电磁炮
依靠电和磁发射弹丸的动能武器
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从远古时期的标枪、弓箭到近代的枪械,大多利用弹丸的动能毁伤目标,统称动能武器。发明了动能武器,现代智人才得以高效获取生存和迁徙的资源。成为“万兽之王”以后,人类群体之间的斗争对动能武器提出了紧迫的需求。随着电气时代拉开巨幕,用电磁力为弹丸提供动能,取代延续数百年的化学动力武器,进入了人们的想象空间。

事情起初似乎在向好的方向发展。在电磁动力开疆拓土的过程中,输出旋转运动和输出直线运动是两个皆有可能的选项。早在1845年,在试制直线电动机时就发生了金属棒被抛出的现象,被认为可以制造“电火炮”。但是后面的事情就不太乐观了,旋转运动的电动机相继被发明并迅速统治全球,电能直接转换为直线运动的技术却进展缓慢。直到1902年,挪威教授克里斯蒂安•伯克兰(Kristian Birkeland)建造出一种巨大的线圈炮,能够把10公斤的铁弹以80~100米每秒的速度发射出去,但是因为当时还没有堪用的脉冲电源,性能无法继续提升,加之缺乏资金而放弃[1]。就在这年,瑞典工程师丹尼尔森发明同步电动机,标志着电动机大厦已经封顶。

图:伯克兰制作的电磁炮,现存于挪威技术博物馆

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随后的七十年,依然有许多科学家前赴后继,获得了一些进展。包括在第一次世界大战期间发明轨道炮,以及由于二次世界大战的推动而进行更多的尝试。但是,终究由于缺乏包括脉冲电源在内的大量准备条件,没有取得突破。直到1978年,澳大利亚的马歇尔教授团队采用了新的电源,将轨道炮的初速提升到5.9千米每秒,证明了电磁炮把宏观物体加速到超高速的可能性,电磁炮才在随后的几十年中重新回到蓬勃发展的轨道上来。

根据结构不同,电磁炮可以分为轨道炮和线圈炮。线圈炮又分为感应炮、电刷换向线圈炮和磁阻炮。轨道炮适合于将较小质量的弹丸推动到极高的速度,线圈炮能够胜任大质量的载荷。除了磁阻炮之外,他们的物理原理和大多数电动机类似,利用的都是“通电导体在磁场中受到的力”,即安培力。“炮”负责产生磁场,弹丸是“通电导体”。区别在于弹丸上的电是直接通上的或是利用电磁感应原理产生的。比如轨道炮就是由导轨直接为弹丸通电。稍稍有些特殊的是磁阻炮,他的弹丸由铁磁材料制成,原理可以简单的理解为“电磁铁吸引铁磁物质”。不过从微观上看,被电磁铁磁化的弹丸依然属于“通电导体”。

电磁炮近年的复兴得益于多种因素。其中比较重要的是现代战争中拦截高速导弹、穿甲等需求,对于弹丸速度要求越来越高。火炮由于受制于燃气在炮管中的膨胀速度,通常初速只有1千米每秒左右,2千米每秒已接近极限。电磁炮的速度几乎没有理论极限,可以在现实条件下达到10千米每秒,几乎提升了一个数量级。另外,电炮发射时的动静小,后座力小,利于隐蔽和机动;加速度均匀,对弹丸的冲击小,有利于弹丸不断地翻新花样;不用携带大量的“火药桶”,更安全;发射速度可以做到极为精确,有利于高精度科学实验。当然,还得益于半导体技术、电能存储技术和自动控制技术的发展。

除了在军事上的发展之外,电磁炮在工业、科研等领域有着广泛的应用。磁浮列车就是一种古老的电磁炮。用线圈炮助推火箭,向太空投射卫星,也已经提上议事日程。据媒体报导,我国航天科工集团的“羽舟”系列火箭计划采用电磁弹射技术。

图:NASA的航天器电磁发射装置原型

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电磁炮是一个纵深极大、出口宽广的领域。制作一台可以发射弹丸的模型很容易——只需要一卷漆包线,一只锂电池,一截铁棒就能验证它的原理。但是要想达到先进水平很难。一部可以称为“作品”的电磁炮,几乎囊括了工科的一半专业。本专业一方面研究和分享电磁炮的科学知识,另一方面交流工程实现所需要考虑的方方面面,通过学习和动手制作,体验为了达成目标而一步步分解问题,寻找解决方案的过程。

安全提示:充分预估风险,采取防范措施,杜绝盲目冒进,是任何科学技术实验都应该遵守的原则。本专业分类的所有内容仅适用于科学实验,严禁用于不正当用途,所有观众和用户必须独立承担可能的后果。

[1]A.Egeland;E.Leer.Professor Kr.Birkeland:His Life and Work.IEEE Transactions on Plasma Science,vol.14,No.6,Dec.,1986,pp.666-677.


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