验研究,并取得了突破性的成果,美国在该领域一直处于领先地位。目前,轨道炮的研究已取得实用型的成果,并开始投入使用。1992年,美国研制成功世界上第一套完整的靶场轨道炮,并在陆军尤马试验场进行了发射试验,迈出了电磁炮走出实验室的第一步。2006年7月,英国BAE系统公司与美国军方签约,为美国海军设计和制造32MJ实验室型发射装置,旨在为下一步发展64MJ战术型电磁轨道炮奠定基础。重接炮的研究工作于20世纪80年代初在美国桑迪亚实验室开始,研究仍处于应用基础研究阶段。目前,电磁炮技术的突破与发展引起各国军方的强烈关注并不惜投
3、入巨大的人力、财力从事现代电磁炮研究,电磁炮逐步由理论研究、实验室试验到向武器级别的电磁炮展开研究、试验,并陆续取得积极成果。2.电磁炮原理与分类电磁炮是一种利用电磁力推动弹丸运动的新概念火炮,由于它能将弹丸加速到极高的速度,因此被称为动能杀伤武器。法拉第电磁感应定律是电磁炮的理论基础,根据结构的不同,电磁炮可分为轨道炮、线圈炮和重接炮。2.1轨道炮工作原理轨道炮是电磁炮中结构和原理最为简单的一类。按照馈电方式、轨道性能及电枢类型,轨道炮有简单轨道炮、分散馈电轨道炮、分段轨道炮、增强型轨道炮、炮口分流型轨道炮、多轨型轨道炮、超导悬浮电枢型轨道炮和多相型轨道
4、炮等不同形式。简单轨道炮主要有两条平行的金属轨道、电枢、弹丸和大功率脉冲电源组成。轨道一般是耐磨损、抗烧蚀的良导体;电枢是高导电率的金属、等离子体或金属与等离子体的混合体,电枢与轨道之间具有良好的电接触,使电源、轨道和电枢之间构成电气回路;大功率脉冲电源一般具有兆瓦级的脉冲功率。当大功率脉冲电源向轨道、电枢回路供电时,根据平行导线的磁场分布可知两轨道间的磁场方向,作用在电枢上的力F的大小和方向可由安培定理F=i×B确定。如果假定电枢和弹丸的总质量和加速度分别为为m、a,轨道的自感梯度为Lr’,则作用在电枢和弹丸上的力的大小F=ma=12×Lr’×i2(1)
5、简单轨道炮存在两大技术问题,一是为了获得恒定的加速度,需要大量的储能和复杂的电源系统提供恒定的激励电流,在恒流激励下轨道中储存的剩余磁能无法得到利用,不仅降低了转换效率,而且会引起炮口电弧;二是通过加长轨道提高速度将使回路电阻增加,导致欧姆损失增加,效率下降。采用多储能器分散馈电的轨道炮能提供恒定的激励电流,使小尺寸轨道炮的转换效率提高20%;将较长的简单轨道炮分成若干独立部分的分段轨道炮可解决简单轨道炮存在的难题。由轨道炮的基本运动方程(1)可知,作用在弹丸上的力与轨道的电感梯度成正比,从提高轨道的电感梯度的角度出发,人们设计了各种增强型轨道炮。2.2线
6、圈炮工作原理线圈炮也被称为同轴加速器或形波加速器,主要由沿导向板条轴向排列的若干驱动线圈、弹载线圈、弹丸和脉冲驱动电源组组成。弹载线圈绕在弹丸上,每个驱动线圈分别由各自的驱动电源依次供电。当电源给驱动线圈施加脉冲电流时,驱动线圈中电流的突变,在弹载线圈中产生感应电流和磁场,两个线圈的磁场相互作用产生安培力,使线圈彼此有电磁力的相互作用。由于驱动线圈是固定的,因此弹载线圈便携带弹丸运动,运动方向则由两个线圈中的电流方向和两者之间的相对位置决定。设驱动线圈脉冲电流为ip,弹载线圈电流为id,两者之间的互感为M,则两个线圈之间沿线圈轴线方向x的作用力F=dM/d
7、x×ip×id(2)当弹载线圈和弹丸位于驱动线圈左侧时,两者相吸,弹丸受到向右的吸引力而向右运动,在弹丸通过驱动线圈中心横截面以前,两个线圈之间的磁耦合增强,互感增加,弹丸所受到的向右的力随之增加,弹丸将作变加速运动,速度迅速增加;当弹丸通过驱动线圈中心横截面以后,由于两个线圈之间的磁耦合降低,互感的减少,弹丸受力的方向改变,弹丸受到向左的吸力作用而减速。由此可见,为了使弹丸始终受到加速力的作用,应当在弹丸通过驱动线圈中心横截面的瞬间切断驱动线圈的电源,弹丸以惯性继续运动,在到达第二个驱动线圈左端面时,第二个驱动电源以同样的方式进行馈电,弹丸将被第二次加速
8、,依次类推,弹丸在整个内弹道循环期间依次受到各驱动线圈的加速力的作
