簡析電磁發(fā)射技術(shù)的原理，發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

摘 要：本文闡明了電磁發(fā)射技術(shù)的相關(guān)原理和類別，并分析了電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用領(lǐng)域及前景。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射技術(shù)；電磁軌道炮

1 緒論

所謂電磁發(fā)射技術(shù)是不同于傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)（如火箭，火炮）的一種新概念動能發(fā)射技術(shù)。隨著人類的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)射器已經(jīng)不能滿足人類對更高速度，更高效率的追求。常規(guī)的化學(xué)火炮由于原理上的限制，發(fā)射物的所能達(dá)到最大速度超不過發(fā)射藥燃?xì)獾乃俣取Ｔ趶墓诺浇窠?jīng)歷了幾百年的發(fā)展后已經(jīng)接近了理論極限。而火箭這種發(fā)射方式不僅昂貴，而且技術(shù)方面還有很多不足。正是在這種狀況下滋生了電磁發(fā)射技術(shù)。它利用電磁力做功，將電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射物的動能。同常規(guī)發(fā)射技術(shù)相比具有其無可比擬的優(yōu)勢。由于不存在化學(xué)發(fā)射器原理上極限速度的限制，在不計材料等其他因素的情況下，理論上可以將負(fù)載加速至接近光速。

2 三種發(fā)射裝置的概述

電磁發(fā)射器可以有很多種分類方式，如果以原理和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別分類，習(xí)慣上大致可以分為三大類：線圈型，軌道型還有重接型。

軌道型電磁發(fā)射裝置：也就是科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)的軌道炮，實(shí)質(zhì)上是一個單匝直流電動機(jī)。簡單的磁軌炮主要由一對相互平行的導(dǎo)體軌道，可以在導(dǎo)軌間自由滑動的導(dǎo)體電樞（這里的電樞，實(shí)際上是引用了電動機(jī)中的名詞）以及電源組成。通電后，脈沖電流從其中一個導(dǎo)軌流入，經(jīng)過電樞，再從另一個導(dǎo)軌流出。電流流經(jīng)導(dǎo)軌在兩條導(dǎo)軌間產(chǎn)生豎直方向上的磁場，電樞在磁場中收到安培力（微觀上解釋為洛倫茲力）而被加速。由于電樞和導(dǎo)軌的直接接觸在超高速時會對導(dǎo)軌產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損和燒蝕，所以在這種情況下經(jīng)常采用等離子體電樞。也是由于燒蝕，發(fā)射物質(zhì)量不宜過大，這也限制了它發(fā)射大質(zhì)量物體的能力。

以目前的研究成果來看，目前軌道型的研究較其他兩種形式的裝置更為成熟，已經(jīng)可以投入使用。而其他兩種現(xiàn)在尚處于試驗(yàn)階段，所以本文主要寫軌道型電磁發(fā)射裝置。軌道型相比于其他兩種形式的裝置更適合將較小質(zhì)量的負(fù)載加速到較高速度，而線圈型和重接型可以發(fā)射大質(zhì)量彈丸。

3 電磁發(fā)射器的發(fā)展

最早在1845年，Chars Wheastone利用了直線電動機(jī)原理首先將導(dǎo)體棒發(fā)射至幾十米遠(yuǎn)的距離。50多年后，電磁炮這個名稱概念才被提出并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1901年Birkeland首先得到了電炮專利，并將0.5kg的負(fù)載以0.05km/s的初速發(fā)射出去，這個模型后來還在博物館被展出。在此后電發(fā)射技術(shù)還曾引起丘吉爾的關(guān)注。一直到二戰(zhàn)開始前，電磁發(fā)射技術(shù)相關(guān)專利已經(jīng)有幾十個。二戰(zhàn)期間，軸心國也曾研究過電磁炮。二戰(zhàn)結(jié)束后，電磁發(fā)射技術(shù)經(jīng)歷了一段時間的發(fā)展，此期間諸如Los Alamos實(shí)驗(yàn)室，米爾薩普斯、馬歇爾、布拉斯特等人都取得了一定的研究成果。但隨后在20世紀(jì)中期，一些研究人員認(rèn)為電樞與軌道間的摩擦以及電弧會對導(dǎo)軌造成損壞，從而得出電磁炮沒有發(fā)展前途的結(jié)論。這使得電磁發(fā)射技術(shù)的研究一度十分低迷，這項(xiàng)技術(shù)陷入了一個瓶頸期。但澳大利亞以及其他的一些科學(xué)家不這么認(rèn)為，在重重阻力下仍堅持不懈地研究，也取得了一些成果。隨后美國的Sawle同Brast用軌道炮將0.031g的負(fù)載以6000m/s的初速度發(fā)射。它證明了電磁發(fā)射器可以將彈丸加速到較高速度，同時也重新掀起了電磁發(fā)射器研究之熱。隨后澳大利亞的馬歇爾通過將0.003kgPC以約6000m/s發(fā)射的重大成果證明了電磁發(fā)射器可以將相對較大質(zhì)量彈丸加速至較高速度。這也成為了電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑，從此美、蘇、澳、英、法、日、中、以、德等十幾個國家紛紛開始加大投入進(jìn)行研究，但美國仍處于領(lǐng)先。

4 電磁發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用前景

4.1 飛機(jī)的彈射裝置

飛機(jī)想要在較短的跑道下實(shí)現(xiàn)短距離起飛，就必須借助一些輔助裝置。尤其是在航空母艦上，現(xiàn)有的蒸汽彈射器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。如果換做電磁彈射器，體積可以減小許多，還可以實(shí)現(xiàn)彈射力度精準(zhǔn)控制。目前。美國的福特號航母采用的就是電磁彈射裝置。

4.2 發(fā)射火箭、飛船、衛(wèi)星

傳統(tǒng)化學(xué)火箭昂貴且笨重，需要攜帶大量燃料因而效率低下。未來也許可以利用電磁發(fā)射技術(shù)從地面直接發(fā)射飛船或衛(wèi)星，或者代替第一級火箭，為火箭發(fā)射提供初速度，可以極大的減少火箭燃料攜帶量，提高效率降低成本。

4.3 星際航行

幾乎沒有任何阻礙的太空是電磁發(fā)射裝置大顯身手的好地方，若以某個初速度發(fā)射物體，這個速度幾乎可以一直保持下去。

4.4 科學(xué)研究

電磁發(fā)射技術(shù)可以方便地為實(shí)驗(yàn)室提供超高的速度，以便對目前比不可能達(dá)到的速度進(jìn)行研究。可以進(jìn)行高壓、沖擊物理實(shí)驗(yàn)、研究材料的狀態(tài)方程等。

4.5 武器

前面提到的許多電磁發(fā)射技術(shù)相關(guān)研究都是圍繞電磁炮作為一種武器展開的。電磁炮將來幾乎可以代替常規(guī)火炮，平均發(fā)射成本僅為常規(guī)火炮的百分之一。也許未來戰(zhàn)爭中，小到單兵的電磁步槍，大到天基武器都可以見到電磁發(fā)射技術(shù)的身影。

5 結(jié)語

近幾年，電磁發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不斷顯現(xiàn)，技術(shù)不斷取得突破，中國科學(xué)院院士馬偉明院士曾表示，由于電磁能發(fā)射具有更快、更強(qiáng)、更遠(yuǎn)、更高效的特性，電磁發(fā)射技術(shù)，將在10年左右取代化學(xué)能，給我們?nèi)祟愄峁└踩⒏旖莸募夹g(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑩，肖峰.電炮原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2][美]理查德.埃斯特里.馬歇爾，[中]王瑩.電磁軌道炮的科學(xué)與技術(shù).兵器工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：曹鶴舉（2002-），漢族，河北秦皇島市第一中學(xué)高二年級。