未来战场的主角，背后的原理初中就学过？_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-05-09 17:05
原创：中科院物理所
疫情期间不能出去玩，
闲着无聊的小编翻出了几块磁铁，
简单组合了一下，
再加上一个小球
当当当！
一个小电磁炮就新鲜出炉！
电磁炮？
你指尖跳动的电光，是我。。。
咳咳咳，
手弹硬币达到三倍音速，
这种“超电磁炮”对正常人类来说还太过遥远，
小编说的电磁炮是这样的。
电影中的电磁炮 | 来源：Bilibili@三哥看影
中国研发的消防用电磁炮 | 来源：《军武零距离》森林消防的利器——电磁炮
今天，
小编就来带大家看一下，
频繁客串于各大影视作品，
未来武器的代表——
电磁炮
到底是个什么东西。
想像小编一样造电磁炮玩的同学，
也可以移步
观看学习
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顾名思义，电磁炮是一种通过电磁力让射弹获得极高动能的武器，它的工作原理其实非常简单，就是从初中就开使接触的电磁相互作用。
根据结构的不同，电磁炮又可以分为轨道炮、线圈炮和重接炮，这里我们重点介绍轨道炮和线圈炮的原理，重接炮的原理和线圈炮比较接近，感兴趣的小伙伴可以自行去了解。
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轨道炮
让我们先来看原理最简单的轨道炮
轨道炮原理示意图 | 来源：维基百科
轨道炮由两条平行的金属导轨组成，导轨的一端连接电源，将导电弹丸插入轨道之间，就会组成闭合回路，电流由正极经过弹丸回到负极。
通电导体周围会产生磁场，其方向遵循右手定律，示意图中的两条通电导轨之间的区域便会形成方向从下往上的磁场。通电的弹丸在磁场中受到洛伦兹力作用加速，向炮口端移动。
忽略电场，带电粒子在磁场中所受洛伦兹力为：
宏观体系下，弹丸所受洛伦兹力即为安培力，大小为：
其中L为导轨间隔。
毕奥-萨法尔定律给出，恒流导轨激发的磁场大小正比于电流：
经过一些简单的推导，我们便可以得到理想条件下弹丸加速度公式为：
其中，L’为单位长度导轨的电感，当弹丸向炮口移动时，电路的电感会增大；I为回路中的电流；m为弹丸的质量。
从该式可以看出，对导轨炮而言，**无论是增大导体电流还是增长导轨长度都可以将弹丸增大到更高的速度。**一般而言，要将弹丸加速到数千米每秒的速度，电流大小应在百万安培量级。
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线圈炮
轨道炮能将弹丸加速到很高的速度，但是从加速度公式中可以看到，加速度与弹丸质量成反比，加速大质量弹丸的效率非常低。这时候就需要换用线圈炮，它的另一个名字可能更有名——高斯步枪（Gauss rife）。
高斯步枪 | 来源：https://www.sohu.com/a/48562453_119604
线圈炮通常由一个或多个沿炮管排列的驱动线圈组成，弹丸上一般也绕有弹载线圈。当电源给驱动线圈施加脉冲电流时，两个线圈的磁场相互作用产生安培力，使弹丸向炮口端移动。
线圈炮原理示意图 | 来源：参考文献1
为了方便理解，将驱动线圈和弹载线圈等效为两个电磁铁，两个线圈磁场的相互作用如下图所示。
单级线圈炮受力示意图 | 来源：参考文献1
弹丸位于驱动线圈左侧时，两者之间作用力为吸引力，并且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，所以应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。线圈按精确的时间顺序打开和关闭，便可使弹丸沿着枪管快速加速。
这种加速方式是不是有一种既视感？
没错，磁悬浮列车也是类似的加速方式，两者都利用直线电机进行驱动而非旋转电机。
经过单线圈加速的弹丸速度近似值计算式为：
其中，ρm为弹丸密度，μ0是真空磁导率，Χm是弹丸磁化率，n是单位长度的线圈匝数，I是驱动线圈中的电流。
可以看到，**加速后的速度与弹丸质量无关，而与弹丸的密度有关。**所以用小密度材料可以实现更大质量的弹丸加速。
除了能加速大质量弹丸，线圈炮另一个优点是避免弹丸与炮壁接触。当弹丸被加速时，弹丸被拉向线圈中心或悬浮在线圈中心，不会与炮壁发生物理摩擦。如果孔为全真空（例如带有等离子窗口的管），则完全没有摩擦，这有助于延长可重复使用的时间。
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看完电磁炮的原理，小编不禁感叹，如此巧夺天工的物件，真的是凡间该有的吗？
没想到电磁炮不是一个人的想法。
19世纪，奥斯特、安培和法拉第、先后发现了电流的磁效应、安培定律和电磁感应定律，为电磁炮的实现提供了理论基础。
1845年，查尔斯⸱惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛射到20米远。
第一个明确提出电磁炮概念并成功制成线圈炮的人，是挪威奥斯陆大学的物理学教授克里斯汀⸱伯克兰。1901年，伯克兰制成了第一个电磁线圈炮，并把一颗500克的弹丸以500米/秒的速度发射出去；1903年，第二个线圈炮把重达10公斤的物体加速到了100米/秒，这个装置现在仍保存于奥斯陆的挪威技术博物馆里。
1920年，法国人维勒鲁伯提出了轨道炮的原理。
1944~1945年，德国的汉斯勒博士进行线圈炮和轨道炮的实验，线圈炮的实验未能成功，最终成功用制成的轨道炮将10克重的铝制圆柱体弹丸加速到1.08公里/秒。
第二次世界大战后，各国也纷纷开始了电磁炮相关方面的研究。我国最早实验的电磁炮是303MG型，在1988年用重30克的炮弹进行试射，现中国电磁炮可以将25公斤的炮弹发射到250公里以外的预定区域，在电磁炮领域的研究已经走到了世界前沿！
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看到这是不是有人要问了，
小编小编，电磁炮的原理不就是电磁相互作用吗？
俺寻思着这都些初高中的知识，咋就还妹人大规模应用呢？
其实从原理到成熟应用，之间也就差了亿点点问题。
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电源体型
在轨道炮原理部分也提到了，想获得理想的弹丸出射速度，所加电流可能要达到百万安培的量级。电磁炮工作时需要高达几十兆瓦或上百兆瓦的发电功率，这几乎是一座中容量火力发电厂的发电功率。电源小型化技术是电磁炮早日进入实用阶段的关键。
三峡水电站，装机容量为22.4 GW | 来源：百度图片
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材料技术
电磁炮工作时的大电流给发射装置带来极大的负荷。**目前还没有任何证据表明有任何兆焦耳级轨道炮能够发射数百次全功率发射，**同时保持在精确和安全发射轨道炮所需的严格操作参数范围内。轨道材料、绝缘材料、电枢材料和弹丸弹体材料都需要相应的技术突破。
2017年BAE公司测试的电磁炮系统
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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地应用到电磁炮中是一个问题。
除此之外，制约电磁炮发展的还有电磁炮稳定性、电烧蚀以及轨道间排斥力等诸多问题。
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如此高端厉害又难研发的神器，一定大有用处吧。
欸嘿，电磁炮在诸多优势buff加持下，在战术及战略防御等领域具有广泛的应用前景
传统火炮受气体膨胀速度的限制，发射弹丸的初速度很难超越1 km/s，弹丸重量一般不超过100 kg。理论上电磁炮只要电源功率足够，弹丸的速度将会不断提高，**目前的发射技术已经能够超过 3km/s，且弹丸重量从几克到几吨、几十吨甚至几百吨都能完美驾驭。**美国的打靶实验证明，发射重50 g、速度3 km/s的弹丸，可以穿透25.4毫米厚的装甲。因此，相比于传统火炮，电磁炮具有更大的射程和更强的穿甲能力，有希望用于反装甲、反舰系统中。
如果以卫星或者其他航天器为运载平台，将电磁炮部署在外太空，就能够实现洲际导弹的拦截。当电磁炮弹丸的速度达到4 km/s时，可对一般的反辐射导弹、巡航导弹以及战术导弹实施拦截；当速度达到5 km/s~10 km/s时，可对战略导弹实施中段拦截；当速度达到20 km/s时，能对战略导弹实施助推段拦截。
电磁炮具有初速度高、加速快、火力猛等优点，在防空系统中也有广泛的应用。以装甲车或者舰艇为平台，能够打击临空的各种飞机。**当地基电磁炮弹丸的速度达到6 km/s~10 km/s时，甚至能直接命中杀伤高度在300 km~1000 km的低轨卫星。**据报道，美国尝试研制一种7.5 m长的电磁炮，射程达几十千米，射速高达500 发/min, 能够打击各种飞机和远距离拦截导弹。
除了军事应用外，电磁炮还有许多你意想不到的“才艺”，电磁炮的另一个“艺名”，叫电磁推进器。
在航天领域，**电磁推进器有希望成功火箭推进器的第一级。**目前航天器的发射，使用的都是化学推进器。火箭发射的有效载荷和火箭质量的比值很小，而且是一次性的，综合评估，发射1 kg有效载荷需要2000~8000美元。而电磁推进器可重复使用，据估计，平均每千克有效载荷仅1~1.5美元，发射成本远低于化学推进器。
在科研领域，电磁发射技术能够将粒子或物体加速到几十千米每秒的速度，用于状态方程和碰撞聚变等方面的研究。
科学家正在利用电磁发射技术研究一种“电磁列车”，这种列车可直接使用现有火车钢轨作发射轨道，比磁悬浮列车成本更低，比传统列车运行速度更快。
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参考文献：
[1]李如年,王敬,王海.新概念动能武器—电磁炮[J].中国电子科学研究院学报,2011,6(02):125-129.
[2] http://en.volupedia.org/wiki/Railgun
[3] http://en.volupedia.org/wiki/Coilgun
[4] Holzgrafe J , Lintz N , Eyre N , et al. Effect of Projectile Designon Coil Gun Performance.
[5]孙忠. 电磁炮技术的历史和未来[J]. 世界导弹与航天, 1989(2):6.
[6]王群, 耿云玲. 电磁炮及其特点和军事应用前景[J]. 国防科技, 2011, 32(2):1-7.
[7]王静端. 电磁发射技术的发展及其军事应用[J]. 火力与指挥控制, 2001, 26(1):3.
[8]杨世荣, 王莹, 徐海荣,等. 电磁发射器的原理与应用[J]. 物理, 2003, 32(4):4.