电磁炮原理(中国电磁炮目前还有哪些无法攻克的难题)
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2023-11-15
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1. 电磁炮原理,中国电磁炮目前还有哪些无法攻克的难题?
图为电磁炮测试画面
近日,据美国洛杉矶时报发表文章称,中美两国正在拼命发展电磁炮技术,未来,在实际作战中,电磁炮的威力某种意义上来说,其实已经超过了核导弹。中国电磁炮其实已经取得了巨大成就,甚至有消息表示,中国可能会在055驱逐舰上装备这一武器,这一点让白宫官员感到彻底震撼了。
在众多新概念武器中,电磁炮和激光炮是研发进展较快、更为接近实用化的两个。其中,电磁炮因为更为接近常规火炮的功能和作用,不仅可以用于防空反导,还能用于远程精确打击,因此更加受到各国的重视。美国目前已经走在了世界电磁炮发展的前列,美国海军所主导的舰载电磁炮已经进行了多次原理样炮的发射试验。
图为美国科幻电影中出现的电磁炮
但是,无论是从技术角度还是成本角度考虑,现在电磁炮发展距离真正作为一种实用化武器投入现役还是有一定的差距。首先就是性能是否能够达标的问题,这也是目前美国海军迟迟未将由BAE系统公司研制的电磁炮样炮安装到战舰上进行试验的原因。美国海军对于电磁炮性能要求有一个最基本的底线,即炮口初速要达到6马赫以上,最大射程要达到160公里以上,弹丸重量不小于20公斤。
但是,到目前为止,BAE系统公司研制的电磁炮样炮尚未达到这个目标,而其他军火巨头研发的电磁炮样炮,如通用、雷声等,同样未能达标。这就使得美国海军对于现有电磁炮技术产生了需求与现实之间的心理落差。除了性能不达标,电磁炮的射速也是一个大问题。电磁炮每发射一次后,都需要对电池组进行充能以及对超导体发射轨道进行冷却。
图为美国研制的电磁炮
目前美国研发的电磁炮样炮的能量输出最大可以达到42兆焦,需要体积和重量庞大的电池组,如何对其实现快速充能是一个很大的问题。而超导体发射轨道因为承受了能量巨大的电流以及弹丸高速滑行,会产生惊人的热量,也必须实施快速冷却。因此,目前美国研发的电磁炮样炮射速很低,不要说一分钟发射一枚炮弹,很可能几分钟才能发射一枚炮弹。这么低的射速是无法投入实战的。
在现代战场上,无论是用于远程火力压制的大口径身管火炮,还是防空反导用的小口径近防炮,射速都是很重要的性能指标。在不解决射速低这一问题之前,电磁炮很难实现实用化。最后还有一个很重要的问题,就是电磁炮的发射成本。一般来说,由于不需要发射药以及复杂的复进机、驻退机等火炮机构,电磁炮的发射成本应该是比较低的,这也是当初宣传该炮技术优势中很重要的一点。但是目前看来,电磁炮的超导体发射轨道因为烧蚀问题,寿命很短,可能只有几百发甚至数十发,最终反而导致其发射成本更高。
【转自思远军事第193期】
2. 建一个足够长的轨道把火箭预先加速向太空抛射?
其实类似的想法以前就曾提出并试验过,不过对于发射火箭来说,由于体积、重量过大,采用电磁炮进行发射助推,技术难度太大,成本也过高,并不具备现实意义。如直接发射卫星的话,这就和美军在上世纪60年代进行的“高空飞行研究计划”(High Altitude Research Project, HARP)相类似。
巴巴多斯大炮
按1966年的试验数据显示, HARP计划中建造在加勒比海巴巴多斯岛的大炮,可将180公斤重的弹丸发射到180公里的高度。这一高度对于卫星而言还是较低,由于在这一高度运行还是会受到大气热层的影响,卫星寿命一般都较短,历史上已仅有一些间谍卫星在这一轨道短暂运行。此外,在载荷方面,180公斤的卫星仅能算小型卫星,实用性也相当有限。
英BAE系统公司开发的电磁炮
即使不可考虑电磁炮大型化的问题,通过炮管发射卫星,其巨大的过载及高电磁的环境,对于卫星的元器件也是一项很高的挑战,这样以来在卫星上增加的成本及有效载荷的降低,综合考虑的话也并不划算。随着进行年可重复火箭的技术成熟,卫星的发射成本已能控制在每公斤1万美元左右,未来更是可能降低到5000美元。
Stratolaunch运行示意图
此外,在为火箭提供“助力”方面,使用飞机在高空发射或许是更好的选择,在技术上用运输机发生卫星已没有技术难题,美国及苏联都曾进行过类似试验。目前,美国私人航天公司研制的“平流层发射”(Stratolaunch)巨型双身飞机正在进行相关实验,该机使用6台波音747 PW4000发动机,可将近地轨道运输约6.1吨的有效载荷,预计在2019年进行首飞。
3. 电磁炮的主要发展形式?
电磁炮按照原理可分为线圈炮、轨道炮和重接炮。其中线圈炮是发展最早的电磁炮样式,由固定线圈和弹丸线圈组成。固定线圈相当于炮管,通电后会形成运动磁场,并在弹丸线圈中产生感应电流。
4. 电解电容正负相连会不会短路?
不会,短接对电容来说就是电中和的过程。
电磁炮的原理是利用强电流产生的磁场推动炮弹,一般的电池放电能力有限,无法大电流放电,所以利用电容的特性提供大电流。5. 电热炮是利用什么方法的产生的等离子?
电热炮是电炮家族的成员之一。电热炮是全部或部分地利用电能加热工质来推进弹丸的发射装置。一般的,电热炮分两种:一种是使用高功率脉冲电源放电或使电热丝发生电爆炸产生等离子体加热工质,使得工质剧烈膨胀推动弹丸发射。这种称为电热炮。
另一种是使用产生的等离子体再去加热其它更多质量的低分子质量的轻工质,使其发射化学反应生成热气体(含少量等离子体),借助热气体和未反应完的工质的膨胀推动弹丸。
这种称为电热化学炮。
这种电热炮使用的工质称作含能工质,从原理和结构来讲,电热炮与电热化学炮只存在工质差异。两种炮均为电热炮。由于电热炮的原理中几乎不含电磁力用作加速力,因此电热炮不是电磁炮。电热炮的工作离不开工质。
6. 什么是电磁炮?
电磁炮是这样一种装置:利用强大的电磁力来加速弹丸,使弹丸高速射向目标并将其摧毁。
电磁炮的发射原理同普通电动机的工作原理是一样的。我们都知道电动机由定子和转子两大部分组成。通电后,电流通过定子上的线圈而产生电磁力,而转子就在电磁力的推动下高速运转起来。
在这里,我们把电磁炮看作一台特殊的“电动机”。炮身相当于电动机的“定子”,炮弹相当于电动机的“转子”。电磁炮的炮身是两条长长的平行铜导轨,炮弹就夹在这两条导轨的中间。
导轨通电后产生一个强大的电流,此电流沿其中一条导轨输入,流经炮弹,然后再由另外一条导轨返回;这样,便在这两条导轨之间形成一个强大的磁场;而该磁场与炮弹中的电流相互作用,产生一个强大的电磁力;此电磁力推动着炮弹沿导轨高速前进,并且日其运行速度越来越高,炮弹就这样被射了出去。所以电磁炮又叫“轨道炮”。
由于电磁推力大,所以电磁炮的炮弹能够达到很高的速度。美国的两个电磁炮实验室已经将3克重的弹丸加速到每秒11千米,另外还将300克重的弹丸加速到每秒4千米。我们知道,一般火炮的射出速度只有每秒0.8千米左右,步枪子弹的射出速度也只有每秒1千米左右。
由于电磁力很均匀,故电磁炮的弹丸在飞行中比较稳定;又由于在发射时不出火焰和烟雾,也不产生冲击波,所以电磁炮的隐蔽性好;电磁炮可以根据目标的特征快速调节电磁力的大小;另外,电磁炮也比较经济。常规火炮的发射药每产生1兆焦耳能量大约需耗资10美元,而用电磁炮只需0.1美元。
电磁炮的发展受到各军事强国的高度重视,例如在美国的“战略防御计划”中,对电磁炮的研制占有重要地位。
不过,从电磁炮的当前发展水平来看,距离实战要求仍有一定的距离。例如:实战要求能将3千克重的弹丸加速到每秒15~30千米的速度,而目前的实际水平距离这个要求还差得很多;目前的电磁炮导轨材料还不够强固,弹丸高速掠过时,往往会使导轨发生剪切、变形甚至熔化;高速飞行的电磁炮弹丸在穿过大气层时,容易被烧蚀;目前仍处于试验阶段的天基电磁炮武器系统,其重量太大,其费用也极高。
电磁炮从结构上可分为电磁轨道炮、电磁线圈炮和电磁“重接”炮。
其中,电磁轨道炮是目前发展较为迅速的一种电磁炮,它主要由两条平行的导轨和在导轨之间滑动的微型射弹以及射弹电枢等组成。导轨作为电磁轨道炮的线性电磁推进加速器,当发射时,导轨和射弹电枢被通上巨大的瞬时电流,在导轨间形成强电磁场,由电磁相互作用使导轨加速器产生巨大的加速力,从而使导轨间的微型射弹加速,并以极高的速度发射出去,实现与目标直接碰撞,靠相对碰撞产生的巨大动能摧毁目标。
目前,美国有多家机构在从事电磁轨道炮的研究工作,并取得了一些重大进展。电磁线圈炮也叫同轴线圈加速炮,是最早制造的电磁炮,在20世纪初就已能做到将10千克重的炮弹加速到100米/秒。
在70年代中期,前苏联的科学家已能将1.3克重的金属环加速到4.9千米/秒。线圈炮由环绕于炮膛的一系列固定加速线圈与环绕微型射弹的弹载运动线圈组成,当这些线圈按顺序加电时,产生运动磁场,使处在磁场中的微型射弹加速发射出去。电磁“重接”炮简单地说就是利用两个磁场重新结合产生新的更大容积的磁场结构,来加速发射微型射弹。“重接”炮是天基超高速电磁炮的备选方案。
除美国以外,俄罗斯、澳大利亚、英国、德国、日本和以色列等国也在开展电磁炮技术的研究。
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1. 电磁炮原理,中国电磁炮目前还有哪些无法攻克的难题?
图为电磁炮测试画面
近日,据美国洛杉矶时报发表文章称,中美两国正在拼命发展电磁炮技术,未来,在实际作战中,电磁炮的威力某种意义上来说,其实已经超过了核导弹。中国电磁炮其实已经取得了巨大成就,甚至有消息表示,中国可能会在055驱逐舰上装备这一武器,这一点让白宫官员感到彻底震撼了。
在众多新概念武器中,电磁炮和激光炮是研发进展较快、更为接近实用化的两个。其中,电磁炮因为更为接近常规火炮的功能和作用,不仅可以用于防空反导,还能用于远程精确打击,因此更加受到各国的重视。美国目前已经走在了世界电磁炮发展的前列,美国海军所主导的舰载电磁炮已经进行了多次原理样炮的发射试验。
图为美国科幻电影中出现的电磁炮
但是,无论是从技术角度还是成本角度考虑,现在电磁炮发展距离真正作为一种实用化武器投入现役还是有一定的差距。首先就是性能是否能够达标的问题,这也是目前美国海军迟迟未将由BAE系统公司研制的电磁炮样炮安装到战舰上进行试验的原因。美国海军对于电磁炮性能要求有一个最基本的底线,即炮口初速要达到6马赫以上,最大射程要达到160公里以上,弹丸重量不小于20公斤。
但是,到目前为止,BAE系统公司研制的电磁炮样炮尚未达到这个目标,而其他军火巨头研发的电磁炮样炮,如通用、雷声等,同样未能达标。这就使得美国海军对于现有电磁炮技术产生了需求与现实之间的心理落差。除了性能不达标,电磁炮的射速也是一个大问题。电磁炮每发射一次后,都需要对电池组进行充能以及对超导体发射轨道进行冷却。
图为美国研制的电磁炮
目前美国研发的电磁炮样炮的能量输出最大可以达到42兆焦,需要体积和重量庞大的电池组,如何对其实现快速充能是一个很大的问题。而超导体发射轨道因为承受了能量巨大的电流以及弹丸高速滑行,会产生惊人的热量,也必须实施快速冷却。因此,目前美国研发的电磁炮样炮射速很低,不要说一分钟发射一枚炮弹,很可能几分钟才能发射一枚炮弹。这么低的射速是无法投入实战的。
在现代战场上,无论是用于远程火力压制的大口径身管火炮,还是防空反导用的小口径近防炮,射速都是很重要的性能指标。在不解决射速低这一问题之前,电磁炮很难实现实用化。最后还有一个很重要的问题,就是电磁炮的发射成本。一般来说,由于不需要发射药以及复杂的复进机、驻退机等火炮机构,电磁炮的发射成本应该是比较低的,这也是当初宣传该炮技术优势中很重要的一点。但是目前看来,电磁炮的超导体发射轨道因为烧蚀问题,寿命很短,可能只有几百发甚至数十发,最终反而导致其发射成本更高。
【转自思远军事第193期】
2. 建一个足够长的轨道把火箭预先加速向太空抛射?
其实类似的想法以前就曾提出并试验过,不过对于发射火箭来说,由于体积、重量过大,采用电磁炮进行发射助推,技术难度太大,成本也过高,并不具备现实意义。如直接发射卫星的话,这就和美军在上世纪60年代进行的“高空飞行研究计划”(High Altitude Research Project, HARP)相类似。
巴巴多斯大炮
按1966年的试验数据显示, HARP计划中建造在加勒比海巴巴多斯岛的大炮,可将180公斤重的弹丸发射到180公里的高度。这一高度对于卫星而言还是较低,由于在这一高度运行还是会受到大气热层的影响,卫星寿命一般都较短,历史上已仅有一些间谍卫星在这一轨道短暂运行。此外,在载荷方面,180公斤的卫星仅能算小型卫星,实用性也相当有限。
英BAE系统公司开发的电磁炮
即使不可考虑电磁炮大型化的问题,通过炮管发射卫星,其巨大的过载及高电磁的环境,对于卫星的元器件也是一项很高的挑战,这样以来在卫星上增加的成本及有效载荷的降低,综合考虑的话也并不划算。随着进行年可重复火箭的技术成熟,卫星的发射成本已能控制在每公斤1万美元左右,未来更是可能降低到5000美元。
Stratolaunch运行示意图
此外,在为火箭提供“助力”方面,使用飞机在高空发射或许是更好的选择,在技术上用运输机发生卫星已没有技术难题,美国及苏联都曾进行过类似试验。目前,美国私人航天公司研制的“平流层发射”(Stratolaunch)巨型双身飞机正在进行相关实验,该机使用6台波音747 PW4000发动机,可将近地轨道运输约6.1吨的有效载荷,预计在2019年进行首飞。
3. 电磁炮的主要发展形式?
电磁炮按照原理可分为线圈炮、轨道炮和重接炮。其中线圈炮是发展最早的电磁炮样式,由固定线圈和弹丸线圈组成。固定线圈相当于炮管,通电后会形成运动磁场,并在弹丸线圈中产生感应电流。
4. 电解电容正负相连会不会短路?
不会,短接对电容来说就是电中和的过程。
电磁炮的原理是利用强电流产生的磁场推动炮弹,一般的电池放电能力有限,无法大电流放电,所以利用电容的特性提供大电流。5. 电热炮是利用什么方法的产生的等离子?
电热炮是电炮家族的成员之一。电热炮是全部或部分地利用电能加热工质来推进弹丸的发射装置。一般的,电热炮分两种:一种是使用高功率脉冲电源放电或使电热丝发生电爆炸产生等离子体加热工质,使得工质剧烈膨胀推动弹丸发射。这种称为电热炮。
另一种是使用产生的等离子体再去加热其它更多质量的低分子质量的轻工质,使其发射化学反应生成热气体(含少量等离子体),借助热气体和未反应完的工质的膨胀推动弹丸。
这种称为电热化学炮。
这种电热炮使用的工质称作含能工质,从原理和结构来讲,电热炮与电热化学炮只存在工质差异。两种炮均为电热炮。由于电热炮的原理中几乎不含电磁力用作加速力,因此电热炮不是电磁炮。电热炮的工作离不开工质。
6. 什么是电磁炮?
电磁炮是这样一种装置:利用强大的电磁力来加速弹丸,使弹丸高速射向目标并将其摧毁。
电磁炮的发射原理同普通电动机的工作原理是一样的。我们都知道电动机由定子和转子两大部分组成。通电后,电流通过定子上的线圈而产生电磁力,而转子就在电磁力的推动下高速运转起来。
在这里,我们把电磁炮看作一台特殊的“电动机”。炮身相当于电动机的“定子”,炮弹相当于电动机的“转子”。电磁炮的炮身是两条长长的平行铜导轨,炮弹就夹在这两条导轨的中间。
导轨通电后产生一个强大的电流,此电流沿其中一条导轨输入,流经炮弹,然后再由另外一条导轨返回;这样,便在这两条导轨之间形成一个强大的磁场;而该磁场与炮弹中的电流相互作用,产生一个强大的电磁力;此电磁力推动着炮弹沿导轨高速前进,并且日其运行速度越来越高,炮弹就这样被射了出去。所以电磁炮又叫“轨道炮”。
由于电磁推力大,所以电磁炮的炮弹能够达到很高的速度。美国的两个电磁炮实验室已经将3克重的弹丸加速到每秒11千米,另外还将300克重的弹丸加速到每秒4千米。我们知道,一般火炮的射出速度只有每秒0.8千米左右,步枪子弹的射出速度也只有每秒1千米左右。
由于电磁力很均匀,故电磁炮的弹丸在飞行中比较稳定;又由于在发射时不出火焰和烟雾,也不产生冲击波,所以电磁炮的隐蔽性好;电磁炮可以根据目标的特征快速调节电磁力的大小;另外,电磁炮也比较经济。常规火炮的发射药每产生1兆焦耳能量大约需耗资10美元,而用电磁炮只需0.1美元。
电磁炮的发展受到各军事强国的高度重视,例如在美国的“战略防御计划”中,对电磁炮的研制占有重要地位。
不过,从电磁炮的当前发展水平来看,距离实战要求仍有一定的距离。例如:实战要求能将3千克重的弹丸加速到每秒15~30千米的速度,而目前的实际水平距离这个要求还差得很多;目前的电磁炮导轨材料还不够强固,弹丸高速掠过时,往往会使导轨发生剪切、变形甚至熔化;高速飞行的电磁炮弹丸在穿过大气层时,容易被烧蚀;目前仍处于试验阶段的天基电磁炮武器系统,其重量太大,其费用也极高。
电磁炮从结构上可分为电磁轨道炮、电磁线圈炮和电磁“重接”炮。
其中,电磁轨道炮是目前发展较为迅速的一种电磁炮,它主要由两条平行的导轨和在导轨之间滑动的微型射弹以及射弹电枢等组成。导轨作为电磁轨道炮的线性电磁推进加速器,当发射时,导轨和射弹电枢被通上巨大的瞬时电流,在导轨间形成强电磁场,由电磁相互作用使导轨加速器产生巨大的加速力,从而使导轨间的微型射弹加速,并以极高的速度发射出去,实现与目标直接碰撞,靠相对碰撞产生的巨大动能摧毁目标。
目前,美国有多家机构在从事电磁轨道炮的研究工作,并取得了一些重大进展。电磁线圈炮也叫同轴线圈加速炮,是最早制造的电磁炮,在20世纪初就已能做到将10千克重的炮弹加速到100米/秒。
在70年代中期,前苏联的科学家已能将1.3克重的金属环加速到4.9千米/秒。线圈炮由环绕于炮膛的一系列固定加速线圈与环绕微型射弹的弹载运动线圈组成,当这些线圈按顺序加电时,产生运动磁场,使处在磁场中的微型射弹加速发射出去。电磁“重接”炮简单地说就是利用两个磁场重新结合产生新的更大容积的磁场结构,来加速发射微型射弹。“重接”炮是天基超高速电磁炮的备选方案。
除美国以外,俄罗斯、澳大利亚、英国、德国、日本和以色列等国也在开展电磁炮技术的研究。
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