电磁炮的基本原理及发展趋势（带图带公式）
随着材料科学的发展，复合装甲、⾼强度陶瓷装甲、贫铀装甲的使⽤，以及爆炸反应装甲的出现,⼤⼤提⾼了装甲的抗毁能⼒，对破甲技术提出更⾼的要求。为此,⼈们在相继研制出⼀系列新型破、穿甲战⽃部的同时，也注意开发研究某些新概念超⾼速动能穿甲武器，电磁炮就是其中⼀种。
电磁炮的基本原理
电磁炮是利⽤物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁⼒(即洛伦兹⼒) 作⽤的基本原理来加速弹丸的。根据加速⽅式，电磁炮可分为导轨炮和线圈炮。
图1 导轨炮⼯作原理
导轨炮导轨炮的⼯作原理如图1 所⽰。主要由⼀对平⾏导轨和夹在其间可移动的电枢及电源、开关等组成。当开关闭合时，向⼀条导轨输⼊强⼤的电流，经过电枢沿另⼀条导轨流回。载流电枢在导轨电流产⽣的磁场中受到洛伦兹⼒的作⽤⽽被加速，将弹丸射出。电枢弹丸所受的⼒可表⽰为
F = L′I2/ 2 , (1)
其中F 为洛伦兹⼒(N) 、L′为导轨电感梯度( H/m) 、I 为电流强度(A) 。弹丸的加速度则为3d走视图
a = F/ m = L′I2/ 2 m , (2)
式中a 为加速度(m/ s2) 、m 为电枢与弹丸的质量之和(kg) 。由(2) 式可见，导轨中的电流强度越⼤，弹丸的加速度就越⼤，弹丸的运动速度越快。
导轨炮的导轨有单⼀、串联、并联和多层等不同结构形式，根据导轨的形式，炮⼝截⾯可选⽤⽅形、圆形和椭圆形等。电枢主要有固态⾦属电枢、等离⼦体电枢和混合型电枢等种类。提供脉冲功率的电源主要有电容器组、⾼性能蓄电池、各种单极发电机、脉冲变压器、强制发电机和爆炸发电机，以及计划研制的超导储能系统等。整个系统结构复杂,⼈⼯操作⽐较困难，通常由计算机控制。
线圈炮线圈炮的⼯作原理如图3 所⽰。主要由感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。固定线圈相当于炮⾝，可动线圈相当于弹丸。当固定线圈接通电源时，所产⽣的磁场与可动线圈上的感应电流相互作⽤，产⽣洛伦兹⼒，推动可动弹丸线圈加速射出。
弹丸所受的⼒可表⽰为
F = I f·I p·d M/ d x , (3)
其中F 为洛伦兹⼒(N) 、I f 为固定线圈中的电流强度(A) 、I p 为弹丸线圈中的电流强度(A) 、M 为固定与可动线圈的互感( H) 、d M/ d x 为互感梯度( H/m) 。由(3) 式可知，固定线圈中的电流强度越⼤，弹丸线圈中的感应电流强度就越⼤，弹丸所受的电磁⼒就越⼤。线圈炮的结构有同轴式、扁平式、滑动接触式和磁性加速体式等。电磁炮从原理上讲主要有上述两种类型，但在结构上可以采⽤混合⽅式。
图3 线圈炮⼯作原理
电磁炮的主要特点
超⾼速、⼤动能采⽤物理学电磁推进原理的电磁炮, 弹丸速度突破了普通⽕炮(弹丸速度在2000m/ s 以内) 的性能极限，达到4000m/ s ，因⽽弹丸具有巨⼤动能,⼤⼤增强了对⽬标的毁伤能⼒。穿甲能⼒强、命中精度⾼穿甲公式为
b = V 1143 m0175/ K1143 d1107 , (4)
其中b 为穿甲厚度( dm) 、V 为炮弹着靶速度( m/s) 、m 为炮弹质量(kg) 、K 为装甲抗弹系数、d 为弹丸直径(dm) 。可见，弹丸速度
增⼤将⼤幅度提⾼穿甲能⼒。另⼀⽅⾯，弹丸速度⾼可缩短交战时间，增加对付快速⽬标的有效性，减⼩横向脱靶距离，从⽽提⾼命中率。
操作安全简便、系统效费⽐⾼电磁炮弹丸的初速和射程可通过改变电流强度的⼤⼩来控制。在发射过程中，弹丸加速均匀,⼏乎没有⽕焰、烟雾、响声和后坐⼒，利于隐蔽作战。整个系统由计算机控制,
操作简便、安全性好。电磁炮⼏乎全部发射重量都是有效载荷，其主要能源⼀般是采⽤低级燃料的燃⽓
轮机或柴油机，发射能量转换率相对较⾼，使得单位能量成本较低，加上弹丸价格便宜，因⽽整个系统的效费⽐较⾼。
鉴于电磁炮具有上述特点，在穿甲时，弹丸能在爆炸反应装甲爆炸将
装甲击穿，并可穿透复合装甲，是⼀种极具发展潜⼒的新型穿甲武器。
电磁炮的发展现状
⾃上世纪80 年代以来，电磁炮技术的研究取得了多⽅⾯进展，应⽤领域⽇趋⼴阔。
美国于1982 年研制成功实验级导轨炮，弹丸质量317g、初速4200m/ s。1992 年夏，美国研制成功世界上第⼀套完整的9MJ 靶场导轨炮,
并在陆军尤马试验场进⾏了发射试验，迈出了电磁炮⾛出实验室的第⼀步。该炮是⼀个连续发射系统，全重25t ，能以2500～4000m/ s 的初速齐射9发弹丸，炮⼝动能9MJ 。2006 年7 ⽉，英国BAE 系统公司与美军⽅签约，为美国海军设计和制造32MJ 实验室型发射装置，旨在为下⼀步发展64MJ 战术型电磁轨道炮奠定基础。图4 为计划制造的32 兆焦实验室型发射装置的外形图，图中右边部分为⾝管截⾯图。
与此同时，美国还进⾏了电磁炮发射超⾼速动能弹的研究。内容包括弹道陶瓷的处理，新型合⾦的研制与钨、贫铀的加⼯⽅法，开发轻质⾼强度⾦属陶瓷等。
尽管电磁炮的研究取得了很⼤进展，已完成从基本原理到可⾏性的论证⼯作，但是要将电磁炮转化为实⽤的武器系统仍存在诸多难题,⽐
如怎样减⼩电磁炮体积和重量、降低能耗、提⾼效率和解决炮管易损等。
电磁炮的发展趋势
⽬前，以美国为代表的许多发达国家正在针对电磁炮研究中存在的问题，有计划地开展电磁炮实⽤性研究和野外试验。具体的研究⽅向有以下⼏个。能源⼩型化体积和重量是电磁炮武器化和战术应⽤的主要障碍之⼀,⽽这两者主要由脉冲功率源及功率调节装置的能量密度和功率密度所决
定。要减⼩体积、降低重量，必须实现能源⼩型化。因此，今后将进⼀步开发⾼能量密度和⾼功率密度材料，以研制⼩型
轻质脉冲功率源。新研制的盘式交流发电机经整流可直接向电磁炮供电;⾼能量密度电池已研制出⾯积为113cm2 、功率密度达755kW/
kg 的样品。采⽤先进的线圈炮技术以提⾼能量密度和功率密度，减⼩系统的体积和重量，也是重要的研究发展⽅向之⼀。采⽤⾼新技术、提⾼系统效率⾼新技术的发展为电磁炮的研制提供了条件，将超导材料⽤于电磁炮是新的发展趋势。超导材料的电流密度和储能密度极⾼，储能效率达60 %～90 % ，将其
⽤于储能线圈、发电机、磁体和开关等，不仅有利于电磁炮⼩型化、提⾼射速,⽽且可减⼩能量损失、⼤
⼤提⾼系统效率。另外，采⽤多级、多层、多段(节) 和分布电源多模块结构的导轨也是⼀条重要途径。多模块结构可以减⼩导轨的能量损失，提⾼系统的能量转换效率⾄两倍左右。在加速⽅式上,⽬前正加紧研究线圈加速技术。虽然线圈加速⽅式在技术上不如导轨炮成熟，但线圈炮加速时弹丸与固定线圈间是⾮接触的，且不产⽣⾼温等离⼦体，所需的⼯作电流也⽐导轨炮⼩，因⽽系统的能量转换效率⾼、损失⼩。