圖　12　電磁炮的工作原理

2.1　電磁軌道炮的工作原理

　　如圖1所示，電磁軌道炮由兩條聯接著大電流源的固定平行導軌和一個沿導軌軸線方向可滑動的電樞組成.發射時，電流由一條導軌流經電樞，再由另一條導軌流回，而構成閉合回路.強大的電流流經兩平行導軌時，在兩導軌間產生強大的磁場，這個磁場與流經電樞的電流相互作用，產生強大的電磁力，該力推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿導軌加速運動，從而獲得高速度.

　　根據畢奧-薩伐爾定律和安培定律可推得，電樞受到的電磁場的作用力與電流強度的平方成正比，即

　　　　　　　　　　F=kI2

由此可見，要想獲得彈丸的高速度，必須供給軌道強大的電流.通常該電流的數值在兆安級.而電流的脈沖寬度在毫秒數量級.

　　在強脈沖電流的作用下，軌道炮中彈丸的加速度可達重力加速度的幾十萬倍.因此，軌道炮只需要較短的導軌，就能使彈丸獲得很高的速度.它的優點是結構簡單，適用范圍廣.例如可用于天基戰略反導，發射質量為1～10 g的彈丸，能使其速度達到20 km/s以上，以攔截戰略導彈；也可用于地面戰術武器，如反裝甲和防空；還可用于各類超高速碰撞，包括碰撞核聚變、流星體碰撞等研究.其缺點一是效率低，一般約10%左右.二是大電流對導軌的燒蝕嚴重，影響其使用壽命.為此，近些年來又出現了一些改進型的電磁軌道炮.例如，有的軌道炮為了減小電流，在軌道炮的外面與軌道并行走向繞多匝線圈以增強磁場，稱為加強型軌道炮；有的軌道炮采用分段儲能、供電或多級串聯使用以提高效率.

　　　　　　圖　22.2　同軸線圈炮的工作原理

　　如圖2所示，同軸線圈炮由環繞于炮膛的一系列固定的加速線圈與環繞于彈丸的彈載運動線圈(彈丸線圈)構成.它利用加速線圈與彈丸線圈之間互感時產生的電磁力作為彈丸的加速力.當給加速線圈突然加上電流時在彈線圈內會產生相應的感應電流，這時兩個線圈相當于兩個電磁鐵，它們相互排斥，彈丸線圈受到的這個排斥力就是加速力.發射時依次給加速線圈供電，于是產生沿炮身管運動的磁場，這個磁場與彈丸線圈中感應電流激勵的磁場相互作用，產生連續的加速力，從而使彈丸加速運動.需要說明的是，加速線圈與彈丸線圈之間的相互作用，相當于兩個磁體間的相互作用，既可以相斥也可以相吸，可使彈丸加速也可使彈丸減速.因此，必須保證使加速線圈產生的磁場與彈丸線圈的運動位置精確同步.同軸線圈炮與電磁軌道炮相比有三個優點.一是加速力大，它的加速力峰值是電磁軌道炮的100倍.第二個優點是，由于同軸線圈炮中彈丸不與炮膛直接接觸，是靠磁懸浮力運動的，因而炮管與彈丸之間無摩擦.而且加速力施加于整個彈丸之上，從而使能量利用率較高，一般可達50%.第三個優點是需要的電流較小，不存在兆安級的脈沖電流，可使開關裝置簡化.

　　一般來說，同軸線圈炮適用于與軌道炮相比發射初速度較低，口徑與質量較大的彈丸，如加榴炮彈丸.也可用來發射魚雷、導彈或彈射飛行器等.

2.3　重接炮的工作原理

　　重接炮是電磁炮的一種新形式.目前只有美國對單級重接炮進行了一些理論研究.單級重接炮由上下兩個長方形同軸線圈組成，其間有一間隙.發射體為一長方體，可穿過兩線圈的間隙作加速運動.重接炮綜合了線圈炮能發射大質量彈丸、以及軌道炮能發射超高速彈丸的優點，還可賦予彈丸更高的加速力峰值，且使平均加速力與峰值加速力之間相差不大，從而使彈丸獲得均勻的加速度.重接炮被認為是未來天基超高速電磁炮的結構形式.由于其理論和實踐上還不夠成熟，所以本文不再對它的工作原理進行更為詳盡的敘述.3　電磁炮的關鍵技術分析

　　電磁炮的關鍵技術主要有：電源技術、電磁發射器設計技術、材料技術、以及系統總體設計技術等.

3.1　電源技術

　　由于電磁炮發射時需要非常大的脈沖電功率(要求電源功率在吉瓦數量級，脈沖持續時間在毫秒數量級)，普通電源滿足不了這一要求.因此，通常的作法是先將初級電源的功率傳遞給儲能系統，將能量儲存起來，后者在適當的時機以適當的方式將能量轉換到脈沖形成網絡中，以適應負載的要求.目前電磁炮原理試驗樣機使用的電源主要有：電容器組、電感儲能系統、磁通壓縮發生器、蓄電池組、脈沖磁流體發電裝置、單極脈沖發電機和補償型脈沖交流發電機等七種形式.每種電源都有其自身的特點和使用價值.從目前研究和試驗情況來看，研究的重點是：高能量高儲能密度的電容器組、單級發電機、補償型交流發電機.這幾種電源發展比較迅速，應用也日趨成熟.電源技術的難點在于縮小其體積.

3.2　電磁發射器設計技術

　　電磁發射器是電磁炮的核心部件.首先必須根據武器系統的使用要求，研究確定采用哪種發射原理和方式，能夠滿足性能的要求；其次要根據已確定的彈丸動能，推算所需電源的脈沖功率，來確定最佳的供電方式和采用的電源形式；再次，要研究用于試驗的發射器結構形式，包括炮身、供彈系統以及能量儲存轉換方式；最后，要組成在實驗室或試驗場條件下，能夠實現發射循環的原理樣機或試驗裝置，進行發射試驗，測試有關數據.并根據試驗數據修改和完善原理樣機，為全武器系統的設計提供必要的參數和依據.

3.3　材料技術

　　由于電磁炮發射時是在強脈沖電流的條件下加速彈丸的，其工作條件極為惡劣.因此，對其所用材料的要求就很高.目前對材料的研究主要是對軌道材料、絕緣材料、彈丸材料等的研究.

　　軌道炮的導軌是在兆安級的電流下工作的，材料要經受瞬時極大的熱流沖擊，容易造成導軌的嚴重燒蝕，特別是彈丸底部的初始位置，燒蝕更為嚴重.因此，導軌材料首先要有好的抗燒蝕性能，同時還應具有良好的導電性能和高的倔服強度，滑動摩擦系數要小，并且在高溫下能保持較強的硬度.目前多使用性能良好的無氧銅，或鋼與鎢、鋯、釷、鎳、鉻等的合金.

　　與導軌、電樞接觸的絕緣材料應具有較強的抗電弧燒蝕性能.用于線圈炮的絕緣材料必須耐高溫和高壓，而且要有較高的機械強度.試驗已經發現了一些性能比較好的材料，如二氧化硅、三氧化二鋁等.

　　目前電磁炮的彈丸材料多為塑料或輕金屬.其外彈道特性還未及考慮.彈丸材料必須能夠承受膛內加速時所產生的比傳統火炮高得多的加速度(約為重力加速度的幾十萬倍).再加上與裝甲目標的高速碰撞，其硬度是至關重要的.而且一旦彈丸速度達到3 km/s以上，它在空氣中高速飛行時產生的摩擦熱，也足以將普通材料的彈丸熔化掉.所以，彈丸材料不僅硬度要高，還要耐燒蝕.

3.4　系統總體技術

　　十幾年來，電磁炮的研究，主要圍繞如何提高彈丸速度這一核心問題，開展了許多相關單項技術的研究，并取得了長足的發展.單項技術發展到一定程度時，系統總體技術就成為武器系統研制的一項十分重要的關鍵技術.而且必須先行一步，必須從系統的總體部置和各組成部分的功能，以及選擇的技術途徑和實施方案等全局出發，為各分系統和零部件的研究發展提出量化指標及相應的約束條件，以求得系統總體綜合性能的優化.