电磁炮及其相关材料技术--实验报告

电磁炮及其相关材料技术

物理学理论的不断发展与完善，促进了军事能源的不断变革，促进作战兵器的不断更新。枪、炮是作战的主要武器之一。随着作战空间的不断加大，火药对提高炮弹在炮口的发射速度的能力已很有限，很有必要另辟新径。

1985年，美国国防科学委员会在装甲/ 反装甲技术讨论会上就做出结论:“未来的高性能兵器必然以电能为基础。”电磁炮是利用电磁发射技术制成一种先进的杀伤武器，在未来战争中有着广阔的应用前景。

本次试验以电磁炮为切入点，通过对电磁炮原理和性能的分析讲解，引出电磁炮广阔的应用前景和发展阻碍，并提出解决相关问题的材料学途径，包括实验用的可控硅开关、超级电容器、超导材料、纳米技术等等，“一个实验，多项技术”是在设计整个试验时的思路。

实验目的

1、理解电磁炮的组成结构及工作原理；

2、熟悉增强电磁炮威力的相关技术手段；

3、理解可控硅开关控制电路通断和电容器的原理；

4、了解在实用化道路上电磁炮需要解决的诸多材料学难题及其解决方案；

5、了解电磁炮的优缺点及其在未来战争中的应用。

实验原理

1、电磁炮的简介及分类

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。

根据加速方式，电磁炮分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮。本次试验重点演示的便是线圈炮。

2、基本原理

（1）线圈炮

图 1 B沿轴线方向的分布

线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位长度的匝数为n，炮筒的内半径为R，螺线管的长度为l。螺线管通入电流i时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的B - x 关系如图1，在螺线管中部磁场均匀，端口附近磁场发散。螺线管端口附近p点B的轴向分量为

（1）

式中μo为真空磁导率，x为p点坐标。

图 2 线圈炮简单电路图

线圈炮的简单电路图如图2所示：220V交流电经过整流器的整流之后变成直流电，K1接通后，电容C开始充电，等到电容充电完成后，断开K1。线圈相当于炮身,在线圈的合适部位装上弹丸，接通K2，在线圈处便会产生一个由脉冲电流产生的强大磁场，如公式（1）所示，磁场会驱动铁制弹丸前进，从而将弹丸发射出去。

（2）轨道炮

图 3 导轨炮工作原理

导轨炮的工作原理如图3 所示，主要由一对平行导轨和夹在其间可移动的电枢及电源、开关等组成。当开关闭合时,向一条导轨输入强大的电流,经过电枢沿另一条导轨流回。载流电枢在导轨电流产生的磁场中受到洛伦兹力的作用而被加速,将弹丸射出。电枢弹丸所受的力可表示为

(2)

其中F 为洛伦兹力(N) 、L′为导轨电感梯度( H/m) 、I 为电流强度(A) 。

弹丸的加速度则为

, (3)

式中a 为加速度(m/s2) 、m 为电枢与弹丸的质量之和(kg) 。由(3) 式可见,导轨中的电流强度越大,弹丸的加速度就越大,弹丸的运动速度越快。

3、可控硅开关的原理

可控硅开关可控硅又叫晶闸管，是晶体闸流管(Thyristor)的简称，俗称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示。

图 4 可控硅原理图

如图4所示，可控硅有四层N、P半导体构成，可以把可从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层组成另一只PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间（相当BG1的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流I b1，经放大，BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流I C1。因为BG1集电极与BG2基极相连，I C1又是BG2的基极电流I b2。BG2又把比I b2（I b1）放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大，直到BG1、BG2完全导通。

实际这一过程是“一触即发”的过程，触发信号加入控制极，可控硅立即导通，时间极短，主要决定于可控硅的性能。

可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的I b1，而是经过BG1、BG2放大后的电流（β1*β2*I b1）这一电流远大于I b1，足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断

作为一种无触点开关，可控硅开关具有反应极快，在微秒级内开通、关断；无火花、无噪音、效率高、成本低等优点，在本次实验电路的通断中起着重要的作用。

4、实验用（超级）电容器

电容就是整个电磁炮的动力来源，它决定了电磁炮的规格，但在实验准备时

一定要注意电容的选择。

电容耐压V的高低是决定电磁炮威力的重要参数，理论上电压越大威力也就越大（指在其他一切条件不发生变化的情况下电压越高弹丸出膛速度越快），但前提在其它电子器件的承受电压范围内。

电容的容量uf则决定了电容能储存多少电能。选用合理容量的电容器可以达到最为合适的放电时间，使电磁炮达到最大的出膛速度。容量过小，加速时间过短，初速也会降低。容量过大会导致电容给线圈放电时间过长，当弹丸通过线圈中点时电容仍在放电，产生的磁力会对弹丸产生一种反向的拉力，降低初速，这种也称为反拉现象，是应避免的。

本次实验使用的是两个并联的铝电解电容器，这是一种由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极而制成的电容器，具有电性能好、适用范围宽、可靠性高等优点。

如果想要达到更高的容量，则可以选用超级电容器，超级电容器可以是由多孔炭等材料制成，该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g，通过增大表面积，从而达到更大的储电量。应根据预期达到的电磁炮威力的大小、子弹的种类等合理地选择电容器。

电容充电时，可以电容上接着电压表，时刻测量电容的电压，在最大耐压前停止充电。本次实验的充电时间大约为10秒。

6、电磁炮的优缺点

优点：

（1）电磁推动力大，弹丸速度高，射程远：七倍音速甚至更高，理论射程可达300多公里；

（2）弹丸稳定性好；

（3）隐蔽性好；

（4）弹丸发射能量可调；

（5）经济：常规火炮发射药产生每焦耳能量需要10美元，而电磁炮只需要0.1美元。

应用过程中的障碍：

（1）重量、体积大，一般平台无法使用；

（2）耗电量大，效率低下，需要高性能的电源；

（3）材料性能要求高；

（4）炮管发热现象严重，严重可烧毁炮管材料。

（5）目前没有合适的作战平台，而作战平台的开发，配套设备（即全数字化作战系统和全电力作战平台）的研发耗资巨大。

7、材料学上的解决方案

随着材料技术的进步，以上电磁炮在实用过程中的问题也逐渐有了解决方案。

炮管的发热问题是因为存在电阻，而且加上通过的电流非常大，有时需要达到上万安，由焦耳定律Q=I2Rt可以知道，一定的电阻、强大的电流，即使在时间很短的情况下也会造成很强烈的发热现象，严重可烧毁炮管材料。

但是如果使用超导材料制作电路和炮管材料，这个问题便得到了很好的解决，超导材料电阻为0，不会有发热现象。但是超导材料的应用也需要满足实战环境下的耐磨、耐海洋大气环境腐蚀、维修保养、成本等问题，任重而道远。

而对于小型化问题，这个则需要借助于纳米技术，采用纳米材料来制作相关的电子器件，电磁炮小型化的一个关键问题是电源的小型化，要在一个小的电源上释放出强大的能量，这需要精湛的工艺和先进的材料，通过对目前美军电磁炮试射可以说明，电源小型化技术已有所突破，有资料表明纳米技术起了很大的作用。

我们相信随着材料技术的进步，以上问题都会迎刃而解，电磁炮也会在未来的反导、反舰等战争中有着巨大的作用，在航天器的发射等领域也会有着非同寻常的意义。

实验内容

1、线圈的绕制

从塑料管一段2厘米处开始将线圈绕制在塑料管上，每层40匝，一共缠绕5层，注意绕线圈一定要紧实，可用胶水固定，因为线圈的制作好坏将直接决定弹丸的初速。

图 5 绕制线圈

2、可控硅的检测

万用表选电阻R*1Ω挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极G，红表笔的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极A 和控制极G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10 欧姆左右。如阳极A 接黑表笔，阴极K 接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏，不能使用。

2、电路的焊接

图 6 试验用电路图

根据电路图焊接电路，焊接时应注意：

（1）焊点要焊接牢固，防止不同焊点之间因为晃动而造成的短路或者断路等现

象。

（2）多个电容器应当并联，接入电路时，注意电容的极性，避免反接造成爆炸

等后果。

（3）绕制线圈的铜线外有一层绝缘外皮，在焊接时应先去除。

（4）焊接完成后应当将裸露在外的焊点用胶带包好，避免短路等后果。

（5）为了美观，可将电路器件进行修饰，装在一个容器内，做成一定的形状。

图7 经成员加装外壳后的自行电磁火炮

3、电磁炮的试射

（1）准备好设计的目标，气球、易拉罐等。

（2）用220V交流电对线路进行供电，线路通过整流作用，对电容进行充电，充电完成后断开电源，在电容上可将万用表调制1K档位，观察充电情况，得出电容器充电时间。

（3）装填弹丸，注意装填的位置，是弹丸距线圈的中心有一定的距离，但不过大。

（4）确定好距离（适中），瞄准目标，按下触发开关，可控硅导通，强大的电磁力将弹丸发射出去。

4、实验效果

经过试验的测定，结果如下：

气球，轻松打爆；

硬纸板，击穿；

图8 硬纸板已经击穿