维普资讯 http://www.cqvip.com 物理学和高新技术 电磁发射器的原理与应用水 杨世荣。 王 莹 徐海荣 骆颖。， （１桂林空军学院 桂林（２军械工程学院 石家庄５４１００３） ０５０００３） ５１０５１５） （３第一军医大学 广州摘要 传统的化学推进技术已不能满足人类的进一步要求，从原理和能源上变革发射技术势在必行，因此电磁 发射技术便应运而生．因其在国防、航天等领域应用前景广阔，目前国内外电磁发射技术发展迅速．文章论述了电磁 发射技术的发展历史、现状和电磁发射器的基本原理和广阔的应用前景． 关键词 电磁发射器，原理，应用 Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｕｎｃｈｅｒｓ ＹＡＮＧ Ｓｈｉ．Ｒｏｎｇ ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ ＸＵ Ｈａｉ．Ｒｏｎｇ。ＬＯＵ Ｙｉｎｇ ，十 （１ Ｇｕｉｌｉｎ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００３。ｃｈ／￣） （２ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈ￣ｉｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３。ｃｈ／￣） （３ Ｆｉｒｓｔ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｌｗｕ ５１０５１５。ｃｈ／￣） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｌａｕｎｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｕｐｄａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｎｅｗ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅｓ，ｈｅｎｃｅ ｔｈｅ ｂｉｒｔｈ ｏｆ ｅｌｅｃｔｏｍａｇｎｅｔｒｉｃ（ＥＭ）ｌａｕｎｃｈｅｒｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅ— ｆｅｎｓｅ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｆｌｉｇｈｔ ｉｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｗｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＥＭ ｌａｕｎｃｈｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓａｌｎｅ ｔｉｍｅ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｏｕｔ ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｕｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＥＭ ｌａｕｎｃｈｅｒ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ １ 引言 电磁发射器（ＥＭ Ｌａｕｎｃｈｅｒ），就是利用电磁力 位．１９９２年美国电磁轨道炮已经走出实验室，德克 萨斯大学把２．４ｋｇ的弹丸加速到２．６ｋｍ／ｓ，其能量 可用于实战，美国正式宣布２０１０－－２０１５年电磁炮将 用于实战． 提升和推动物体，或者把物体加速到超高速（＞ ３ｋｍ／ｓ）的装置，由于起初仅以作武器为目的，因此 又称电磁炮（ＥＭ ｇｕｎ）． 第一个提出电磁发射概念并进行试验的是挪威 ２ 电磁发射器原理 电磁发射器可分为轨道型、线圈型、电热型． ２．１轨道型电磁发射器原理 奥斯陆（ＯＳＬＯ）大学物理学教授伯克兰（Ｂｉｒｋｅｌａｎｄ ），之后几起几落，历经沧桑．直到１９７８年，澳大利亚 国立大学Ｒ．Ａ．马歇尔（Ｍａｒｓｈａｌ１）博士在５ｍ长的轨 道电磁炮上把３．３ｇ的聚碳酸脂弹丸加速到５．９ｋｍ／ｓ， 从实验上证明了电磁发射的可行性．从此，电磁发射 的研究工作迈人了新阶段，各军事强国纷纷投入大 量人力财力进行研究、试验．目前美国处于领先地 ３２卷（２００３年）４期 图１为轨道型电磁发射器原理示意图，由两条 互相平行且被固定的长直、刚性金属轨道和高功率 脉冲电源、电枢以及发射体（如弹丸）等构成．轨道 截面可以是部分圆环形（如图１），也可以是矩形；电 ·２００２—０９一ｌＯ收到初稿，２００２一ｌＯ一２８修回 ｔ通讯联系人．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｙｌｎｇ－ｌｉ＠２１ｃｎ．ｃｏｍ ２５３· 维普资讯 http://www.cqvip.com 物理学和高新技术 枢位于两轨道之间，由导电物质构成，可以是固态金 质量、速度，电源输出功率应等于系统能量增长率 属块，也可以是等离子体，或为二者的结合；发射体 位于两轨道之间，电枢之前．合上开关，电流 通过 馈电母线、轨道、电枢，沿另一条轨道构成回路，在两 轨道之间产生磁场，电枢受磁场力被加速，推动发射 ｄＥＩｄｔ，因此有 ￡［ ） ｄｉ＋ ］＝ ＋ｍ ｉＬｓ（ ） ｄｉ＋ 体前进． （５） 口为加速度．从（５）式可得被加速组件所受力为 Ｆ＝，Ｍ＝ · · 壬 ＝丢 ￡ （ ）． （６） 由（６）式可得被加速组件的加速度、速度和行程位 图１轨道型电磁发射器原理示意图 置的表达式： 口＝Ｌ＇ｇ（ ） １２ｍ ＝ ＋ｆａｄ￡＝Ｖｏ＋ ）ｇ（￡）１２ｍ，（７） ０ 、 ＝ 。＋Ｊ．Ｖｄ￡＝ 。＋￡ （ ）』Ｉｌ（￡）１２ｍ 图２轨道型电磁发射器电路模型图 式中ｇ（ｔ）＝Ｉｉ２ｄｔ，ｈ（ｔ）＝Ｉｇ（ｔ）ｄｔ，Ｖｏ， ０分别为被 发射组件注入后的初速度和初位置．若 为已知，则 从（１）式可求出系统的电感和电阻，再根据（７）式采 用迭代法，用计算机可模拟发射过程的特性．若采用 平顶脉冲电流（视为直流，），可得到良好的一级近 似： 把轨道型电磁发射器看做电源的一个负载，由 于发射过程中电枢和发射体运动，轨道发射器可以 看做一个随发射体位置 变化的电感￡ （ ）和电阻 Ｒ （ ）与电枢电阻ＪＲ。的串联（如图２），则负载的电 感和电阻分别为 Ｊ￡（ ）＝Ｌｏ＋ ￡ ｓ（ ）＋￡ｅ‘ｔ · （１）、■， 『口＝ ｔｘ ）１２１２ｍ Ｒ（ｘ）＝Ｒ０＋ｘＲ＇ｇ（ ）＋ＪＲ。 ｛Ｖ＝Ｖｏ＋Ｌ （ ）， ｍ， ０＋￡ 。（ ）１２ｔ １４ｍ （８） 式中ＪＲ。， 分别为回路连线的寄生电阻和电感，其 值甚小，一般可忽略；￡ （ ），ＪＲ （ ）分别为轨道电 感和电阻对 的导数，即轨道单位长度的电感和电 阻，分别称轨道的电感梯度和电阻梯度．从图２可知 电源路端电压为 “＝因此，对于给定的，和ｍ，在 。＝０，Ｖｏ＝Ｏ的情况下， 从（８）式可计算出发射体出口速度为 时所需加 速时间．ｒ和发射体行程 （对轨道电磁炮来说就是 所需炮管的长度）： ．ｒ＝２ｍＶｍｌＥＬ＇ｇ（ ），２］ 景［￡ （ ） ］＋ ＪＲ （ ）＋“。 ，０、 Ｘ＝ｍ ／［Ｌ＇ｇ（ ），］ ）尝＋ 瑚 （ ） ，（２） 取ｍ＝５×１０～ｋｇ， Ｉ ３×１０ ｍ／ｓ（电磁炮目前努 式中ｔ表示时间，“。为电枢上的电压降．若忽略“。 和轨道电阻及各种能量损失，则从（２）式可知电源 输出功率为 力要达到的出口速度），，＝１０ Ａ（高功率脉冲电源 目前可提供的电流），￡ 。（ ）＝０．５１￣Ｉ－Ｉ／ｍ，则得．ｒ＝ ０．６ｍｓ，Ｘ＝Ｏ．９ｍ．以上仅是对简单轨道电磁炮而言， 为了提高其性能和实战要求，科学家又设计了“分 散馈电轨道炮”、“增强型轨道炮”、“多轨轨道炮”、 “多相轨道炮”等等，本文不一一介绍． ２．２线圈型电磁发射器原理 ｐ＝ｉｕ＝ｉｌＬ ） 电磁发射器系统的能量为 ＋ ］．（３） Ｅ＝Ｅ ＋Ｅｋ＝ 屯ｇ（ ） ＋ １ ｍｙ．２（４） Ｅ 为系统磁能，Ｅ ，ｍ，Ｖ分别为被加速组件的动能、 图３为线圈型电磁发射器原理示意图，若干个 驱动线圈固定并分别馈以电流ｉ。，发射体线圈携带 ２５４· 维普资讯 http://www.cqvip.com 物理学和高新技术 电流ｉ：，令ｉ。，ｉ 反向，两种线圈相斥．设每个驱动线 电 圈自感为 。，发射体线圈自感为 ：，之间的互感为 则一驱动线圈和发射体线圈磁能为 １ ． １ ． Ｅ ＝ ｌｉ ＋ ｉ ＋Ｍｉｌｉ２， （１０） 图４电热型电磁发射器原理示意图 个驱动线圈作用于发射体上的力为 电磁炮是电磁发射器最早、最重要的军事应用． ，： － ， ： １／＇‘２：／Ｆ…／（砒０ｌ ０２＇ （１１）儿 （ ）叫互感梯度， （ ）正负变化时（两种线圈由 互相接近到互相远离），力的方向发生变化．因此当 电磁炮有以下异乎寻常的优点： （１）具有高初速．火炮受气体膨胀速度的， 弹丸初速停留在ｌｋｍ／ｓ左右，很难再有大的提高． 而电磁炮只要电源功率足够高，弹丸初速除受光速 外可无限地提高，就目前技术水平而言，可达 ｉ。，ｉ：反向，发射体位于驱动线圈１中心右边（如图 ３）时，驱动线圈２或者先不通电，或者让其电流和ｉ： 同向，当发射体刚向右越过驱动线圈２中心后，再让 驱动线圈２通以和ｉ。反向的电流……于是，发射体 被一系列驱动线圈加速． ３ｋｍ／ｓ左右．高初速一直是兵家梦寐以求的，因为高 初速能增大弹丸射程和穿甲深度，缩短射击提前量， 从而提高命中率． （２）射弹质量范围大．火炮发射ｌＯＯｋｇ以上弹 丸比较困难，而电磁炮发射的弹丸可大可小，从几克 到几吨、几十吨乃至几百吨．在弹丸动能不变的情况 下可做得小而轻，这意味着装载平台可储存更多的 炮弹；也可充当重型远射程炮，发射制导炮弹、战术 图３线圈型电磁发射器原理示意图 导弹、较重的微波弹，等等． （３）能源简易．火炮，特别是液体发射药火炮及 火箭的推进剂，都是优良昂贵的燃料，运输、使用不 安全．而电磁炮使用一般的低烃类燃料作初级能源 发电，安全且成本低． （４）受控性好．火炮是采用改变装药量来控制 对发射体线圈馈电方式，第一种是直接激励，即 用电刷滑动接触或者等离子体电弧放电使电源向发 射体线圈馈电；第二种是感应激励，即利用驱动线圈 电流的变化，使被短路的发射体线圈产生感应电流， 可证明感应电流和激励电流方向相反 Ｊ，在感应激 励时，发射体线圈可以用管状导体发射体（相当于 单匝线圈）代替；第三种是自载激励，即发射体线圈 自载电流，这种电流可由装在发射体线圈中的小电 池或充电的电容器提供，也可以用事先充电的超导 发射体线圈或超导管状发射体，它还可以是高阻抗 的发射体线圈通电后断电，以时间常数保持电流． ２．３电热型电磁发射器 射程，而电磁炮只需简单地控制电流，便可控制初速 和射程，若精确控制初速，可发射“灵巧弹药”． （５）工作性能优良．电磁炮不存在火炮那种因 一 点火和发射药燃烧不均匀而造成的延迟点火、突然 撞击和加速度突变等问题，电磁炮弹丸几乎是匀加 速运动，因此可发射智能弹药；电磁炮不使用药筒， 无需退弹壳，无炮栓，因此装填方便，在长管和多级 电磁炮中可同时前后加速几个弹丸，提高射速，且电 磁炮无声响、无烟尘、无炮口焰、生存力强，等等． 电磁炮置于陆基作为战术武器，可用于反坦克， 图４为电热型电磁发射器原理示意图，高功率 脉冲电源通过电极向工质进行电弧放电，使工质加 热转换成等离子体，含有内能和动能的等离子体可 直接推动发射体运动（直热式），也可利用等离子体 再加热质量更大的低分子量轻工质（因为发射体最 大极限速度和工质分子量的平方根成反比 ），使 其化学反应变成高温气体（含少量等离子体），借助 于这些气体推动发射体（间热式）． 战术防空，对付敌战略轰炸机、巡航导弹、各种战术 弹道导弹等；作舰载武器用，可对付低空突防的飞机 和掠海导弹；电磁炮置于天基作为战略武器，可拦截 敌方洲际弹道导弹，摧毁敌军事卫星，等等． 电磁发射器还有其他许多军事应用，由于它能 发射大质量有效载荷，因此可安装在航母上用来弹 ３ 电磁发射器的应用 ３．１军事应用 ３２卷（２００３年）４期 射飞机，其重量仅为传统的蒸汽弹射器的１／１０．也 可用来弹射无人驾驶机，比目前使用的火药和火箭 ２ＳＳ· 维普资讯 http://www.cqvip.com 物理学和高新技术 弹射安全、经济． ３．２航天应用 的极高速度，用其撞击轻核燃料靶，将其动能转变为靶 的内能，以此进行超高速碰撞核聚变可能性的研究． 电磁发射器在航天领域的应用前景绝不亚于电 磁炮．目前的航天运载工具——火箭和航天飞机都 是使用化学推进剂，其潜力基本告罄．火箭发射的有 效载荷和火箭质量比很小，且为一次性，发射成本 电磁发射技术还可用于“电磁列车”，这种列车 直接使用现有火车铁轨作轨道发射器的轨道，车箱 作发射体．这种列车比磁悬浮列车成本低，比传统列 车运行速度高． 高，综合评估，发射ｌｋｇ有效载荷需２０００－－８０００美 元；而电磁发射器可重复使用，发射成本低，每千克 有效载荷仅１—１．５美元．科学家们设想先用电磁发 射器把火箭加速到１．６ｋｍ／ｓ，然后火箭点火，将有效 载荷加速到１ ｌｋｍ／ｓ． ３．３其他领域内的应用 理论和国内外的实验都证明电磁发射是可行 的，电磁发射技术有着十分广阔的应用前景． 参考文献 ［１］王莹，肖峰．电炮原理．北京：国防工业出版社，１９９５［Ｗａｎｇ Ｙ，Ｘｉａｏ Ｆ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｕｎ．Ｂ￣ｉｊｉｎｓ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ 电磁发射可把物体加速到每秒十几公里的超高 速，因此可在高压物理学中进行材料状态方程的研 究，分析材料在高压下的性状，还可以模拟导弹再人 和陨石坠落时的气动特性及烧蚀状况． 在抽空的炮管中，把小弹丸加速到５０－－１５０ｋｍ／ｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＭＳ，１９９５（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［２］杨世荣．工科物理，１９９３，１：４２［Ｙａｎｇ Ｓ Ｒ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９３，１：４２（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［３］王莹，马富学．新概念武器原理．北京：兵器工业出版社， １９９７．７［Ｗａｎｇ Ｙ，Ｍａ Ｆ Ｘ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｎｅｗ Ｃｏｎｃｅｐｔ Ｗｅａｐ— ｏｎ８．Ｂ￣ｉｊｉｎｓ：Ｗｅａｐｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ．１９９７．７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ 物理新闻与动态· ； ； 蝴蝶与光子晶体 （Ｂｕｔｔｅｒｆｌｉｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ） ｉ ｉ 近年来，科学家们发现有着各种各样颜色的动物，如有花斑的甲壳虫、美丽的小鸟和五彩斑 斓的蝴蝶等，它们身上的彩虹都来自于一种称为光子晶体（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ）的微结构．通常的颜 料是由其本身的化学成分在吸收或反射一定频率的光线后呈现出各种颜色的，但光子晶体与此 不同，它对光的反射是来自于本身的物理结构的功能，也就是说，光子晶体具有周期性的空穴或 ； ｉ 凸隆阵列，这种有一定尺寸的阵列，在晶体本身完全是无色的情况下，也能反射兰色光线，并吸收 其他颜色的光线．这是由于光子晶体的阵列从不同角度去看时会有一些微小的差别，而从不同角 度观看颜料时是完全相同的，因此光子晶体就能使彩虹的颜色具有各种可变动的色调．这类结构 能帮助某些雄性动物吸引异性来进行交配，有时也能帮助它们建立自已的领地． 最近匈牙利与比利时以Ｊ．Ｖｉｇｎｅｒｏｎ教授为首的一些科学家对这个问题进行了研究，他们 发现有一些地区的吕坎型蝴蝶（１ｙｃａｅｎｉｄ ｂｕｔｔｅｒｌｆｉｅｓ）群，其雄性蝴蝶身上载有光子晶体显色的 特性，而另一些地区的吕坎型蝴蝶却没有这类特性．科学家们利用高分辨率的电子扫描显微镜 对各种蝴蝶进行了检测．他们证实，凡是有显色功能的蝴蝶都具有亚微米大小的空穴阵列，从 而形成了一个天然的光子晶体；与这类蝴蝶非常相近的种属，但没有空穴阵列的那些蝴蝶，其 翅膀则呈现出单调的深褐色，而不是彩虹般的兰色．这种差异可能来自于进化中的残存．同时 ； 他们还发现，在相同的照明条件下，褐色蝴蝶的翅膀温度要比彩虹类蝴蝶的高，因此他们相信， 褐色蝴蝶将能更好地经受住冷空气的影响，并能保持更长时间的交配能力． 如果蝴蝶的这种奇迹般的热控作用是由于光子晶体所导致的话，那么人造光子晶体也将 能在某些特殊环境下提供可调节的温控功能，这可直接应用于太空或沙漠地区使用的服装或 其他物品上． （云中客摘自Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００３） ２５６· 物理
