鷹獅

電磁軌道炮和線圈炮的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，利用電磁力將彈丸加速到所需的速度。但在具體的實現(xiàn)形式上，卻有著不同的路徑與不同的技術(shù)難點。

線圈炮

線圈炮是電磁炮的最早形式。將多個線圈組合起來，在將它們固定在一個軸上，稱為驅(qū)動線圈。從原理圖可以看到，這種模式中彈丸本身也是一個電磁線圈。它從軸的一端開始運動，控制系統(tǒng)給微觀上的各線圈依次通電。彈丸線圈通過這些加速線圈時，在洛倫茲力作用下不斷加速。線圈越多、電流越強，彈丸線圈的炮口初速就越大。

線圈炮有如下幾個優(yōu)點：彈丸線圈就像磁懸浮列車，是不與加速線圈相觸碰的，所以也就不會受摩擦力的影響，電能利用效率較高，裝置磨損較小。線圈炮不需要兆安級的電流，更易控制和實現(xiàn)。能實現(xiàn)的洛倫茲力也較大，能量利用效率高，可發(fā)射大質(zhì)量物體。

但是，從實用的角度講，線圈炮也存在不少問題。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場總要反抗產(chǎn)生感應(yīng)電流。也就是說，在彈丸線圈經(jīng)過加速線圈時，前半段是加速，后半段就是減速。如果想要一直加速，就需要在彈丸線圈經(jīng)過加速線圈的后半段時，停止給加速線圈通電，或通反向電流。如此，只有交變電流可以做到。然而隨著彈丸的不斷加速，所需要的交變電流頻率會越來越高，如何控制是一個非常嚴(yán)峻的問題。

另一方面，由于線圈材料存在電阻，當(dāng)加速線圈中通有電流時，必然會有部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，進一步提高電阻，這極大地降低能量利用效率。此情況下就必然需要冷卻裝置。如果使用超導(dǎo)材料線圈，就更需要讓它保持在低溫狀態(tài)。而這樣的冷卻裝置體積龐大，在艦艇上使用尚有難度。所以目前各國的電磁炮試驗中，線圈炮是很少作為實用型號研究的。

但是，線圈炮原理也有其它實用途徑。它可以用來投射初速慢、質(zhì)量大的物體，諸如重型彈藥、導(dǎo)彈、飛行器等。值得一提的是，美國“福特”號航母使用的電磁彈射裝置就是線圈炮原理。

軌道炮是目前各國電磁炮實用化研究的主要形式。軌道炮利用的是另外一種電磁力——安培力。如原理圖，在兩條平行的長直軌道中間放入導(dǎo)電彈丸，從其中一條軌道通入電流，電流經(jīng)過彈丸，再從另一軌道返回。在這過程中，兩軌道之間會產(chǎn)生磁場，因此彈丸會受到安培力，電流越大，彈丸受力越大，軌道越長，炮口速度也就越大。

由于現(xiàn)在的各國的工學(xué)進展已經(jīng)有能力為這種裝置通入兆安級的脈沖電流，所以，軌道炮需要的軌道很可以比以往電磁炮短得多。

然而，軌道炮也有許多難點：由于軌道炮需要彈丸和軌道一直接觸，所以摩擦力的存在必然會使一部分電能轉(zhuǎn)化為摩擦熱，降低了能量利用效率。同時，高速的彈丸會讓電磁炮的軌道迅速磨損，從而限制軌道炮的身管壽命。所以軌道炮發(fā)射時也會發(fā)生火焰。彈丸速度越大，對軌道的磨損就越嚴(yán)重。

需要通入兆安級的脈沖電流時，由于電阻的存在會對軌道產(chǎn)生很嚴(yán)重的燒蝕。這就需要研發(fā)更耐燒蝕的材料。同時由于大量的發(fā)熱，輻射出的能量很有可能被敵方探測到。

由于軌道炮發(fā)射的彈丸質(zhì)量可能較小，導(dǎo)致其射程較近?，F(xiàn)在美國試驗的軌道炮彈丸大概彈重是11千克，而127毫米火炮是32千克，這樣的質(zhì)量差距顯然不利于實際應(yīng)用。

綜上所述，軌道炮結(jié)構(gòu)簡單，并且通入的電流很大，可以短時間內(nèi)將投射物加速到極大的速度。它的小型化比較容易，適合投射低質(zhì)量的彈丸，以高速度直接打擊目標(biāo)物。

不過，就如傳統(tǒng)火炮需要更換炮管一樣，軌道炮軌道受使用壽命較短，彈丸在加速中也會受到燒蝕和磨損，需要開發(fā)更耐磨損和電流燒蝕的材料。所以目前軌道炮往往用于反導(dǎo)方面的研究。

重接炮

重接炮綜合了線圈炮和軌道炮的優(yōu)勢。重接式發(fā)射裝置的概念是由美國桑迪亞國家實驗室的考恩等人于1986年提出的。1991年起，美國陸軍實驗室等單位進行了研究。

重接炮也可以被譽為一種特殊的線圈炮。它的基本原理是磁力線重接。

如原理圖，重接炮的一級由上下兩個線圈、彈丸、初始導(dǎo)軌組成，線圈的軸線與彈丸運動方向垂直。彈丸為非導(dǎo)磁的良導(dǎo)體，當(dāng)彈丸以一定初速度進入兩線圈間隙，并當(dāng)其完全遮蓋線圈口徑時，給兩線圈通電。此時兩線圈產(chǎn)生磁場，由于磁通在短時間內(nèi)無法穿過良導(dǎo)體，所以兩線圈的磁場被封閉在各自內(nèi)部。當(dāng)彈丸往前移動時，其尾部不再遮蓋兩線圈之間的間隙。此時兩線圈中的磁通重接，使得原來彎曲的磁感線逐漸拉直，從而推動彈丸向前前進，則兩線圈磁場中儲存的磁能逐漸轉(zhuǎn)化為彈丸的動能。

重接炮有如下幾個優(yōu)點：彈丸與線圈無接觸，無摩擦、無燒蝕且電熱損失小。每單位長度傳遞給彈丸的能量多。彈丸在飛行中的穩(wěn)定性好，不用擔(dān)心俯仰和偏航的問題。發(fā)射效率較高，可以發(fā)射更大質(zhì)量的彈丸。

盡管目前重接炮在理論和實踐上還不成熟，但潛力巨大。

未來之炮的優(yōu)勢

從以上三種電磁炮形式的情況來看，電磁炮與傳統(tǒng)火炮相比，理論優(yōu)勢是明顯的。

◎多任務(wù)能力較強

傳統(tǒng)火炮的射程和威力由其裝藥量決定，而電磁炮可以通過調(diào)整電流大小來控制，比傳統(tǒng)火炮更為靈活。電磁炮可以提供攔截空中或地面威脅的火力，攔截各類導(dǎo)彈或飛行器；或作為進攻性武器提供打擊能力，對抗地面或海上目標(biāo)。

◎電磁炮的射程遠(yuǎn)、速度快

傳統(tǒng)火炮利用火藥急劇膨脹推動炮彈。由于氣體膨脹速度有限，傳統(tǒng)火炮的實戰(zhàn)性能已經(jīng)接近極限。目前最先進火炮的炮口初速不超過2千米/秒。而電能的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火藥的效率，電磁炮的炮口初速可以達(dá)到第一宇宙速度甚至更高。炮口初速決定射程和威力，所以，電磁炮比傳統(tǒng)火炮的發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

◎成本較低，運輸與后勤便利

傳統(tǒng)火炮彈藥需要炮殼、發(fā)射藥等零件，電磁炮卻不需要。對于核動力艦艇而言，電磁炮與其核動力系統(tǒng)可以良好結(jié)合，成本也比火藥低。并且電磁炮的彈丸相對傳統(tǒng)火炮來說結(jié)構(gòu)簡單，批量生產(chǎn)后更便宜。若重接炮或線圈炮成熟，軌道的磨損問題不會特別嚴(yán)重，進一步降低了成本。

◎操作安全系數(shù)高

傳統(tǒng)火炮發(fā)射時伴隨著強烈的火焰、高溫、煙霧和沖擊波，這都威脅著操作人員的安全。電磁炮發(fā)射時的特征要小得多，有利于改善人員工作條件。并且由于其較遠(yuǎn)的射程，操作人員可以遠(yuǎn)離敵軍發(fā)射，生存條件更好。

困難依舊

但是，電磁炮依然有許多技術(shù)難關(guān)，除了前面討論過的燒蝕、冷卻、供電等，還有一些復(fù)雜的因素。在得到有效解決之前，很難投入實用化。

◎冷卻困難

電磁炮發(fā)射炮彈的過程可以理解為一個個電磁線圈組成的“接力比賽”，每個線圈產(chǎn)生的磁流和彈體產(chǎn)生的感應(yīng)電流一步步將炮彈加速到滿足發(fā)射要求的炮口初速。這一過程中，電能不可能完全轉(zhuǎn)化為炮彈的動能，其中一部分會轉(zhuǎn)變成熱能（原理與電磁爐的渦流加熱類似），這可能把炮彈和滑軌“焊接”在一起。這在目前還是無法完全解決的。

為了防止炮彈和滑軌焊接，需要在兩者之間增加易蒸發(fā)介質(zhì)，比如鋁。介質(zhì)蒸發(fā)形成離子氣團，在炮彈和導(dǎo)軌電極之間起到“潤滑”作用，使炮彈正常滑行。所以，電磁炮同樣有較強的炮口焰，與之相伴的就是軌道燒蝕問題。除了電流產(chǎn)生的熱量，高速飛行的炮彈也會摩擦生熱，對軌道造成嚴(yán)重?fù)p耗。如果采用高效的冷卻系統(tǒng)，可以緩解軌道燒蝕。但同時帶來了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜和體積、重量的上升。線圈炮同樣也存在冷卻需求，大電流通過線圈時會產(chǎn)生高溫，不及時冷卻就會燒毀線圈。相比于傳統(tǒng)火炮幾百發(fā)乃至幾千發(fā)的身管壽命，如果電磁炮在實戰(zhàn)中需要頻繁更換軌道，優(yōu)勢就很難體現(xiàn)。

◎彈丸的過載

電磁炮的彈丸初速高，承受的過載非常大，要求其自身結(jié)構(gòu)、制導(dǎo)部件能夠抵抗如此高的過載。目前，已知最先進的抗過載電子設(shè)備能抵抗的加速度，可能還不能適應(yīng)未來電磁炮高速彈丸的加速度水準(zhǔn)。這可能會限制電磁炮使用制導(dǎo)彈藥的潛力?，F(xiàn)代的電磁軌道炮本質(zhì)上是動能武器。如果無法直接命中目標(biāo)，那么即使炮彈動能再大，也無法對遠(yuǎn)距離目標(biāo)造成有效的殺傷。以目前的技術(shù)水平，也還無法在如此高速炮彈上實現(xiàn)精確制導(dǎo)，這一點對于電磁炮在空軍的實際應(yīng)用會更加致命。

◎能量轉(zhuǎn)化率

另一方面，目前電磁炮的能量轉(zhuǎn)化效率還太低。美國的試驗炮電能轉(zhuǎn)換效率剛剛到達(dá)30%左右。在實驗室條件下，電磁炮的能源轉(zhuǎn)換效率也不過勉強達(dá)到50%，大部分能量都被轉(zhuǎn)化為熱能浪費了。如果能夠提高能源轉(zhuǎn)換效率，在降低對發(fā)電功率要求的同時，也能縮小儲能裝置的體積，并且降低對軌道和線圈冷卻的設(shè)計壓力，進一步實現(xiàn)平臺的小型化。

最后一個困難是研制成本高。對此美國海軍海洋系統(tǒng)司令部司令威廉·希拉瑞德曾表示：因為電磁炮需要巨大的能量，海軍起碼要30年后才能開始考慮取消戰(zhàn)艦上的常規(guī)火炮。但美國電磁炮炮彈的研發(fā)卻進展順利，在用127毫米傳統(tǒng)火炮發(fā)射電磁炮炮彈的試驗中，彈丸速度可達(dá)馬赫數(shù)3，雖低于電磁炮的馬赫數(shù)7，但這仍比現(xiàn)有的傳統(tǒng)火炮炮彈快一倍。未來，美國海軍考慮利用這個成果，把這種炮彈列裝到艦艇傳統(tǒng)火炮上。