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(fā)射方式，它利用洛倫茲力將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，具有瞬時(shí)爆發(fā)力強(qiáng)、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，不僅可應(yīng)用于過山車、磁懸浮列車上，在軍事上有更大的應(yīng)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(xiǎn)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?zāi)垦５母杏X，當(dāng)了解到這個(gè)過山車是用電磁彈射啟動(dòng)時(shí)，我對這種推進(jìn)裝置產(chǎn)生了濃厚的興趣。這種過山車在極短時(shí)間內(nèi)獲得很大的動(dòng)能，它利用電磁體在軌道上方和列車下方各造出一個(gè)磁場，牽引列車以極高的速度沿軌道移動(dòng)，其主要優(yōu)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(biāo)，1993年，美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室就將質(zhì)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(shí)間極大爆發(fā)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(jī)，這種電磁彈射器體積小、重量輕，可節(jié)省航空母艦的空間，而且可控性和可靠性較高，能彈射重達(dá)幾噸、初速度要求很高的飛機(jī)。另外，磁懸浮列車也是用相關(guān)的電磁彈射技術(shù)來推進(jìn)，它在列車上安裝電樞繞組，軌道上安裝感應(yīng)軌，其基本構(gòu)成和工作原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。

彈射是指被發(fā)射的物體不啟用自身的動(dòng)力裝置而靠發(fā)射器賦予的啟動(dòng)力而實(shí)施起飛的一種發(fā)射方式，電磁彈射以電磁力作為啟動(dòng)力，它是人類在掌握了機(jī)械能彈射和化學(xué)能彈射技術(shù)后的又一次里程碑式的跨越。從理論上說，電磁彈射不會(huì)再受到燃?xì)饴曀俚南拗疲浒l(fā)射的速度和空間將會(huì)大大擴(kuò)展，是一種十分理想的發(fā)射技術(shù)。電磁彈射器是把電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，借助電磁力做功的一種特殊的電氣傳動(dòng)裝置。電磁彈射器與傳統(tǒng)的化學(xué)能發(fā)射器的本質(zhì)區(qū)別在于：化學(xué)能發(fā)射器利用火藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫Γ饔糜趶椡鑱硗苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，電磁彈射器利用電磁相互作用產(chǎn)生電磁力來發(fā)射彈丸；傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)射器推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)的是彈底壓力，存在初速低、溫度高等缺點(diǎn)，而電磁彈射器發(fā)射速度高、殺傷力強(qiáng)、便于維護(hù)，在防空反導(dǎo)、發(fā)射火箭和衛(wèi)星等軍事領(lǐng)域內(nèi)有其廣泛的應(yīng)用前景。

19世紀(jì)，英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，該定律表明磁場中的電荷和電流會(huì)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(shè)想。第一個(gè)正式提出電磁彈射概念并進(jìn)行試驗(yàn)的是挪威奧斯陸大學(xué)物理學(xué)教授伯克蘭，他在1901年獲得了“電火炮”專利。20世紀(jì)70年代初，澳大利亞國立大學(xué)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(shù)做出了開拓性的貢獻(xiàn)，由此開始電磁彈射技術(shù)成為各國爭先研究的熱點(diǎn)。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(biāo)，射程為海軍常規(guī)武器的10倍，試驗(yàn)所生成的能量達(dá)到了驚人的33MJ，1MJ相當(dāng)于1噸重的汽車以160km/h所產(chǎn)生的能量。

根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shí)質(zhì)上是一臺單匝線圈的直流直線電動(dòng)機(jī)，它由兩條平行的金屬導(dǎo)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(dǎo)軌加速滑動(dòng)，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(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)演變而來的，把普通旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向切開并且拉直，就是一臺典型的直線電機(jī)，再把直線電機(jī)卷成圓筒就形成了線圈彈射器。在線圈彈射器中，兩個(gè)線圈通以反方向的電流，同級磁場相排斥，其中一個(gè)線圈固定不動(dòng)，則另一個(gè)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(qū)別在于驅(qū)動(dòng)線圈與電樞之間沒有機(jī)械接觸和摩擦，磁懸浮列車就屬于這種類型。

電磁彈射持續(xù)時(shí)間很短，但峰值功率很高，這就需要一個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備將電能儲(chǔ)存起來，并且能瞬間釋放。儲(chǔ)能設(shè)備的核心部件是由大量電容器單元串并聯(lián)組合而成的電容器組，該系統(tǒng)的總能量是每一個(gè)電容器單元儲(chǔ)存電能的和。電容器的充電時(shí)間相對較短，而輸出功率較大。正因?yàn)槿绱耍娙萜飨到y(tǒng)成為儲(chǔ)能電源的首選。但是電容器組的儲(chǔ)能密度不高，目前電容器組的儲(chǔ)能密度水平在2.5MJ/m3左右。假設(shè)電磁彈射器單發(fā)發(fā)射需要的電能為15MJ，電磁發(fā)射的轉(zhuǎn)換效率為15%，則每次發(fā)射的電能需求為100MJ，若采用電容器系統(tǒng)作為脈沖功率電源，則僅電容器組就需要占據(jù)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(tǒng)的體積將會(huì)更加龐大。如果要獲得較高的持續(xù)射速，還必須進(jìn)一步提高電容器系統(tǒng)的體積，因此只有空間足夠充裕的發(fā)射平臺才適合電磁彈射器的應(yīng)用。

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

[2]金志明.高速推進(jìn)內(nèi)彈道學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001

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

[4]中國科學(xué)院等離子體物理研究所.“303”電磁炮的實(shí)踐[C].北京：新概念火炮技術(shù)會(huì)議，1989

[5]王瑩.空間電磁推進(jìn)技術(shù)[J].推進(jìn)技術(shù)，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(xué)技術(shù)，2009，31（3）：154-159

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