早网宽名斜管利宽院曾积 pumal of CAEr “新概念武器”专题 新概念动能武器一电磁炮 李如年，王敬，王海 (桂林空军学院，广西桂林541003) 摘要：电磁地是现代战争中的代新概念或器，目前国外的技术发展已达到实用阶段用物理学 中关于电流的磁场、电磁感应和涡流的基本理论对轨道炮、线图炮、重接炮三种电磁炮的基本原理 进行了分析：研究了轨道炮、线国炮、重接炮的特点、应用前景：探讨了脉冲电源技术，材料技术、发 射装置设计等电磁炮关键技术：最后总结了电磁炮的发展现状，展塑了未来发展趋势 关键词：电磁地；轨道炮：线圈炮：重接地 中图分类号：2 文献标识码：A文章编号：1673-5692(2011)02-125-05 The New Concept ofK inetic Energy W eaponEM Gun LIRUnian WANG ling WANG Hai Guiln Airprce Academy GuangxiGuin541003 Chha) Abstract The EM gun is a new concept weapon in the malem war and he fore gn technique develop ment already amives a practcal stage cumrently The basic principle of three kinds ofFM gun ie the rail gup coigup reconnectin gun is anayzed based on the physical theory of the magnetic fiel concem ng e kectric magnetic fied electomagnetic induction and whirpool The characteristics of raigun coi gun reconnecton gun and applicaton foreground are investgaed The FM gun key technqueswhich include the pulse power maeral technique and desgn ofblastoff are discussed Final y the present deve kpment and he trend of EM gin are summarized Key words EM gun aigup coigun reconnection gun 0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 图弗吉尼亚州达尔格林的电磁轨道炮装置 要成员。 2010年12月10日美国海军在弗吉尼亚州达 自从1845年世界上第一台直线磁阻电动机将 尔格林水面作战中心成功试射电磁炮，美国海军 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 设在弗吉尼亚州达尔格林的电磁轨道炮装置如图 80年代以来，世界上的一些发达国家投入了巨额经 1所示。试射中，电磁炮以音速5倍的极速，击向 200m外目标射程为海军常规武器的10倍，破坏 费进行电磁炮的实验研究并取得了突破性的成果， 力惊人。美军目标在8年内进行海上实测，并于 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 2025年前正式配备于军舰上 美国研制成功世界上第一套完整的靶场轨道炮，并在 收稿日期：2011-02-27 修订日期：2011-0402 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 2期 2011年 4月 JournalofCAEIT Vol.6 No.2 Apr. 2011 “新概念武器 ”专题 收稿日期:2011-02-27 修订日期:2011-04-02 新概念动能武器 —电磁炮 李如年 , 王 敬 , 王 海 (桂林空军学院 ,广西桂林 541003) 摘 要 :电磁炮是现代战争中的一代新概念武器,目前国外的技术发展已达到实用阶段。用物理学 中关于电流的磁场、电磁感应和涡流的基本理论对轨道炮 、线圈炮、重接炮三种电磁炮的基本原理 进行了分析 ;研究了轨道炮 、线圈炮、重接炮的特点 、应用前景 ;探讨了脉冲电源技术、材料技术、发 射装置设计等电磁炮关键技术;最后总结了电磁炮的发展现状 ,展望了未来发展趋势 。 关键词 :电磁炮;轨道炮;线圈炮 ;重接炮 中图分类号 :E92 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2011)02-125-05 TheNewConceptofKineticEnergyWeapon—EM Gun LIRU-nian, WANGJing, WANGHai (GuilinAirforceAcademy, GuangxiGuilin541003, China) Abstract:TheEMgunisanewconceptweaponinthemodernwar, andtheforeigntechniquedevelopmentalreadyarrivesapracticalstagecurrently.ThebasicprincipleofthreekindsofEMgun, ie, therailgun, coilgun, reconnectiongunisanalyzedbasedonthephysicaltheoryofthemagneticfieldconcerning electricmagneticfield, electromagneticinductionandwhirlpool.Thecharacteristicsofrailgun, coilgun, reconnectiongunandapplicationforegroundareinvestigated.TheEMgunkeytechniqueswhichinclude thepulsepowertechnique, materialtechniqueanddesignofblast-offequipmentetc.arediscussed.FinallythepresentdevelopmentandthetrendofEMgunaresummarized. Keywords:EMgun;railgun;coilgun;reconnectiongun 0 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 , 美国海军 设在弗吉尼亚州达尔格林的电磁轨道炮装置如图 1所示。试射中, 电磁炮以音速 5 倍的极速 , 击向 200 km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。 图 1 弗吉尼亚州达尔格林的电磁轨道炮装置 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 20 m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
126 平网电斜潘研完院百积 2011年第2期 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.美军测试申磁轨道炮如图2所示 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卫M实验室型发射装置，旨 12一轨道3电4一弹月 在为下一步发展64M战术型电磁轨道炮莫定基础 图3简单轨道炮原理示意图 重接炮的研究工作于20世纪80年代初在美国桑迪 下=x确定”。如果假定电枢和弹丸的总质量和 亚实验室开始.研究仍处于应用基研究阶段 加速度分别为为四轨道的自感梯度为L则作 用在电枢和弹丸上的力的大小 F-m-11 (1) 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 图2美军测试电磁轨道炮实拍 提供恒定的激励电流，在恒流激励下轨道中储存的 目前，电磁炮技术的突破与发展引起各国军方 剩余磁能无法得到利用，不仅降低了转换效率，而日 的强烈关注并不惜投入巨大的人力、财力从事现代 会引起炮口电弧：二是通过加长轨道提高速度将 电磁炮研究电磁炮逐步由理论研究、实验室试验到 使回路电阻增加，导致欧姆损失增加，效率下降。 向武器级别的电磁炮展开研究，试验，并陆续取得积 采用多储能器分散馈电的轨道炮能提供恒定的 极成果。 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 1电磁炮原理与分类 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 电磁炮是一种利用电磁力推动弹丸运动的新概 丸上的力与轨首的电感梯度成正比，从提高轨道的 念火炮，由于它能将弹丸加速到极高的速度因此被 电感梯度的角度出发，人们设计了各种增强型轨道 称为动能杀伤武器。法拉第电磁感应定律是电磁炮 炮。原理上.增强型轨道炮可分为两大类一类是串 的理论基础，根据结构的不同，电磁炮可分为轨道 联增强型轨道饱，即将多师轨道串联由同一申源供 炮、线圈炮和重接炮 电。从而增大磁场减小电流，增加电感梯度：另一类 11轨道炮工作原理 是外场增强型轨道炮，即利用由另一电源馈电且与 轨道紧密耦合的独立线圈达到保持轨道电流不变 轨道炮是电磁炮中结构和原理最为简单的一 的情况下，增强轨道磁场的目的. 类。按照馈电方式、轨道性能及电枢类型，轨道炮有 炮口分流轨道均是在炮口的轨首上跨接一分清 简单轨道炮、分散馈电轨道炮、分段轨道炮、增强型 （短路导体或阻抗元件，使得电枢后面的磁场也 轨道炮，炮口分流型轨道炮、多轨型轨道炮、超导悬 发挥对弹丸的加速作用，起到增强磁场的目的。与 浮电枢型轨道炮和多相型轨道炮等不同形式。 串联增强型轨道炮相比炮口分流轨道炮具有结构 简单轨道炮主要有两条平行的金属轨道、电枢 简单，欧姆损失小的特点。 弹丸和大功率脉冲电源组成，如图3所示。轨道 使用多条轨道发射同一弹丸的多轨型轨道炮能 般是耐磨损、抗烧蚀的良导体：电枢是高导电率的金 极大地提高弹丸的速度并能进行连续多次发射。研 屈、等离子体或金属与等离子体的混合体.电权与轨 究表明，四轨道炮较简单的轨道炮具有更好的性能， 道之间具有良好的电接触，使电源，轨道和电枢之间 多于四轨道的虽然原理上成立.但性能未必好于简 构成电气回路：大功率脉冲电源一般具有兆瓦级的 单轨道炮 脉冲功率 超导悬浮电枢轨道炮的电枢具有环路拓扑结 当大功率脉冲电源向轨道、电枢回路供电时，假 构，能将电流引入电枢环路，并永久保持在其中，使 定回路中的电流方向如图所示，根据平行导线的 之受到轨道的磁场的作用而悬浮 电枢与轨道间无 磁场分布可知，两轨道间的磁场方向B蜘如图所示 机械接触，因此不存在电和轨道烧蚀问题，能将弹 作用在电枢上的力F的大小和方向可由安培定理 丸加速到超高速。 21994-2015 China Academie lournal flectronic publishin
126 2011年第 2期 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 ,美军测试电磁轨道炮如图 2所示 。 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。 图 2 美军测试电磁轨道炮实拍 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 。 1 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。 1.1 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, 如图 3 所示 。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,假 定回路中的电流方向 i如图所示 , 根据平行导线的 磁场分布可知 , 两轨道间的磁场方向 B如图所示 , 作用在电枢上的力 F的大小和方向可由安培定理 图 3 简单轨道炮原理示意图 F ※ =i ※ ×B ※ 确定 [ 1] 。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= 1 2 Lr′i 2 (1) 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 [ 2] ;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。原理上,增强型轨道炮可分为两大类,一类是串 联增强型轨道炮, 即将多匝轨道串联由同一电源供 电, 从而增大磁场, 减小电流 ,增加电感梯度 ;另一类 是外场增强型轨道炮 ,即利用由另一电源馈电且与 轨道紧密耦合的独立线圈, 达到保持轨道电流不变 的情况下 ,增强轨道磁场的目的。 炮口分流轨道炮是在炮口的轨道上跨接一分流 器(短路导体或阻抗元件 ), 使得电枢后面的磁场也 发挥对弹丸的加速作用 , 起到增强磁场的目的。与 串联增强型轨道炮相比, 炮口分流轨道炮具有结构 简单 ,欧姆损失小的特点 。 使用多条轨道发射同一弹丸的多轨型轨道炮能 极大地提高弹丸的速度并能进行连续多次发射。研 究表明,四轨道炮较简单的轨道炮具有更好的性能; 多于四轨道的虽然原理上成立, 但性能未必好于简 单轨道炮 。 超导悬浮电枢轨道炮的电枢具有环路拓扑结 构, 能将电流引入电枢环路 , 并永久保持在其中, 使 之受到轨道的磁场的作用而悬浮 , 电枢与轨道间无 机械接触 ,因此不存在电弧和轨道烧蚀问题 ,能将弹 丸加速到超高速
2011年第2期 李如年等，新概念动能武器一电磁炮 127 与其他轨道炮不同，多相轨道炮由多相交流电源 在到达第二个驱动线圈左端面时，第二个驱动电源以 馈电。多条对称分布的轨道使轨道磁场趋于圆对称 同样的方式进行馈电，弹丸将被第二次加速依次类 使轨道受力均匀，交流馈电有利于降低电弧烧蚀。因 推弹丸在整个内弹道循环期间依次受到各驱动线圈 此多相轨道炮具有速度高、效率高及耐用的特点。 的加速力的作用，直至飞出炮口，获得极高的初速， 12线圈炮工作原理 由以上分析可知，为了保证弹丸一直处于加讨 状态，必须严格控制驱动电源组的工作时机，使驱动 线圈炮也被称为“同轴加速器”或“形波加速 线圈产生的陵场与弹载线图的坛动位罗结确同光 器”主要由沿导向板条轴向排列的若干驱动线圈 这可由线圈炮的结构设计来保证的 弹载线圈、弹丸和脉冲服动由源组组成。弹载我圈 线图炮通常在驱动线圈内侧安装由良导体制作 绕在弹丸上，每个驱动线圈分别由各自的驱动电源 的导向条，使弹载线圈运动时在导向条中产生的深 依次供电，线圈炮的原理示意图，如图4所示。 流对弹丸产生斥力，使之悬浮而不与驱动线圈接触 由以上分析可知，线圈炮的发射原理类似于直 线电动机，但与旋转电机不同的是，线圈炮中不需 ● 要所有定子绕组驱动线圈和转子绕组G弹载线圈， ●●●】 同时连激励.只要求弹载线圈和与弹载线图所对应 的驱动线圈能有效地进行磁耦合即可，其他驱动线圈 图4线圈炮原理示意图 不以数万励知线圈炮采用的是局离部调励 通常押收动 当电源给驱动线圈施加脉冲电流时，驱动线圈 线圈的局部激励与弹载线圈间的磁耦合过程定义为 中电流的突变在弹载线圈中产生感应电流和磁场， 换向。换向是线圈炮的必备技术各种线圈炮因工作 两个线圈的磁场相互作用产生安培力，使线圈彼此有 方式不同分别采用不同的换向方式常用的换向方 电磁力的相互作用 ,由于驱动线圈是固定的，因此 式有运动感应换向、开关换向和外电压换向三类 弹载线圈便携带弹丸运动.运动方向则由两个线圈中 1.3重接炮工作原理 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。弹载线圈电流为：两者之间的互 重接炮是电磁发射的一种较新形式，目前主要 感为M则两个线圈之间沿线圈轴线方向的作用力 右平板形状的弹丸在取动线图的间隙中被加速和圆 (2 柱型弹丸在轴对称的圆筒线圈内被加速两种形式的 重接炮 如果将取动线圈和弹载线圈等效为两个申磁 单级平板式重接的由上、下取动线图、平板式科 铁，那么两个线圈磁场的相互作用如图5所示. 丸和脉冲电源组成，线圈和弹丸的结构示意图如图 6所示。两线圈同轴对称放置，中间有适当的间隙 F-HS N- 弹丸是由抗磁性良导电体的实心平板物体， 上下两 个线圈串联由同一个电源供电。两线圈的缠绕方向 弹线线图利和弹丸 整动线圈 或串联连接时应保证磁力线方向相同目垂直于弹 图5单级线国炮的受力 平板式弹丸的面积应略大于线圈口面积。与制 当弹载线圈和弹丸位于驱动线圈左侧时，两者相 首均和线图均不同的是，重接蜘在开始发射恤，弹力 吸，弹丸受到向右的吸引力而向右运动，在弹丸通过 需要靠其他外力（机械力或其他电磁力）获得一定 驱动线圈中心横截面以前，两个线圈之间的磁耦合增 的速度进入驱动线圈的间隙， 强互感增加，弹丸所受到的向右的力随之增加，弹丸 磁通 将作变加速运动，速度迅速增加：当弹丸通过驱动线 平板形弹丸 圈中心横截面以后，由于两个线圈之间的磁耦合降 上动线圈 低互感的减少，弹丸受力的方向改变，弹丸受到向 的吸力作用而成速。由此可见，为了使弹丸始终受到 驱动线圈 加速力的作用.应当在弹丸通时取动线圈中心横截面 的瞬间切断驱动线圈的电源弹丸以惯性继续运动， 图6重接炮结构示意图 ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved www enki net
2011年第 2期 李如年 等:新概念动能武器—电磁炮 127 与其他轨道炮不同,多相轨道炮由多相交流电源 馈电 。多条对称分布的轨道使轨道磁场趋于圆对称, 使轨道受力均匀 ,交流馈电有利于降低电弧烧蚀。因 此,多相轨道炮具有速度高、效率高及耐用的特点。 1.2 线圈炮工作原理 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,线圈炮的原理示意图 ,如图 4所示。 图 4 线圈炮原理示意图 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 [ 3] 。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 dx ipid (2) 如果将驱动线圈和弹载线圈等效为两个电磁 铁 ,那么两个线圈磁场的相互作用如图 5所示 。 图 5 单级线圈炮的受力 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, 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 的加速力的作用,直至飞出炮口,获得极高的初速 [ 4] 。 由以上分析可知 ,为了保证弹丸一直处于加速 状态 ,必须严格控制驱动电源组的工作时机 ,使驱动 线圈产生的磁场与弹载线圈的运动位置精确同步, 这可由线圈炮的结构设计来保证的。 线圈炮通常在驱动线圈内侧安装由良导体制作 的导向条 ,使弹载线圈运动时在导向条中产生的涡 流对弹丸产生斥力 ,使之悬浮而不与驱动线圈接触。 由以上分析可知 ,线圈炮的发射原理类似于直 线电动机 。但与旋转电机不同的是 , 线圈炮中不需 要所有定子绕组(驱动线圈 )和转子绕组 (弹载线圈) 同时连续激励,只要求弹载线圈和与弹载线圈所对应 的驱动线圈能有效地进行磁耦合即可,其他驱动线圈 不必激励,即线圈炮采用的是局部激励。通常把驱动 线圈的局部激励与弹载线圈间的磁耦合过程定义为 换向。换向是线圈炮的必备技术, 各种线圈炮因工作 方式不同,分别采用不同的换向方式。常用的换向方 式有运动感应换向、开关换向和外电压换向三类 。 1.3 重接炮工作原理 重接炮是电磁发射的一种较新形式 , 目前主要 有平板形状的弹丸在驱动线圈的间隙中被加速和圆 柱型弹丸在轴对称的圆筒线圈内被加速两种形式的 重接炮。 单级平板式重接炮由上 、下驱动线圈、平板式弹 丸和脉冲电源组成 ,线圈和弹丸的结构示意图如图 6所示 。两线圈同轴对称放置 ,中间有适当的间隙, 弹丸是由抗磁性良导电体的实心平板物体。上下两 个线圈串联,由同一个电源供电, 两线圈的缠绕方向 或串联连接时应保证磁力线方向相同且垂直于弹 丸。平板式弹丸的面积应略大于线圈口面积 。与轨 道炮和线圈炮不同的是 ,重接炮在开始发射前,弹丸 需要靠其他外力 (机械力或其他电磁力 )获得一定 的速度进入驱动线圈的间隙 [ 5] 。 图 6 重接炮结构示意图
平网电斜潘研完院百积 2011年第2期 为了提高弹丸的速度，一般重接炮可由多个取 本增加了发射的安全性 动线圈构成多级重接炮，与线圈炮类似弹丸在发射 (3隐蔽性好，由于申陵炮火焰，烟露和后华 过程中将依次受到各级驱动线圈的加速，获得极高 力都很小，有利于阵地隐蔽 的弹丸初速9。 (4)易于调整射程电磁炮只需简单地控制激 图6中，为上.下驱动线圈电流，为线圈内高 励电流的大小，即可方便地改变射程以满足不同的 磁通。工作过程（侧视示意图如图7所示，电流的方 射击要求 向由X和·表示，磁通的方向由带箭头的虚线表示 (5)工作稳定，重复性好。电磁炮不存在常规从 当平板弹丸以 定速度进入上下驱动线圈之间 炮因点火过程和发射药燃烧过程的微量变化引起的 的间隙，且完全遮住线圈空心口时图7状态，驱 弹丸速度的不稳定，每次发射均具有相似的重复性 动电源向驱动线图充申，使电流在弹丸与取动线圈 (6弹为形状名样。由干不需要密闭火药 有最大磁耦合时达到最大值。然后切断电源此时由 体电磁炮的弹丸不受身管形状的限制，有的电磁炖 干透力线不能在相时间内参入或字过抗磁件弹南， 甚至没有身管，因此可以根据需要采用各种形状的 驱动线圈的磁力线被弹丸截断，迫使上下驱动线圈 弹丸，特别是可以采用空气阻力小的弹丸以增大弹 的磁通自成回路，电能以磁能的方式储存在上下驱 丸的存速，提高弹丸动能 动线圈中：弹丸继续运动.当弹丸的尾部与线圈口径 (7弹丸飞行稳定。由于弹丸受力不随弹丸行 左侧或右侧边缘错开 一定距离时图7b状态 程变化弹丸以匀加速运动，发射期间，弹丸具有良 被截断的磁力线重接，随者弹丸的运动，重接的磁力 好的稳定性，减小了弹丸过载的可能，使于装配精确 线有被“节紧”变直的挡热并在弹丸尾部立生祸 制导置 流，于是涡流磁场与重接磁场的相互作用产生的 (8装填方便、快捷。由于电磁炮能够做成于 磁力推动弹丸向前加速运动，原来储存在上下线圈 放式后障，无炮门，因此能够简化装填机构，易于实 中的磁能转变为弹丸的动能：当弹丸离开线圈右侧 现自动装填和连续发射，提高了武器系统的快速反 边缘后（图7山重接炮完成了一级加速过程，弹丸 应能力列 进入下一级并重复上述过程 (9效率高。常规火炮的效率一般小于3% 分段轨道炮的效率为35%线圈炮的效率可 C☒⊙区⊙校 50%.单级重接炮的效率为30%一50%.且电陵 ○☒☒O☒ 的转换效率与弹丸的初谏无关 (10)弹丸质量可大可小 电磁炮既可发射小 图7重接炮发射过程（侧视）示意图 至毫克级的小弹丸，也能发射大至几百吨的大弹丸， 由以上分析可知，重接炮工作时，各级线圈的激 22电磁炮的应用 励与弹丸的运动应当保持同步，这可由重接炮的结 鉴于申磁炮的者多特占，电磁炮在军事上，航天 构设计和脉冲电源控制电路来保证。 和高压物理研究方面均有美好的应用前景 军事上电磁炮主要用作战术式器。陆军，自行 2电磁炮的特点及应用 炮的弹丸初速一般控制在4yS以防止大气烧蚀： 21电磁的特点 3kmy的穿甲弹能使坦克的防御和进攻能力提高四 倍：大口径的电隧炮射程达几十公里，并能发射制5 与常规火炮相比，电磁炮具有如下十大优点： 炮弹丸，可以取代远程火炮：具有高射速的小口径电 (1初速高、动能大 电磁炮作用在弹丸上的 磁炮可作为防空高炮使用。海军，同样采用高射速 力，在数量级上比传统火炮大一个量级。且不存在声 口径电磁炮能够烂截新一代招声速导弹，以解决所面 速的限制。可将质最不等的弹丸加速到每砂几千公 临的高性能反舰导弹威胁的严重问题。空军，利用电 里到每秒上万公里，极大地提高了弹丸的动能，能更 磁发射技术，能够建设形成一种全新的野战机场和短 有效地对付机动目标和进行天基反导。 程起降方式，高射速，高初速的小口径电磁炮也可作 (2能源简单、安全。电磁炮一般使用低成本 为机载武器使用， 基于电磁炮高动能、能够发射制导 安全的低级燃料如低烃类燃料，降低了能源成 炮弹及火控系统简单、，易于实现的特点.天基电磁炮 All rights
128 2011年第 2期 为了提高弹丸的速度 ,一般重接炮可由多个驱 动线圈构成多级重接炮,与线圈炮类似,弹丸在发射 过程中将依次受到各级驱动线圈的加速, 获得极高 的弹丸初速 [ 6] 。 图 6中, i为上、下驱动线圈电流, Ф为线圈内部 磁通 。工作过程 (侧视)示意图如图 7所示,电流的方 向由 ×和·表示 ,磁通的方向由带箭头的虚线表示。 当平板弹丸以一定速度进入上下驱动线圈之间 的间隙 ,且完全遮住线圈空心口时 (图 7a状态 ),驱 动电源向驱动线圈充电 , 使电流在弹丸与驱动线圈 有最大磁耦合时达到最大值,然后切断电源,此时由 于磁力线不能在短时间内渗入或穿过抗磁性弹丸 , 驱动线圈的磁力线被弹丸截断 ,迫使上下驱动线圈 的磁通自成回路 ,电能以磁能的方式储存在上下驱 动线圈中;弹丸继续运动, 当弹丸的尾部与线圈口径 左侧或右侧边缘错开一定距离时 (图 7b、c状态), 被截断的磁力线重接 ,随着弹丸的运动,重接的磁力 线有被 “拉紧 ”变直的趋势 , 并在弹丸尾部产生涡 流 ,于是涡流磁场与重接磁场的相互作用产生的电 磁力推动弹丸向前加速运动 ,原来储存在上下线圈 中的磁能转变为弹丸的动能 ;当弹丸离开线圈右侧 边缘后(图 7d), 重接炮完成了一级加速过程 , 弹丸 进入下一级并重复上述过程。 图 7 重接炮发射过程(侧视)示意图 由以上分析可知 ,重接炮工作时 ,各级线圈的激 励与弹丸的运动应当保持同步 ,这可由重接炮的结 构设计和脉冲电源控制电路来保证。 2 电磁炮的特点及应用 2.1 电磁的特点 与常规火炮相比 ,电磁炮具有如下十大优点: (1)初速高、动能大。电磁炮作用在弹丸上的 力 ,在数量级上比传统火炮大一个量级,且不存在声 速的限制。可将质量不等的弹丸加速到每秒几千公 里到每秒上万公里,极大地提高了弹丸的动能 ,能更 有效地对付机动目标和进行天基反导 。 (2)能源简单 、安全 。电磁炮一般使用低成本 、 安全的低级燃料 (如低烃类燃料), 降低了能源成 本, 增加了发射的安全性 。 (3)隐蔽性好 。由于电磁炮火焰、烟雾和后坐 力都很小 ,有利于阵地隐蔽。 (4)易于调整射程, 电磁炮只需简单地控制激 励电流的大小 ,即可方便地改变射程,以满足不同的 射击要求 。 (5)工作稳定,重复性好。电磁炮不存在常规火 炮因点火过程和发射药燃烧过程的微量变化引起的 弹丸速度的不稳定,每次发射均具有相似的重复性。 (6)弹丸形状多样 。由于不需要密闭火药气 体, 电磁炮的弹丸不受身管形状的限制 ,有的电磁炮 甚至没有身管 ,因此可以根据需要采用各种形状的 弹丸 ,特别是可以采用空气阻力小的弹丸,以增大弹 丸的存速 ,提高弹丸动能 。 (7)弹丸飞行稳定。由于弹丸受力不随弹丸行 程变化,弹丸以匀加速运动 , 发射期间 ,弹丸具有良 好的稳定性,减小了弹丸过载的可能,便于装配精确 制导装置 。 (8)装填方便 、快捷。由于电磁炮能够做成开 放式后膛 ,无炮闩, 因此能够简化装填机构, 易于实 现自动装填和连续发射, 提高了武器系统的快速反 应能力 [ 7] 。 (9)效率高。常规火炮的效率一般小于 30%, 分段轨道炮的效率为 35%, 线圈炮的效率可达 50%,单级重接炮的效率为 30% ～ 50%, 且电磁炮 的转换效率与弹丸的初速无关。 (10)弹丸质量可大可小 。电磁炮既可发射小 至毫克级的小弹丸 ,也能发射大至几百吨的大弹丸。 2.2 电磁炮的应用 鉴于电磁炮的诸多特点 ,电磁炮在军事上、航天 和高压物理研究方面均有美好的应用前景。 军事上电磁炮主要用作战术武器。陆军,自行火 炮的弹丸初速一般控制在 4 km/s, 以防止大气烧蚀; 3 km/s的穿甲弹能使坦克的防御和进攻能力提高四 倍;大口径的电磁炮射程达几十公里, 并能发射制导 炮弹丸,可以取代远程火炮;具有高射速的小口径电 磁炮可作为防空高炮使用。海军, 同样采用高射速小 口径电磁炮能够拦截新一代超声速导弹 ,以解决所面 临的高性能反舰导弹威胁的严重问题。空军,利用电 磁发射技术 ,能够建设形成一种全新的野战机场和短 程起降方式,高射速、高初速的小口径电磁炮也可作 为机载武器使用。基于电磁炮高动能、能够发射制导 炮弹及火控系统简单、易于实现的特点, 天基电磁炮
2011年第2期 李如年等.新概念动能武器一电磁炮 129 具有更大的威力，可用于战略防御另外，电磁炮在 10以一20%，这就需要在电力调节及控制技术方面 高压物理方面，电磁炮可以用来研究材料的状态方程 加大技术攻关，力争大大提高其能量转换效率。第 金属成型焊接、进行碰撞核聚变和磁悬浮列车的研究 三.提高稳定性。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 3电磁炮的关键技术 的射程是200四未来实际上比较理想的状态是型 超过300四就必须要借助卫星的指令，包括其他 目前，电磁炮的发展主要涉及到脉冲电源技术、 的无线指令来对它进行校正因此提高其稳定性就 材料技术和发射装置设计三大关键技术 显得尤为重要 31脉冲电源技术 电磁炮工作时需要高达几十兆瓦或上百兆瓦的 5结语 脉冲功率，普通电源无法满足要求。目前。电磁炮所 经过近20年的研究，电磁炮技术在理论上已基 用申源首先将初级申源的能量传递给储能系统，然 本成熟开始向武器化、实用化发展。其发展也从早 后通过电力控制系统适时地把能量转换到脉冲形成 期单纯者重于结构简单的轨道炮的研究，转移到同 网络。主要技术包括频率能量存储和脉冲形成网铬 与负载的偶合。另外，由于电源在电磁炮的重量和 时发展轨道炮与线圈炮的方向上。相信在不久的将 来电磁炮将会作为新一代火炮替代传统火炮出现 体积上占有高达80%的比重，因此电源小型化技术 在战场上，在未来战争中起到极其重要的作用，并产 也是电磁炮早日进入实用阶段的关键。 生深远的影响。 32材料技术 参考文献 申磁均工作时，发射装置将承受大申流和品我 荷的冲击，对轨道材料绝缘材料、电枢材料和弹 【[刂金志明.高速推进内弹道学[M,北京：国防工业出版 弹体材料均有极高的要求。问题的解决寄希望于新 材料的研究，超导技术将在电磁炮的研究与应用中 【王莹，背峰.电炮原理[.北京：国防工业出版社 发挥重要作用。 19 【3引崔鹏.新型电磁发射技术研究D.顾士论文.长沙：国 33发射装置设计 防科学技术大学，2005 4!张海燕.线国炮电磁过程动态仿真技术研究1山.硕士 发射装置是电磁炮的核心部件，涉及到身管、供 论.哈尔能.哈尔法理丁大学.00 输弹装置，脉冲形成网络、电力控制系统及电枢、开关 5引柏兴林离敏夫赵纯等.三级重接炮点火控制系统 等。发射装置的设计首先要根据武器系统的战术技 0411高压由婴.200541《5).330332 术要求.确定采用何种发射原理和禅丸的动能，然后 周正阳廖敏夫赵纯等，多级磁力线重接炮的控制 进行发射装置的结构设计以确保武器系统稳定有效 小电 发射装置是一个集多种高新技术 一体的复杂系统 现代物理知识200719(1443-45 如何将己经取得一定发展的单项技术高效的应用到 电磁炮中，需要用系统工程的理论和方法来进行电磁 作者简介 炮发射装置的设计研究以提高系统总体技术水平， 4电磁炮的未来发展 李如年(1969男，江苏姜 顾士，副教授研究方向为微波技术电子 工程： 未来电碰炮的主要向以下几个方面发展：第 E-mail 1mllo@163 com 能源小型化。体积和重量是电磁炮武器化和战术应 用的主要暗碍之一，而这两者主要由脉冲功率源及 王教(1962-】女，河南信阳人博士，副教授，研完 功率调节转置的能量密度和功率密度所决定。要成 方向为兵器发射理论与技术 小体积降低重量，必须实现能源小型化。第二，提 19 宁海城人项士，讲师，研究方 高能量转换效率。目前电磁炮能量转换效率仅有 向为计算机应用理论与技术」 21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2011年第 2期 李如年 等:新概念动能武器—电磁炮 129 具有更大的威力 ,可用于战略防御。另外, 电磁炮在 高压物理方面,电磁炮可以用来研究材料的状态方程、 金属成型焊接、进行碰撞核聚变和磁悬浮列车的研究。 3 电磁炮的关键技术 目前,电磁炮的发展主要涉及到脉冲电源技术 、 材料技术和发射装置设计三大关键技术。 3.1 脉冲电源技术 电磁炮工作时需要高达几十兆瓦或上百兆瓦的 脉冲功率,普通电源无法满足要求。目前 ,电磁炮所 用电源首先将初级电源的能量传递给储能系统 ,然 后通过电力控制系统适时地把能量转换到脉冲形成 网络。主要技术包括频率能量存储和脉冲形成网络 与负载的偶合。另外, 由于电源在电磁炮的重量和 体积上占有高达 80%的比重 ,因此电源小型化技术 也是电磁炮早日进入实用阶段的关键 。 3.2 材料技术 电磁炮工作时, 发射装置将承受大电流和强载 荷的冲击,对轨道材料 、绝缘材料、电枢材料和弹丸 弹体材料均有极高的要求 。问题的解决寄希望于新 材料的研究 ,超导技术将在电磁炮的研究与应用中 发挥重要作用。 3.3 发射装置设计 发射装置是电磁炮的核心部件, 涉及到身管、供 输弹装置、脉冲形成网络、电力控制系统及电枢、开关 等。发射装置的设计首先要根据武器系统的战术技 术要求,确定采用何种发射原理和弹丸的动能 ,然后 进行发射装置的结构设计以确保武器系统稳定有效。 发射装置是一个集多种高新技术于一体的复杂系统, 如何将已经取得一定发展的单项技术高效的应用到 电磁炮中,需要用系统工程的理论和方法来进行电磁 炮发射装置的设计研究,以提高系统总体技术水平。 4 电磁炮的未来发展 未来电磁炮的主要向以下几个方面发展:第一 , 能源小型化 。体积和重量是电磁炮武器化和战术应 用的主要障碍之一, 而这两者主要由脉冲功率源及 功率调节装置的能量密度和功率密度所决定。要减 小体积、降低重量 ,必须实现能源小型化 。第二 ,提 高能量转换效率 。目前电磁炮能量转换效率仅有 10% ～ 20%,这就需要在电力调节及控制技术方面 加大技术攻关 ,力争大大提高其能量转换效率。第 三, 提高稳定性。 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 的射程是 200 km,未来实际上比较理想的状态是要 超过 300 km,就必须要借助卫星的指令 , 包括其他 的无线指令来对它进行校正, 因此提高其稳定性就 显得尤为重要 。 5 结 语 经过近 20年的研究 ,电磁炮技术在理论上已基 本成熟,开始向武器化、实用化发展。其发展也从早 期单纯着重于结构简单的轨道炮的研究 ,转移到同 时发展轨道炮与线圈炮的方向上 。相信在不久的将 来, 电磁炮将会作为新一代火炮替代传统火炮出现 在战场上 ,在未来战争中起到极其重要的作用,并产 生深远的影响 。 参考文献 : [ 1] 金志明.高速推进内弹道学 [ M] .北京:国防工业出版 社, 2001. [ 2] 王莹 , 肖峰.电炮原理 [ M] .北京:国防工业出版社, 1995. [ 3] 崔鹏.新型电磁发射技术研究[ D] .硕士论文, 长沙:国 防科学技术大学, 2005. [ 4] 张海燕.线圈炮电磁过程动态仿真技术研究[ D] .硕士 论文, 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2005. [ 5] 柏兴林, 廖敏夫, 赵纯, 等.三级重接炮点火控制系统 设计[ J] .高压电器, 2005, 41(5):330-332. [ 6] 周正阳, 廖敏夫, 赵纯, 等.多级磁力线重接炮的控制 与速度测量[ J] .电工电能新技术, 2007, 26(2):76-80. [ 7] 黄强, 郭东桥, 卞光荣.电磁炮的原理与技术发展[ J] . 现代物理知识, 2007, 19(1):43-45. 作者简介 李如年 (1969— ), 男, 江苏姜堰人, 硕士, 副教授, 研究方向为微波技术、电子 工程; E-mail:lrnllj01@163.com 王 敬(1962— ), 女, 河南信阳人, 博士, 副教授, 研究 方向为兵器发射理论与技术; 王 海 (1977— ), 男, 辽宁海城人, 硕士, 讲师, 研究方 向为计算机应用理论与技术