疫情期間不能出去玩，

閑著無(wú)聊的小編翻出了幾塊磁鐵，

簡(jiǎn)單組合了一下，

再加上一個(gè)小球

當(dāng)當(dāng)當(dāng)！

一個(gè)小電磁炮就新鮮出爐！

電磁炮？

你指尖跳動(dòng)的電光，是我。。。

咳咳咳，

手彈硬幣達(dá)到三倍音速，

這種“超電磁炮”對(duì)正常人類(lèi)來(lái)說(shuō)還太過(guò)遙遠(yuǎn)，

小編說(shuō)的電磁炮是這樣的。

電影中的電磁炮 | 來(lái)源：Bilibili@三哥看影

中國(guó)研發(fā)的消防用電磁炮 | 來(lái)源：《軍武零距離》森林消防的利器——電磁炮

今天，

小編就來(lái)帶大家看一下，

頻繁客串于各大影視作品，

未來(lái)武器的代表——

電磁炮

到底是個(gè)什么東西。

1

顧名思義，電磁炮是一種通過(guò)電磁力讓射彈獲得極高動(dòng)能的武器，它的工作原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，就是從初中就開(kāi)使接觸的電磁相互作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，電磁炮又可以分為軌道炮、線圈炮和重接炮，這里我們重點(diǎn)介紹軌道炮和線圈炮的原理，重接炮的原理和線圈炮比較接近，感興趣的小伙伴可以自行去了解。

???

軌道炮

讓我們先來(lái)看原理最簡(jiǎn)單的軌道炮

軌道炮原理示意圖 | 來(lái)源：維基百科

軌道炮由兩條平行的金屬導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌的一端連接電源，將導(dǎo)電彈丸插入軌道之間，就會(huì)組成閉合回路，電流由正極經(jīng)過(guò)彈丸回到負(fù)極。

通電導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其方向遵循右手定律，示意圖中的兩條通電導(dǎo)軌之間的區(qū)域便會(huì)形成方向從下往上的磁場(chǎng)。通電的彈丸在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用加速，向炮口端移動(dòng)。

忽略電場(chǎng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力為：

宏觀體系下，彈丸所受洛倫茲力即為安培力，大小為：

其中L為導(dǎo)軌間隔。

畢奧-薩法爾定律給出，恒流導(dǎo)軌激發(fā)的磁場(chǎng)大小正比于電流：

經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的推導(dǎo)，我們便可以得到理想條件下彈丸加速度公式為：

其中，L'為單位長(zhǎng)度導(dǎo)軌的電感，當(dāng)彈丸向炮口移動(dòng)時(shí)，電路的電感會(huì)增大；I為回路中的電流；m為彈丸的質(zhì)量。

從該式可以看出，對(duì)導(dǎo)軌炮而言，無(wú)論是增大導(dǎo)體電流還是增長(zhǎng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度都可以將彈丸增大到更高的速度。一般而言，要將彈丸加速到數(shù)千米每秒的速度，電流大小應(yīng)在百萬(wàn)安培量級(jí)。

???

線圈炮

軌道炮能將彈丸加速到很高的速度，但是從加速度公式中可以看到，加速度與彈丸質(zhì)量成反比，加速大質(zhì)量彈丸的效率非常低。這時(shí)候就需要換用線圈炮，它的另一個(gè)名字可能更有名——高斯步槍（Gauss rife）。

高斯步槍 | 來(lái)源：https://www.sohu.com/a/48562453_119604

線圈炮通常由一個(gè)或多個(gè)沿炮管排列的驅(qū)動(dòng)線圈組成，彈丸上一般也繞有彈載線圈。當(dāng)電源給驅(qū)動(dòng)線圈施加脈沖電流時(shí)，兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生安培力，使彈丸向炮口端移動(dòng)。

線圈炮原理示意圖 | 來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

為了方便理解，將驅(qū)動(dòng)線圈和彈載線圈等效為兩個(gè)電磁鐵，兩個(gè)線圈磁場(chǎng)的相互作用如下圖所示。

單級(jí)線圈炮受力示意圖 | 來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

彈丸位于驅(qū)動(dòng)線圈左側(cè)時(shí)，兩者之間作用力為吸引力，并且在彈丸通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面以前，兩個(gè)線圈之間的磁耦合增強(qiáng)，互感增加，彈丸所受到的向右的力增加，彈丸將作變加速運(yùn)動(dòng)，速度迅速增加。

當(dāng)彈丸通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面以后，由于兩個(gè)線圈之間的磁耦合降低，互感的減少，彈丸受力的方向改變，彈丸受到向左的吸力作用而減速，所以應(yīng)在彈丸通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈中心橫截面的瞬間切斷驅(qū)動(dòng)線圈的電源。線圈按精確的時(shí)間順序打開(kāi)和關(guān)閉，便可使彈丸沿著槍管快速加速。

這種加速方式是不是有一種既視感？

沒(méi)錯(cuò)，磁懸浮列車(chē)也是類(lèi)似的加速方式，兩者都利用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而非旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

經(jīng)過(guò)單線圈加速的彈丸速度近似值計(jì)算式為：

其中，ρ為彈丸密度，μ是真空磁導(dǎo)率，Χ是彈丸磁化率，n是單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)，I是驅(qū)動(dòng)線圈中的電流。

可以看到，加速后的速度與彈丸質(zhì)量無(wú)關(guān)，而與彈丸的密度有關(guān)。所以用小密度材料可以實(shí)現(xiàn)更大質(zhì)量的彈丸加速。

除了能加速大質(zhì)量彈丸，線圈炮另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免彈丸與炮壁接觸。當(dāng)彈丸被加速時(shí)，彈丸被拉向線圈中心或懸浮在線圈中心，不會(huì)與炮壁發(fā)生物理摩擦。如果孔為全真空（例如帶有等離子窗口的管），則完全沒(méi)有摩擦，這有助于延長(zhǎng)可重復(fù)使用的時(shí)間。

2

看完電磁炮的原理，小編不禁感嘆，如此巧奪天工的物件，真的是凡間該有的嗎？

沒(méi)想到電磁炮不是一個(gè)人的想法。

19世紀(jì)，奧斯特、安培和法拉第、先后發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)、安培定律和電磁感應(yīng)定律，為電磁炮的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。

1845年，查爾斯?惠斯通制作出了世界第一臺(tái)磁阻直流電動(dòng)機(jī)，并用它把金屬棒拋射到20米遠(yuǎn)。

第一個(gè)明確提出電磁炮概念并成功制成線圈炮的人，是挪威奧斯陸大學(xué)的物理學(xué)教授克里斯汀?伯克蘭。1901年，伯克蘭制成了第一個(gè)電磁線圈炮，并把一顆500克的彈丸以500米/秒的速度發(fā)射出去；1903年，第二個(gè)線圈炮把重達(dá)10公斤的物體加速到了100米/秒，這個(gè)裝置現(xiàn)在仍保存于奧斯陸的挪威技術(shù)博物館里。

1920年，法國(guó)人維勒魯伯提出了軌道炮的原理。

1944~1945年，德國(guó)的漢斯勒博士進(jìn)行線圈炮和軌道炮的實(shí)驗(yàn)，線圈炮的實(shí)驗(yàn)未能成功，最終成功用制成的軌道炮將10克重的鋁制圓柱體彈丸加速到1.08公里/秒。

第二次世界大戰(zhàn)后，各國(guó)也紛紛開(kāi)始了電磁炮相關(guān)方面的研究。我國(guó)最早實(shí)驗(yàn)的電磁炮是303MG型，在1988年用重30克的炮彈進(jìn)行試射，現(xiàn)中國(guó)電磁炮可以將25公斤的炮彈發(fā)射到250公里以外的預(yù)定區(qū)域，在電磁炮領(lǐng)域的研究已經(jīng)走到了世界前沿！

3

看到這是不是有人要問(wèn)了，

小編小編，電磁炮的原理不就是電磁相互作用嗎？

俺尋思著這都些初高中的知識(shí)，咋就還妹人大規(guī)模應(yīng)用呢？

其實(shí)從原理到成熟應(yīng)用，之間也就差了億點(diǎn)點(diǎn)問(wèn)題。

???

電源體型

在軌道炮原理部分也提到了，想獲得理想的彈丸出射速度，所加電流可能要達(dá)到百萬(wàn)安培的量級(jí)。電磁炮工作時(shí)需要高達(dá)幾十兆瓦或上百兆瓦的發(fā)電功率，這幾乎是一座中容量火力發(fā)電廠的發(fā)電功率。電源小型化技術(shù)是電磁炮早日進(jìn)入實(shí)用階段的關(guān)鍵。

三峽水電站，裝機(jī)容量為22.4 GW | 來(lái)源：百度圖片

???

材料技術(shù)

電磁炮工作時(shí)的大電流給發(fā)射裝置帶來(lái)極大的負(fù)荷。目前還沒(méi)有任何證據(jù)表明有任何兆焦耳級(jí)軌道炮能夠發(fā)射數(shù)百次全功率發(fā)射，同時(shí)保持在精確和安全發(fā)射軌道炮所需的嚴(yán)格操作參數(shù)范圍內(nèi)。軌道材料、絕緣材料、電樞材料和彈丸彈體材料都需要相應(yīng)的技術(shù)突破。

2017年BAE公司測(cè)試的電磁炮系統(tǒng)

???

發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

發(fā)射裝置是電磁炮的核心部件，涉及到身管、供輸彈裝置、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)、電力控制系統(tǒng)及電樞、開(kāi)關(guān)等。發(fā)射裝置是一個(gè)集多種高新技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，如何將已經(jīng)取得一定發(fā)展的單項(xiàng)技術(shù)高效地應(yīng)用到電磁炮中是一個(gè)問(wèn)題。

除此之外，制約電磁炮發(fā)展的還有電磁炮穩(wěn)定性、電燒蝕以及軌道間排斥力等諸多問(wèn)題。

4

如此高端厲害又難研發(fā)的神器，一定大有用處吧。

欸嘿，電磁炮在諸多優(yōu)勢(shì)buff加持下，在戰(zhàn)術(shù)及戰(zhàn)略防御等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)火炮受氣體膨脹速度的限制，發(fā)射彈丸的初速度很難超越1?km/s，彈丸重量一般不超過(guò)100 kg。理論上電磁炮只要電源功率足夠，彈丸的速度將會(huì)不斷提高，目前的發(fā)射技術(shù)已經(jīng)能夠超過(guò) 3km/s，且彈丸重量從幾克到幾噸、幾十噸甚至幾百噸都能完美駕馭。美國(guó)的打靶實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)射重50 g、速度3 km/s的彈丸，可以穿透25.4毫米厚的裝甲。因此，相比于傳統(tǒng)火炮，電磁炮具有更大的射程和更強(qiáng)的穿甲能力，有希望用于反裝甲、反艦系統(tǒng)中。

如果以衛(wèi)星或者其他航天器為運(yùn)載平臺(tái)，將電磁炮部署在外太空，就能夠?qū)崿F(xiàn)洲際導(dǎo)彈的攔截。當(dāng)電磁炮彈丸的速度達(dá)到4 km/s時(shí)，可對(duì)一般的反輻射導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈以及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈實(shí)施攔截；當(dāng)速度達(dá)到5 km/s~10 km/s時(shí)，可對(duì)戰(zhàn)略導(dǎo)彈實(shí)施中段攔截；當(dāng)速度達(dá)到20?km/s時(shí)，能對(duì)戰(zhàn)略導(dǎo)彈實(shí)施助推段攔截。

電磁炮具有初速度高、加速快、火力猛等優(yōu)點(diǎn)，在防空系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。以裝甲車(chē)或者艦艇為平臺(tái)，能夠打擊臨空的各種飛機(jī)。當(dāng)?shù)鼗姶排趶椡璧乃俣冗_(dá)到6 km/s~10?km/s時(shí)，甚至能直接命中殺傷高度在300 km~1000 km的低軌衛(wèi)星。據(jù)報(bào)道，美國(guó)嘗試研制一種7.5 m長(zhǎng)的電磁炮，射程達(dá)幾十千米，射速高達(dá)500 發(fā)/min, 能夠打擊各種飛機(jī)和遠(yuǎn)距離攔截導(dǎo)彈。

除了軍事應(yīng)用外，電磁炮還有許多你意想不到的“才藝”，電磁炮的另一個(gè)“藝名”，叫電磁推進(jìn)器。

在航天領(lǐng)域，電磁推進(jìn)器有希望成功火箭推進(jìn)器的第一級(jí)。目前航天器的發(fā)射，使用的都是化學(xué)推進(jìn)器?；鸺l(fā)射的有效載荷和火箭質(zhì)量的比值很小，而且是一次性的，綜合評(píng)估，發(fā)射1 kg有效載荷需要2000~8000美元。而電磁推進(jìn)器可重復(fù)使用，據(jù)估計(jì)，平均每千克有效載荷僅1~1.5美元，發(fā)射成本遠(yuǎn)低于化學(xué)推進(jìn)器。

在科研領(lǐng)域，電磁發(fā)射技術(shù)能夠?qū)⒘Ｗ踊蛭矬w加速到幾十千米每秒的速度，用于狀態(tài)方程和碰撞聚變等方面的研究。

科學(xué)家正在利用電磁發(fā)射技術(shù)研究一種“電磁列車(chē)”，這種列車(chē)可直接使用現(xiàn)有火車(chē)鋼軌作發(fā)射軌道，比磁懸浮列車(chē)成本更低，比傳統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行速度更快。

看完復(fù)雜精密的電磁炮原理，是不是感覺(jué)到頭暈?zāi)X漲、云里霧里?？靵?lái)中科院美食吸貓所吧！在這里，美食吸貓緩解頭暈?zāi)X脹，中科院讓你不再云里霧里，趕快點(diǎn)擊下方鏈接，抽取一張中二所錄取通知書(shū)吧！

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參考文獻(xiàn)：

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編輯：荔枝果凍