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关于电磁炮的研究

物理与微电子学院物理学普通班2002

刘明明 

学号:021001013 电磁炮利用电磁力(洛伦兹力)发射炮弹的武器。它是动能武器的一种。主要由能源、加速器、开关3 部分组成 。按照电磁力产生的方式不同,它可分为电磁轨道炮、电磁线圈炮和电磁重接炮等。电磁轨道炮的特点是能使炮弹获得极高的速度(每秒几千米到几十千米)。该炮在战略防御领域可以用作天基拦截器,因其速度高,可以减少拦截器的数目。它还可作为天基部件的自卫武器。电磁轨道炮和电磁线圈炮用于战术武器有着巨大的潜力,如可用于反坦克 、反装甲车辆、反飞机,也可用来发射战术导弹和无人侦察机。电磁炮尚处于技术可行性研究实验阶段。电磁炮的原理非常简单,19世纪,英国科学家法拉第发现,位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动,同时,如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动,导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。正是根据这一定律人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机,它也是电磁炮的基本原理,或者说,电磁炮不过是一种比较特殊的电动机,因为它的转子不是旋转的,而是作直线加速运动的炮弹。那么如何产生驱动炮弹的磁场,并让电流经过炮弹,使它获得前进的动力呢?一个最简单的电磁炮设计如下:用两根导体制成轨道,中间放置炮弹,使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中,并给炮弹通电,炮弹就会加速向前飞出。在1980年,美国西屋公司为星球大战建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。它把质量为300的炮弹加速到了每秒约4千米。如果是在真空中,这个速度还可提高到每秒8~10千米,这已经超过了第一宇宙速度,具备了作为一种新型航天发射装置的理论资格。将这一理论上的可能变为实际,还需要解决以下几个问题:首先,那台实验电磁炮的加速度太大,人无法承受。这个问题只有一个解决方法,那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3 倍重力加速度的长时间加速,满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算,为达到第一宇宙速度,约需1000千米)在技术上难以实现,看来我们暂时只能考虑专作货运发射的了,这样在加速度方面的要求就可大大放宽。 

第二,如果把电磁炮水平安装在地面上,飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速,难以顺利达到环绕地球轨道,为此,用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅,海拔8848的珠穆朗玛峰自然是首选地点,当然旅游业和环保组织肯定会反对,如何同他们交涉,就看宇航局的实力和有关人员的口才了。

第三,目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大,这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比,要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术,但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度,约-269°C)才能发挥作用,这对于军事应用是个问题,因为会大大降低发射装置的灵活性,但作为固定使用的航天发射装置,基本上可以不必考虑这些,而且如果高温超导强磁体能够研制成功,对低温条件的要求也可放宽。

关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关,因为在磁场不够强的情况下,要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要,因为作为武器的电磁炮得严格限制长度,而作为发射工具,几千米甚至十几千米的炮身并不算问题,只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。

此外,延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算,用5 千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度,加速度是重力加速度的600倍,这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了,可人显然还是无法忍受,而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造,因此用电磁炮发射人的想法还是放弃算了。

最后,有人觉得建造公里级长度,配备强磁场的加速轨道可能会有技术困难,但这只是不了解人类现有技术水平的臆测,实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米,甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了的精度要求极高外,各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。换句话说,在建造宇宙电磁炮的基本技术方面,人们对环道施工早已充分掌握了,仅仅是所用领域不同而已。真正的困难倒是,从来没谁把超级加速器放在高寒山区,而且青藏高原的交通条件目前也不大好,但这个投资大可从别处募集,无须开在宇航局的账上。

至于电磁炮的发射成本,如果不考虑产生强磁场的低温液体费用,仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已,日常维护成本也大概和同长度的高速地铁相仿,最多开口处一小段需要要配备专职扫雪人员,要么加个活动盖子,也就都解决了。

电磁炮在军事上有很好的应用。当前,电炮的研制已开始进入靶场演示阶段。电炮不仅可用于反装甲、防空,还可用于防御反舰导弹和战术弹道导弹等。届时,战争之神将更显风流。