感应炮

轨道炮和线圈炮

电磁炮一般分为轨道炮和线圈炮，而线圈炮根据其原理的基础可划分出一大类线圈炮——感应类线圈炮（Induction Coilgun）

简介

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。

线圈炮（coilgun）是电磁炮的一种。广义上讲，所有驱动部分由线圈构成的电磁发射器都可称为线圈炮。

所谓的线圈炮，一般是指使用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有线圈的弹丸或磁性材料弹丸的发射装置，它利用驱动线圈和弹丸线圈间的磁耦合机制工作，本质上是一台直线电动机。

就一般情况而言，最简单的线圈炮是由两种线圈构成（图3-1）：一种是固定的定子，起驱动作用，称为驱动线圈（d），也可称炮管线圈；另一种是被驱动的电枢，称为弹丸线圈（p），其内装有弹丸或其他发射体。驱动线圈和弹丸线圈的相对位置排列有两种形式，一种是轴线平行地排列（a），弹丸线圈在驱动线圈上面平行运动；第二种是同轴排列（b），弹丸线圈在驱动线圈内（或外）运动。

发展历史

1831年，英国科学法拉第发现了电磁感应现象以后，各国军事专家深受启发，随即考虑利用电磁力发射物体的原理来制造武器。1845年，英国物理学家查尔斯·惠斯通（Chars Wheastone）制造了世界上第一台直线磁阻式电动机，用它把一段金属棒抛射到20m远的地方。1895年，美国匹兹堡市市长梅厄（Mayor）获得第一个直线感应电动机专利。但直线电机和电炮还相去甚远。第一个明确地提出电磁炮概念并坚持不懈长期试验的是一位挪威的科学家——奥斯陆(Aslo)大学物理学教授克里斯蒂安·伯克兰（Kristian Birkeland）。1897~1917年，伯克兰教授不断改进和试验他发明的电炮，并于1901~1903年获得了三项电炮技术专利。1901年，他制成了第一个电磁线圈炮，并利用该炮把0.5kg重的炮弹加速到50m/s；1903年制成的第二个线圈炮把10kg重的物体加速到了100m/s的速度。这在当时已经是非常了不起的成就。

1912年，法国的埃米尔·巴彻特勒（Emile Bachelet）建造了第一个交流激励的磁推进装置。1920年，法国的福琼-维莱普勒（Fauchon-Villeple`e）发表了《电气火炮》一文。几乎同时，美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。到二战前，各种电炮的专利已达45项之多。

二战末期，德国军方在希特勒的批准下不断寻找和积极研制开发各种新式兵器，电磁炮也是其中一项。1944年，亚西姆·汉斯勒博士和邦泽尔总检测师在马格德堡的训练场，对10mm口径线圈炮进行试验，但试验未能成功。后来汉斯勒又进行了多次电磁炮的试验，主要为轨道炮，在此不作更多说明。随着德国的战败，汉斯勒博士的研究工作也中止了。

1946年，美国威斯汀豪斯电器公司建成一个全尺寸飞机弹射装置，名叫“电拖”，是一个初级运动的直线感应电动机。而后美国海军和空军也做了一些研究工作。但空军科学研究所经过反复论证，于1957年得出“电磁发射根本行不通”的结论，使电磁发射器的研究陷入困境。

然而在苏联于1958年和1965年进行了大量的电磁炮试验。1966年，美国内华达大学的温特伯格教授提出了用磁行波加速超导体的概念。1966年，苏联人鲍斯达列夫用1cm长的单级脉冲感应线圈发射器把2g的铝环加速到5km/s。1972年，NASA提出电刷换向的螺旋线圈炮，而麻省理工学院则研制出第一台类似于同步直流电动机的线圈炮。

原理及分类

感应炮种类繁多，因而对感应炮进行科学分类，以利于研究和发展感应炮。从驱动线圈和弹丸感应间的电关联分类，感应炮可分为两大类：一是两线圈间的电关联分类，一是两感应间有直接电联系的感应炮。例如，电刷换向型感应炮；二是两感应无直接电联系的感应炮。例如，感应型和无刷换向型感应炮。从基本工作原理看，所有感应炮都按直线电动机原理工作。依据直线电动机的原理和电物理特性，可把感应炮分为5类：

（1）两感应均为直流，类似导轨炮，此为直流直线电动机型，我们定名为螺旋感应炮；

（2）弹丸感应携带直流，驱动感应使用交变电流，此为同步电动机型，我们称其为直流电枢分立驱动的感应炮；

（3）驱动感应用脉冲电流分立激励，弹丸感应电流是由此感生的，此为准直线感应电动机型，我们定名为同步感应感应炮；

（4）驱动感应使用多相交流产生磁行波，借其滑差速度在弹丸感应内感生电流，此为直线感应电动机型，通常称为异步感应感应炮；

（5）磁行波“拉”着磁化弹丸前进，此为另一种直线同步电动机型，定名为磁化弹丸行波炮。

高压发射的本质

实际上通过电磁感应定律我们可以了解到要使感应电动势变强那么磁通量变化就要越快【 e(t) =-n(dΦ)/(dt)】或者用增加匝数来使驱动线圈有更强的磁场，若不改变电源则前者要降低其阻抗后者要增加阻抗。（前者减少 t 时间后者增加Φ磁通量）这两种方法都可以获得更强的感应电动势.实际上使用高压的本质，是为了在这种情况下得到更高的 dΦ/dt，由于磁通量与驱动线圈的磁场成正比所以也可以说成di/dt 。在较低阻抗的情况下若出于di/dt的考虑，其实并联电容的方案也不是什么坏事其次就是出于原理考虑。

单级脉冲感应线圈炮

安培力公式 F=dA/dx=i1i2dM/dx

F为加速的安培力、dA 为机械能做功、dx为单元位移、 i1为驱动线圈电流、i2为电枢电流、dM为两线圈的互感

弹体速度与电流下降区间

弹体（包括电枢在内被线圈炮发射出去的物体）想要获得设想的速度，那么就要给他一个加速度然后一个加速时间。这两者都可以使弹体得到更高的速度，但是根据其公式F受 M 两线圈互感影响，当电枢离开驱动线圈后距离越大。互感系数越低，最直接的影响还会降低感应电流。

由于受距离限制，因此单级脉冲感应线圈炮并没有多少的加速时间。一般的都是以极端的加速力使弹丸以更高的速度加速出去。这也与前面的di/dt 联系起来了。但是这样遇到一些小质量的发射很容易就会导致电流上升还没到最大值或者没一半就脱离互感距离了。或者增加发射质量

我们知道当电流增加的时候电枢上会感应出与驱动线圈电流相反的电流，互相作用下产生向外的安培力。但是当电流下降的时候，电枢则会感应出与驱动线圈电流方向相同的电流。这时根据前面的判断，可以得出电枢受向内的安培力。因此如果电枢在电流进入下降区间的情况下还没离开一定距离，那么就会受向内的力向驱动线圈运动。适当的并联电容增加容量则可以适当的延长上升区间和下降区间。或者降低发射质量

电枢质量

电枢质量它不仅控制了发射质量，它还影响着互感、感应电流。由于处于高di/dt的环境中因此它表面还存在着趋肤效应，若使用质量比较小过薄的电枢，还会引起热损耗或阻碍感应电流的产生

其实感应式是一种很优秀的电磁炮

除了制作简单外控制也很简单只需要电流上升够快就行了

单级感应式线圈炮的结构非常简单，一般由储能电源（及电容组）、开关、驱动线圈和弹丸线线圈（可以是金属等）组成

驱动线圈最好和弹丸线圈同轴和等直径，这样可以保证磁耦合最紧密（效率也就高了）

当脉冲电流通过驱动线圈时，弹丸线圈交链磁通感应出一方向相反的电流，此电流与驱动线圈的磁场互相作用产生安培力，然后此力推动弹丸线圈向前运动。（弹丸线圈感应的电流与驱动线圈的电流相反）

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