從過山車提升裝置想到的電磁彈射

黃政科

望城一中

從過山車提升裝置想到的電磁彈射

黃政科

望城一中

電磁彈射是一種新型的物理發射方式，它利用洛倫茲力將電能轉化成動能，具有瞬時爆發力強、可控性好等優點，不僅可應用于過山車、磁懸浮列車上，在軍事上有更大的應用空間。

過山車；電磁彈射；洛倫茲力

去年暑假期間，我和家人在深圳歡樂谷坐了一次過山車，驚險刺激使我久久不能忘記。過山車的超高加速讓人有一種頭暈目眩的感覺，當了解到這個過山車是用電磁彈射啟動時，我對這種推進裝置產生了濃厚的興趣。這種過山車在極短時間內獲得很大的動能，它利用電磁體在軌道上方和列車下方各造出一個磁場，牽引列車以極高的速度沿軌道移動，其主要優勢在于超高速、耐用性和可控制性。電磁彈射大多以獲得高速或超高速為目標，1993年，美國桑迪亞實驗室就將質量為237g的物體加速到1km/s。正因如此，很多軍事專家利用這種短時間極大爆發力的特性來制造超高速武器。某軍事欄目披露美國新一代福特號航母（2013年10月11日下水）上就用電磁彈射艦載機，這種電磁彈射器體積小、重量輕，可節省航空母艦的空間，而且可控性和可靠性較高，能彈射重達幾噸、初速度要求很高的飛機。另外，磁懸浮列車也是用相關的電磁彈射技術來推進，它在列車上安裝電樞繞組，軌道上安裝感應軌，其基本構成和工作原理與普通旋轉電機相似。

彈射是指被發射的物體不啟用自身的動力裝置而靠發射器賦予的啟動力而實施起飛的一種發射方式，電磁彈射以電磁力作為啟動力，它是人類在掌握了機械能彈射和化學能彈射技術后的又一次里程碑式的跨越。從理論上說，電磁彈射不會再受到燃氣聲速的限制，其發射的速度和空間將會大大擴展，是一種十分理想的發射技術。電磁彈射器是把電磁能轉化為動能，借助電磁力做功的一種特殊的電氣傳動裝置。電磁彈射器與傳統的化學能發射器的本質區別在于：化學能發射器利用火藥燃燒產生的燃氣壓力，作用于彈丸來推動彈丸向前運動，電磁彈射器利用電磁相互作用產生電磁力來發射彈丸；傳統化學能發射器推動彈丸運動的是彈底壓力，存在初速低、溫度高等缺點，而電磁彈射器發射速度高、殺傷力強、便于維護，在防空反導、發射火箭和衛星等軍事領域內有其廣泛的應用前景。

19世紀，英國科學家法拉第發現了電磁感應定律，該定律表明磁場中的電荷和電流會受到洛倫茲力的作用，于是就有人提出了用洛倫茲力來彈射物體的設想。第一個正式提出電磁彈射概念并進行試驗的是挪威奧斯陸大學物理學教授伯克蘭，他在1901年獲得了“電火炮”專利。20世紀70年代初，澳大利亞國立大學馬歇爾博士建造了第一臺電磁彈射裝置，將3克重的塑料塊加速到6000m/s的速度，他為電磁彈射技術做出了開拓性的貢獻，由此開始電磁彈射技術成為各國爭先研究的熱點。2010年12月12日，美國海軍研制的電磁彈射器以5倍音速擊向2000km以外的目標，射程為海軍常規武器的10倍，試驗所生成的能量達到了驚人的33MJ，1MJ相當于1噸重的汽車以160km/h所產生的能量。

根據結構和工作原理的不同，電磁彈射器可分為軌道彈射器、線圈彈射器兩大類。軌道彈射器實質上是一臺單匝線圈的直流直線電動機，它由兩條平行的金屬導軌和電樞組成，電樞中通有電流，在磁場中將受到電磁力的作用而沿導軌加速滑動，直至飛出軌道，過山車就屬于這種類型。線圈彈射器是從旋轉式電動機演變而來的，把普通旋轉電動機沿徑向切開并且拉直，就是一臺典型的直線電機，再把直線電機卷成圓筒就形成了線圈彈射器。在線圈彈射器中，兩個線圈通以反方向的電流，同級磁場相排斥，其中一個線圈固定不動，則另一個線圈受到排斥力作用而被加速。線圈彈射器與軌道彈射器相比，最大的區別在于驅動線圈與電樞之間沒有機械接觸和摩擦，磁懸浮列車就屬于這種類型。

電磁彈射持續時間很短，但峰值功率很高，這就需要一個儲能設備將電能儲存起來，并且能瞬間釋放。儲能設備的核心部件是由大量電容器單元串并聯組合而成的電容器組，該系統的總能量是每一個電容器單元儲存電能的和。電容器的充電時間相對較短，而輸出功率較大。正因為如此，電容器系統成為儲能電源的首選。但是電容器組的儲能密度不高，目前電容器組的儲能密度水平在2.5MJ/m3左右。假設電磁彈射器單發發射需要的電能為15MJ，電磁發射的轉換效率為15%，則每次發射的電能需求為100MJ，若采用電容器系統作為脈沖功率電源，則僅電容器組就需要占據40m3以上的空間，再考慮彈射器本身及其它控制和輔助部件，系統的體積將會更加龐大。如果要獲得較高的持續射速，還必須進一步提高電容器系統的體積，因此只有空間足夠充裕的發射平臺才適合電磁彈射器的應用。

[1]李立毅，李小鵬.電磁發射的歷史及發展趨勢[J].微電機，2004：37（1）：41-44

[2]金志明.高速推進內彈道學[M].北京：國防工業出版社，2001

[3]于瀛，池建文，陳昕.電磁飛機彈射系統[J].艦船科學技術，2003，25（4）：51-53

[4]中國科學院等離子體物理研究所.“303”電磁炮的實踐[C].北京：新概念火炮技術會議，1989

[5]王瑩.空間電磁推進技術[J].推進技術，1987，（4）：49-54

[6]張建革，劉躍新，路宏偉.美國的艦載電磁炮研究[J].艦船科學技術，2009，31（3）：154-159

[7]李梅武，崔英，薛飛.航母飛機起飛的最佳選擇——電磁彈射系統[J].艦船科學技術，2008，30（2）：34-37