电磁炮的基本原理及发展趋势带图带公式
电磁炮原理科普
电磁炮原理科普 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】并不神秘的电磁炮笔者混迹科吧数月，阅贴不少，多有受教于众吧友。
常希望用自己所学回馈吧众。
幸亏寸有所长，总算写成此科普拙文。
笔者将使用不超过中学物理课本的知识对大家喜闻乐见的电磁炮的基本原理和技术做一介绍。
因能力所限，时间所限（笔者马上要出差了），只能浮光掠影、走马观花，不足和不正确之处，请各位指正。
电磁炮是科幻迷们喜闻乐见的未来武器。
也被各国军方所重视。
它具有很多优秀特性。
1.速度常规火药发射的炮弹受火药气体燃烧速度的限制，初速度很难超过2km 每秒（根据具体的使用需要从某些迫击炮的不到200米每秒到坦克炮发射大口径穿甲弹时的接近2km每秒），即使加大装药量也无济于事。
炮口动能则一般不超过10MJ。
而电磁炮没有这个限制，它由电流与磁场的相互作用力提供动力而非高温气体膨胀，理论发射速度可达光速。
考虑到空气的阻力，大气层内的实用初速也可以超过4km每秒。
这样的速度无疑带来了巨大的摧毁能力和更远的射程。
2. 电磁炮没有后坐力，更小的震动使得它更加精确。
基于更快的速度，它的弹道更加笔直，易于瞄准，大大提高了命中率。
3. 射击时没有爆炸的声音和火光，攻击更加隐蔽。
4. 因为炮弹没有发射药，更加轻便，可携带更多弹药，减轻后勤压力（不过这一点嘛，电源的重量可就另算了。
）。
5. 炮口初速度可以通过电流大小进行调整。
6. 电能比火药要便宜。
常见的电磁炮1.轨道炮结构和原理最简单的电磁炮，因而技术也越成熟，距离实用化越近。
此结构由两根平行导轨组成，带有电枢的炮弹在轨道上滑动。
当大电流（可达数百万安培或更多）通过一根导轨经电枢流向另一根导轨时，在导轨间形成强磁场。
电枢受洛伦兹力作用前进。
多级导轨炮串联可获得更高初速度。
单级的导轨电流毕竟有现实方面的限制，可以增加多级导轨，不管速度如何，只要这个电流还在，就能不断加速（火药炮就没这点好处）。
电磁炮原理
电磁炮原理
电磁炮是一种利用电磁力发射高速物体的武器系统。
其工作原理主要涉及电磁感应和电磁推动。
在电磁炮中，先制造一个电磁场，通常通过通过直流或脉冲电流流过一个线圈来实现。
当电流通过线圈时，会产生一个磁场。
接下来，将被发射的物体（通常是一个金属导体）放置在电磁场中。
当电磁脉冲通过线圈后，产生的磁场会穿过金属导体，导致金属导体内部的自由电子受到磁场力的影响。
这种力会使得自由电子在金属中移动，引起电子流。
根据洛伦兹力的原理，当电流通过金属导体时，自由电子会受到一个与电流方向、磁场强度和电流强度相关的力。
此时，金属导体会受到一个向上或向下的电磁推力。
利用这个原理，将金属导体设计成一种炮弹形状，并通过电磁推力将其发射出去。
当金属导体受到推力后，会以很高的速度射出，并击中目标。
需要注意的是，电磁炮在发射过程中会产生强大的电流和磁场，需要特殊的设计和控制来确保安全。
此外，电磁炮的性能受到多个因素的影响，包括电流强度、磁场强度、金属导体形状等。
总的来说，电磁炮利用电磁感应原理产生的磁场力，通过对金
属导体的推动来发射高速物体，实现了高效且准确的远程打击能力。
电磁炮发展
一、电磁炮的工作原理电磁炮纯粹是一种电气武器，它通过一对金属轨道来加速具有传导性的射弹。
这一对金属轨道非常光滑，允许大电流通过并通过“炮弹”形成回路。
“炮弹”相当于电磁铁，通过它的大电流与轨道所产生的强大磁场发生作用，并产生强大的作用力，为“炮弹”加速。
其典型特征是不必使用燃料推进，而且发射速度远比火力武器要快。
电磁炮的工作原理示意图电磁炮的运行需要经过以下三个步骤：1）炮弹——通常是子弹或者导弹——被固定在电枢内，电枢可以传导电流，它们被固定在两排金属轨道之间。
2）巨大的电流通过轨道，从而产生强大的磁场，足以推动电枢以极快的速度前进。
3）炮弹与电枢分离，并将以7倍于声音的速度行进，射程可达100英里。
如果提供强大的电流，比如达到100万安培，电磁轨道炮将对射弹产生巨大的推力，其速度可以达到每秒数千米。
在先前的实验当中，科学家已经获得了20千米/秒的射弹速度。
它的缺点是：由于推进过程中会产生大量热量，因此轨道易于被腐蚀。
电磁轨道炮通常需要经常更换轨道，或者使用导电的耐磨材料。
二、电磁炮的研究历史早在1918年，法国发明家路易斯•奥克蒂夫就发明了一种与与上述原理极为相似的电炮，并于1919年4月1日申请了美国专利，名为“射弹电气设备”。
在他的装置里，两条平行的母线与射弹的翼部相连，而整个设备都包围在磁场当中。
当电流通过母线与射弹，就会产生一股力量促使射弹沿着母线推进并最终被发射出去。
图中的电磁轨道炮使用直径2英寸的炮管在第二次世界大战期间，德国军械署长官约阿希姆•汉斯勒重拾这一理念，并策划研发一种电力驱动的防空炮。
到1944年末，在足够理论储备的条件下，纳粹德国防空指挥部开始向军工部门发布规格要求：炮弹的炮口速度达到2,000米/秒，射弹包含0.5公斤的爆炸物。
它们原来计划安装在6门每秒12发组炮上，并且适合12.8厘米口径FlaK-40高炮。
但是，这种电磁武器从未制造成功。
在战后这些细节被人发现，并激发了军事界的兴趣，更多的细节研究也得以继续。
电磁炮的原理与技术发展(1) (优选.)
电磁炮的原理与技术发展 黄 强 郭东桥 卞光荣 随着材料科学的发展,复合装甲、高强度陶瓷装甲、贫铀装甲的使用,以及爆炸反应装甲的出现,大大提高了装甲的抗毁能力,对破甲技术提出更高的要求。
为此,人们在相继研制出一系列新型破、穿甲战斗部的同时,也注意开发研究某些新概念超高速动能穿甲武器,电磁炮就是其中一种。
一、电磁炮的基本原理电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力(即洛伦兹力)作用的基本原理来加速弹丸的。
根据加速方式,电磁炮可分为导轨炮和线圈炮。
图1 导轨炮工作原理导轨炮 导轨炮的工作原理如图1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F =L ′I 2/2,(1)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a =F/m=L ′I 2/2m ,(2)式中a 为加速度(m/s 2)、m 为电枢与弹丸的质量之图2 和(kg )。
由(2)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。
导轨炮的导轨有单一、串联、并联和多层等不同结构形式,根据导轨的形式,炮口截面可选用方形、圆形和椭圆形等。
电枢主要有固态金属电枢、等离子体电枢和混合型电枢等种类。
提供脉冲功率的电源主要有电容器组、高性能蓄电池、各种单极发电机、脉冲变压器、强制发电机和爆炸发电机,以及计划研制的超导储能系统等。
整个系统结构复杂,人工操作比较困难,通常由计算机控制(见图2)。
图3 线圈炮工作原理线圈炮 线圈炮的工作原理如图3所示。
主要由感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。
固定线圈相当于炮身,可动线圈相当于弹丸。
当固定线圈接通电源时,所产生的磁场与可动线圈上的感应电流相互作用,产生洛伦兹力,推动可动弹丸线圈加速射出。
电磁炮的原理与技术发展
电磁炮的原理与技术发展电磁炮是一种无需火药瞬间爆发出冲击能量的一种最新火炮;美国己试验成功;电磁炮的主要工作原理雷同磁悬浮列车的直线平面电机;但在电磁炮里用的是多个大功率聚能偏转线圈将磁弹发送出去;比炮好处是无汚染;优奌是电磁炮能做到连续发射,如同机枪、航炮;每分钟可发N次到数千次;某种意义上耒讲一门电磁炮将大于一个炮兵团以上发送的能量;电磁炮耗能非常可观;目前,以美国为代表的许多发达国家正在针对电磁炮研究中存在的问题,有计划地开展电磁炮实用性研究和野外试验;具体的研究方向有以下几个;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;因此,今后将进一步开发高能量密度和高功率密度材料,以研制小型轻质脉冲功率源;采用高新技术、提高系统效率高新技术的发展为电磁炮的研制提供了条件,将超导材料用于电磁炮是新的发展趋势;超导材料的电流密度和储能密度极高,储能效率达60％～90％,将其用于储能线圈、发电机、磁体和开关等,不仅有利于电磁炮小型化、提高射速,而且可减小能量损失、大大提高系统效率;另外,采用多级、多层、多段节和分布电源多模块结构的导轨也是一条重要途径;多模块结构可以减小导轨的能量损失,提高系统的能量转换效率至两倍左右;加紧新材料的研究、提高系统寿命与性能新型材料的研究主要有：电池用新型电化学材料,电容器用聚合物电介质材料,脉冲发电机储能用石墨-环氧等复合材料,耐高温、高强度、高能量密度电感储能材料；高强度、耐烧蚀、耐腐蚀的导轨、电枢和电极材料,石墨、陶瓷等耐高温、耐烧蚀炮管绝缘材料；大载流、高强度、高频率开关和大功率脉冲固态开关材料; 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;电磁炮的穿甲能力已被实验所证实,武器化的电磁炮可以击毁火炮所不能击毁的新型坦克装甲;预计在不远的将来电磁炮将会作为新一代重要的穿甲武器出现在战场上,在未来战争中起到极其重要的作用,并产生深远的影响;。
电磁轨道炮工作原理
电磁轨道炮工作原理
电磁轨道炮，又称电磁炮，是一种利用电磁力来加速投射物体的武器系统。
其工作原理主要分为充能、加速和发射三个阶段。
首先，电磁轨道炮需要进行充能。
在充能阶段，电流通过电磁线圈，产生强大的磁场。
这个磁场将充能轨道包围，形成一条闭合的环状轨道。
接下来，进入加速阶段。
在加速过程中，投射物被放置在充能轨道的一端，并与电磁线圈连接。
一旦电流通过电磁线圈，产生的磁场将与投射物中的额外磁场相互作用。
根据洛伦兹力定律，磁场和电流之间的相互作用将会施加一个推力在投射物上。
由于电磁轨道炮的磁场非常强大，这个推力能够加速投射物到非常高的速度。
在加速过程中，投射物将沿着充能轨道快速前进，并逐渐增加速度。
最后，进入发射阶段。
一旦投射物达到所需速度，电磁线圈的电流将停止，关闭磁场。
此时，投射物将继续沿着惯性继续直线运动，脱离充能轨道，并射向目标。
总的来说，电磁轨道炮工作的核心在于利用电流通过电磁线圈产生磁场，通过与投射物中的磁场相互作用施加的推力来加速投射物。
通过合理控制电流和磁场，可以实现高速、高能的投射物发射。
电磁炮实验原理
电磁炮实验原理引言电磁炮是一种利用电磁力将物体加速并发射的装置。
它的原理基于法拉第电磁感应定律和洛伦兹力定律，通过在导体中产生强大的电流和磁场，使得物体受到强大的推动力而被加速。
本文将详细介绍与电磁炮实验原理相关的基本原理。
法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律是描述一个导体中产生感应电动势的物理规律。
根据法拉第电磁感应定律，当导体中的磁通量发生变化时，会在导体中产生感应电动势。
这个变化可以是由于导体自身移动或者外部磁场发生变化引起的。
洛伦兹力定律洛伦兹力定律描述了一个带有速度的带电粒子在外部磁场中受到的力。
根据洛伦兹力定律，当一个带有速度v和电荷q的粒子进入一个垂直于其速度方向B方向的均匀磁场中时，该粒子将受到一个由以下公式给出的力：F = qvBsinθ其中，F是洛伦兹力，q是电荷，v是速度，B是磁场的大小，θ是速度方向和磁场方向之间的夹角。
电磁感应加速原理基于以上两个定律，可以设计出一种利用电磁感应加速物体的装置。
具体步骤如下：1.利用电源产生一个大电流通过一个线圈。
这个线圈将产生一个强大的磁场。
2.将一个导体杆放置在线圈中，并且与线圈相连。
当通过线圈的电流改变时，根据法拉第电磁感应定律，在导体杆中会产生感应电动势。
3.当导体杆中有感应电动势时，根据洛伦兹力定律，在导体杆上会受到一个力。
这个力将使得导体杆被推动。
4.如果在导体杆中设置了一种机构来阻止其自由移动，则导体杆将被迫停在某个位置。
在这个位置上，导体杆中的能量达到最大值。
5.释放机构后，由于导体杆具有一定的质量和速度，它将继续向前移动并离开线圈。
在这个过程中，导体杆的速度将逐渐减小，直到最终停止。
电磁炮实验装置电磁炮实验装置由以下主要部分组成：1.电源：提供足够的电流来产生强大的磁场。
2.线圈：通过线圈流过的电流产生强磁场。
3.导体杆：放置在线圈中，并与线圈相连。
导体杆可以是金属棒、铜管等导电材料制成。
4.机构：用于阻止导体杆自由移动，并在合适的时机释放导体杆。
电磁炮知识点总结
电磁炮知识点总结一、电磁炮的基本原理电磁炮是一种利用电磁学原理产生的力将弹丸加速发射的武器系统。
其基本原理是利用电流通过导电线圈产生的磁场，通过施加洛伦兹力将弹丸加速至高速，并将其发射出去。
具体来说，电磁炮由电源系统、导线圈系统、弹丸和发射系统四个部分组成。
当电流通过导线圈时，产生的磁场将会对弹丸产生洛伦兹力，将其加速至高速，然后通过发射系统将其发射出去。
二、电磁炮的发展历程电磁炮的发展历程可以追溯至19世纪末期。
当时，科学家们开始尝试利用电磁原理制造武器系统，用电磁力发射弹丸。
然而，由于当时电力技术和材料技术的限制，这些早期的电磁炮并未取得实质性的突破。
直到20世纪末期，随着电力技术和材料技术的不断进步，电磁炮逐渐成为现实，成为一种有着极高发展潜力的武器系统。
三、电磁炮的优点1. 高速：电磁炮的弹丸可以达到非常高的速度，相比传统火炮和导弹系统有着显著的速度优势，可以更快速地打击目标。
2. 远程：由于高速的弹丸具有很好的穿透能力，电磁炮可以实现远程精确打击目标，有着超越传统武器系统的射程优势。
3. 精度高：电磁炮的弹丸在发射过程中受到的外力影响较小，因此具有很好的弹道稳定性和射击精度。
4. 杀伤力大：由于高速弹丸的撞击动能巨大，电磁炮具有很强的杀伤力，可以有效打击装甲目标。
5. 简化弹药设计：电磁炮无需使用传统火炮的炸药等化学燃料，可以使用简化的弹药设计，减少了弹药生产难度和成本。
四、电磁炮的挑战1. 能源供应：电磁炮需要耗费大量的电能来推动弹丸，因此其能源供应是一个重要的挑战。
如何有效地提供大功率的电能，成为电磁炮发展的关键问题。
2. 材料技术：电磁炮的运行需要承受巨大的电磁力和热应力，因此需要耐高温、高强、高导电性的材料来制造关键部件，这对材料技术提出了极高的要求。
3. 弹丸设计：高速弹丸的设计制造也是一个挑战，需要考虑材料强度、热稳定性、制造工艺等多个方面的问题。
4. 发射系统设计：电磁炮的发射系统需要具备很高的耐久性和可靠性，这对于系统工程设计和制造都提出了挑战。
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随着材料科学的发展,复合装甲、高强度陶瓷装甲、贫铀装甲的使用,以及爆炸反应装甲的出现,大大提高了装甲的抗毁能力,对破甲技术提出更高的要求。
为此,人们在相继研制出一系列新型破、穿甲战斗部的同时,也注意开发研究某些新概念超高速动能穿甲武器,电磁炮就是其中一种。
电磁炮的基本原理
电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力(即洛伦兹力) 作用的基本原理来加速弹丸的。
根据加速方式,电磁炮可分为导轨炮和线圈炮。
图1 导轨炮工作原理
导轨炮导轨炮的工作原理如图1 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
F = L′I2/ 2 , (1)
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
a = F/ m = L′I2/ 2 m , (2)
式中a 为加速度(m/ s2) 、m 为电枢与弹丸的质量之和(kg) 。
由(2) 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。
导轨炮的导轨有单一、串联、并联和多层等不同结构形式,根据导轨的形式,炮口截面可选用方形、圆形和椭圆形等。
电枢主要有固态金属电枢、等离子体电枢和混合型电枢等种类。
提供脉冲功率的电源主要有电容器组、高性能蓄电池、
各种单极发电机、脉冲变压器、强制发电机和爆炸发电机,以及计划研制的超导储能系统等。
整个系统结构复杂,人工操作比较困难,通常由计算机控制。
线圈炮线圈炮的工作原理如图3 所示。
主要由感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。
固定线圈相当于炮身,可动线圈相当于弹丸。
当固定线圈接通电源时,所产生的磁场与可动线圈上的感应电流相互作用,产生洛伦兹力,推动可动弹丸线圈加速射出。
弹丸所受的力可表示为
F = I f·I p·d M/ d x , (3)
其中F 为洛伦兹力(N) 、I f 为固定线圈中的电流强度(A) 、I p 为弹丸线圈中的电流强度(A) 、M 为固定与可动线圈的互感( H) 、d M/ d x 为互感梯度( H/m) 。
由(3) 式可知,固定线圈中的电流强度越大,弹丸线圈中的感应电流强度就越大,弹丸所受的电磁力就越大。
线圈炮的结构有同轴式、扁平式、滑动接触式和磁性加速体式等。
电磁炮从原理上讲主要有上述两种类型,但在结构上可以采用混合方式。
图3 线圈炮工作原理
电磁炮的主要特点
超高速、大动能采用物理学电磁推进原理的电磁炮, 弹丸速度突破了普通火炮(弹丸速度在2000m/ s 以内) 的性能极限,达到4000m/ s ,因而弹丸具有巨大动能,大大增强了对目标的毁伤能力。
穿甲能力强、命中精度高穿甲公式为
b = V 1143 m0175/ K1143 d1107 , (4)
其中b 为穿甲厚度( dm) 、V 为炮弹着靶速度( m/s) 、m 为炮弹质量(kg) 、K 为装甲抗弹系数、d 为弹丸直径(dm) 。
可见,弹丸速度增大将大幅度提高穿甲能力。
另一方面,弹丸速度高可缩短交战时间,增加对付快速目标的有效性,减小横向脱靶距离,从而提高命中率。
操作安全简便、系统效费比高电磁炮弹丸的初速和射程可通过改变电流强度的大小来控制。
在发射过程中,弹丸加速均匀,几乎没有火焰、烟雾、响声和后坐力,利于隐蔽作战。
整个系统由计算机控制,操作简便、安全性好。
电磁炮几乎全部发射重量都是有效载荷,其主要能源一般是采用低级燃料的燃气轮机或柴油机,发射能量转换率相对较高,使得单位能量成本较低,加上弹丸价格便宜,因而整个系统的效费比较高。
鉴于电磁炮具有上述特点,在穿甲时,弹丸能在爆炸反应装甲爆炸将装甲击穿,并可穿透复合装甲,是一种极具发展潜力的新型穿甲武器。
电磁炮的发展现状
自上世纪80 年代以来,电磁炮技术的研究取得了多方面进展,应用领域日趋广阔。
美国于1982 年研制成功实验级导轨炮,弹丸质量317g、初速4200m/ s。
1992 年夏,美国研制成功世界上第一套完整的9MJ 靶场导轨炮,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。
该炮是一个连续发射系统,全重25t ,能以2500～4000m/ s 的初速齐射9 发弹丸,炮口动能9MJ 。
2006 年7 月,英国BAE 系统公司与美军方签约,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。
图4 为计划制造的32 兆焦实验室型发射装置的外形图,图中右边部分为身管截面图。
与此同时,美国还进行了电磁炮发射超高速动能弹的研究。
内容包括弹道陶瓷的处理,新型合金的研制与钨、贫铀的加工方法,开发轻质高强度金属陶瓷等。
尽管电磁炮的研究取得了很大进展,已完成从基本原理到可行性的论证工作,但是要将电磁炮转化为实用的武器系统仍存在诸多难题,比如怎样减小电磁炮体积和重量、降低能耗、提高效率和解决炮管易损等。
电磁炮的发展趋势
目前,以美国为代表的许多发达国家正在针对电磁炮研究中存在的问题,有计划地开展电磁炮实用性研究和野外试验。
具体的研究方向有以下几个。
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。
因此,今后将进一步开发高能量密度和高功率密度材料,以研制小型轻质脉冲功率源。
新研制的盘式交流发电机经整流可直接向电磁炮供电;高能量密度电池已研制出面积为113cm2 、功率密度达755kW/
kg 的样品。
采用先进的线圈炮技术以提高能量密度和功率密度,减小系统的体积和重量,也是重要的研究发展方向之一。
采用高新技术、提高系统效率高新技术的发展为电磁炮的研制提供了条件,将超导材料用于电磁炮是新的发展趋势。
超导材料的电流密度和储能密度极高,储能效率达60 %～90 % ,将其用于储能线圈、发电机、磁体和开关等,不仅有利于电磁炮小型化、提高射速,而且可减小能量损失、大大提高系统效率。
另外,采用多级、多层、多段(节) 和分布电源多模块结构的导轨也是一条重要途径。
多模块结构可以减小导轨的能量损失,提高系统的能量转换效率至两倍左右。
在加速方式上,目前正加紧研究线圈加速技术。
虽然线圈加速方式在技术上不如导轨炮成熟,但线圈炮加速时弹丸与固定线圈间是非接触的,且不产生高温等离子体,所需的工作电流也比导轨炮小,因而系统的能量转换效率高、损失小。