电发射武器技术发展浅谈(一)

电发射武器技术发展浅谈(一)

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初步目录:

1. 发射器发展

2. 电发射器种类及工作原理

3. 电发射器武器化(电炮)发展

4. 电发射技术应用前景


摘要:讨论了各类电发射武器的定义,追溯电发射器的发展历史,介绍其基本原理,分析其技术优点,发展前景和应用潜力

引言:2015年12月7日,美国最新使用整合式电力推进的朱姆沃尔特级驱逐舰首舰开始海试,此前在军迷间流传得沸沸扬扬的电磁炮并未出现在舰上,而是使用了技术更为成熟的AGS(先进舰炮系统)。但从此传言也可看出,电磁炮对于我们,已经不再是出现在科幻电影中的道具,而是已经距离不远,即将出现在眼前的高科技武器。


一、 发射器的发展

从战争开始的那一天起,“杀伤敌人,保存自己“便是不变的铁律,无数武器工匠为了实现这一目标而努力。将能杀伤敌人的武器投射得更远无疑是一个好的选择,随着技术的发展,发射及其发射器从低级到高级经历了以下几个阶段:

1.1机械发射器

诸如弓弩,投石机,弹弓等借助人类肌肉力量直接抛射物体或者储存势能然后抛射物体的一类发射器。机械发射器能量变换过程简单,抛射物体所用的能量也简单易得,但是发射功率小,难以把物体发射到高速度,一般在每秒几十米左右。

1.2化学发射器

化学发射器使用相关化学推进剂燃烧产生气体推动物体达到高速度,本质上是使用化学能发射物体。典型的有枪械,火炮等,是一种将化学能转换为物体动能的发射器。

1.3电发射器

电发射器是利用电能发射物体的发射装置。其中利用电磁能发射物体的叫电磁发射器,利用电能加热产生等离子体发射物体的叫电热发射器。电发射器便主要是这两种。其实质是把电能转化为物体动能的一类能量变化器。其大多数性能都优于机械能发射器和化学能发射器,最大的优点是能将物体加速到超高速(≥3km/s),非常适合用作武器化发展,于是目前对于电发射技术研究最火热的便是如何将其应用于军事当中,成为实用的电炮。


二、电发射武器化(电炮)发展

2.1电磁炮的发展

早在1845年,Chars Wheastone建造了世界第一台直线磁阻电动机,并用其将金属棒抛射到20m远的地方。1895年Mayor获得第一个直线感应电动机专利。此后,德国科学家柯比提出用“电磁推进”制造“电气炮”的想法。但第一个提出电磁炮概念并进行实验的是挪威Oslo大学物理学教授Birkeland,他在1901年获得了“电火炮专利”,并使用直流激励管状直线电动机的系列线圈,把500g重的弹丸加速到50m/s;这个实验模型后来展示在Oslo的科学博物馆内。1912年,法国的Emile Bachelet建造了一个交流激励的磁推进装置,在1914年展出时,曾引起英国首相丘吉尔的兴趣。1917年,另一位法国发明者提出利用磁场力发射有翼炮弹的设想。1920年,法国的Fauchon-Villeplee发表了《电气火炮》一文。几乎与此同时,美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。1937年,美国的航空公司创始人Northrup教授以“Abkad Psendoman”为笔名在《0到80》一书中提及了电磁发射原理。此后,美国普林斯顿大学试试用电磁力发射了载体。直到二战爆发前,各种电炮的专利已达45项之多。战争期间,德国,日本都曾研制过电磁炮。1944年德国的Hansler曾将10g弹丸加速到1.2km/s。1946年美国的威斯汀豪斯电气公司建成一个全尺寸的飞机弹射装置,名叫“电拖(Electopult)”。它是一个初级运动的直线感应电动机。尔后,美国海军和空军也做了一些研究工作。但是空军的科学研究所经过反复论证,于1957年得出“电磁炮根本行不通”的结论,把电磁炮打入冷宫。在此影响下,电磁炮研究一度陷入低潮。可是,那时期澳大利亚和其他一些科学家却持不同看法,在60年代仍孜孜不倦地研究,并取得了一定的进展。例如,澳大利亚国立大学的Marshall及其同事在改进大电流滑动接触技术方面,提出了“等离子体电弧电枢”概念。美国的Brast和Sawle首先利用等离子体电枢把31mg的弹丸加速到6km/s。他们拨亮了即将熄灭的电磁炮研究之“火”。1966年,美国内华达州大学的Winterberg教授提出用磁行波加速超导体的概念。1967年,苏联的鲍恩达列托夫用1cm长的单级脉冲感应线圈炮把2g铝环加速到5km/s。1972年,NASA提出电刷换向的螺旋线圈炮;而麻省理工则研制出第一台类似同步直线电动机的线圈炮。

基于上述的工作成就和脉冲功率技术学科的发展,使电磁炮技术在70年代有了重大突破。1978年澳大利亚国立大学的马歇尔等公布了其研究成果:用550MJ单机发电机和等离子体电枢,在5m长的导轨炮上把3g聚碳酸酯弹丸加速到了5.9km/s的初速。这一重大成就,从实验上证明了用电磁力可将较重的弹丸推进到高速的可能性,为电磁炮的发展作出了开拓性的贡献。从此,电磁炮的研制工作开始迈入了新阶段。

马歇尔等人的划时代性成就,使世界各国的科学家受到极大鼓舞和启发,同时引起各国军方的浓厚兴趣,于是纷纷投入大量财力人力对电磁炮进行研究,并建立了不少电磁炮实验室。美国、前苏联、澳大利亚、英国、法国、中国、日本等十几个国家,目前老美处于领先地位。

1978年,为了评估电磁炮技术及其应用潜力,在美国陆军装备研究发展中心的倡议下,成立了有关电磁炮研究的国家咨询委员会和技术学部。国防高级研究计划所(DARPA)成为各大学和公司电磁炮研究的主要支持者。


2.2电热炮的发展

电热炮的研制早在1945年始于德国,设计者O.Muck,他是实际研制电热炮的第一人,他在此之前曾从事线圈炮和导轨炮的研制工作。1956年,美国通用动力公司的Yoler设计出一种多级加速结构的电热炮,可不断加速膛内弹丸。同年,一位名叫Bloxsom的人设计出另一种电热炮,并申请了专利和发表了论文,他采用电弧加热氦气的方案,把直径3mm的尼龙环加速到2.99km/s。1960年,美国国防部发表了《电弧炮的研究报告》,并且由空军导弹局组织实施研制;在这种炮的药室内装有充作“发射药”的氢化锂,用已充电的电容器组向药室放电,结果把10mg的尼龙弹丸加速到4.9km/s。尽管以上的工作曾为电热炮的发展和研制工作作出了一定的贡献,但是由于当时的脉冲功率技术和其他相关学科水平的限制,以及人们急功近利地偏爱导轨炮,总希望完全脱离化学火炮的工作模式,从而冷落了电热炮的研究。直到前苏联、美国、前西德和以色列等在研究导轨炮和线圈炮的同时,从对比中发现了电热炮的实用性。此后,人们再次对电热炮热衷起来,并在技术上有了重大突破,使电热炮的发展在80年代得到转机。

当初苏联曾在其FST-2坦克上实验了135mm口径的电热炮,据称初速已经达到2.5km/s,有可能在90年代电热炮先于导轨炮或线圈炮装备在类似FST坦克上。

老美当然也不甘落后,对电热炮的研制加快了步伐。有代表性的研制单位是通用动力公司和食品机械(FMC)公司,它们于军方签订合同研制一种间热式电热炮,称作燃烧增强等离子体(CAP)炮,实际上是一种电热化学(ETC)炮。CAP炮用放电产生的高压、高温等离子体加热、离解焓能较高的工作流体,从而提高“发射药”的能级。此外,美国与以色列合作研制另一类间热式电热炮——固体推进剂电热化学炮,即固体工质CAP炮 ,这种炮是借助高温等离子体加热固体发射药以提高能量水平的,他们在60mm炮上装M30粒状发射药进行电加热实验,炮口动能提高了25%;1989年,美国通用动力公司在绿色农场(Green Farm)试验场上首次进行了电热炮的实弹射击实验,并把电热炮列入美国国防部关键技术技术计划中。该计划准备于1995财年制造和使用155mm的电热炮(结果现在都没用成2333),直接作为战术武器,供陆军作为延伸射程的反装甲武器,对付敌人的下一代坦克;海军把它装在水面舰艇上,用以拦截和摧毁15km以外的现有和未来的导弹武器系统;空军把电热炮用于诸如A10等近距离的空中支援飞机上,以毁伤地面远至5km的装甲车。据英国《海上防务》(1993年7~8月)报道,美国FMC公司海军系统分部5月份成功地在火炮试验场进行了电热—化学炮速射演示。

以色列的核研究机构早已在研究电热炮。他们在现有常规火炮的炮闩和炮管的内壁涂上一层绝缘材料(如聚四氟乙烯等),用已充电的电容器向炮管放电,在弹丸后面形成聚四氟乙烯材料的高温等离子体,同时向弹丸后的炮管注入石蜡和水,用等离子体加热这些物质以产生氢,氢气同时被等离子体加热而膨胀,进而推动弹丸前进。目前,这种特殊的电炮,已经能把弹丸加速到4km/s(1995年)

中国科学院合肥等离子体物理研究所,1988年研制了一台等离子体箍缩型电热炮,作为该所导轨炮的前级注入炮使用。此电热炮系用大电流加热后膛的铝箔,使其电爆炸产生等离子体,借助等离子体的箍缩效应,把30g的弹丸加速到570m/s;当在后膛再填加800mg速燃火药时,将50g弹丸加速到700m/s。。中国工程物理研究院流体物理研究所1991年制作了一门液体工质间热式电热炮,即液体工质的CAP炮,炮口径为23mm,已把20g弹丸加速到1850m/s;这门CAP炮的工作流体是过氧化氢等轻工质,用塑料袋封装后置入燃烧室的,电源为充电的电容器组。

2.3电炮相关的交流与组织

为了促进电炮理论的提高和工程技术的发展,由美国陆军军备研究和发展司令部(ARRADCOM)以及国防高级研究规划局主办,于1980年开始召开了第一届电磁发射技术讨论会,决定以后每隔2~3年召开一次,并允许其他有关国家参加,具有一定的国际性质。在第二届会议上,决定开始设置以已故的彼得马克(Peter Mark)教授命名的“彼得马克勋章”,授予对电炮技术和理论发展有杰出贡献的人。至1995年已召开了6次这样的会议。


三、电发射器种类及其工作原理

在新时代各种电发射器中,以电炮最有代表性和普遍性,这里就以电炮为例来讨论其种类与原理。

3.1电炮种类

在脉冲功率技术中,电炮可谓后起之秀。电炮技术设计许多学科理论,诸如电学、磁学、等离子体物理、工程力学、化学、材料学、量子力学、计算物理、固体物理、核物理和流体力学等。电炮技术又是多学科的交叉渗透,并非是简单的机-电一体化的混合体。因此现在和未来必然产生一些新的机-电构型问题和一些混乱的术语问题。随着电炮技术的成就,用一些较准确的术语从实质上对各种电炮的发射概念进行分类十分必要。1987年,Weldon在“非导轨型电磁加速器讨论会”【1】上仅对电磁炮进行了本质分类,他以电枢的激励、定子场控制和工作方式把电磁炮分为导轨型和线圈型。他没考虑电热炮的参与,这显然是不完整的。由于电热炮已经成为电炮家族的重点要成员,必须对电炮有一个新的系统的科学分类。

电炮的分类方法有很多种,诸如以炮的形式、电源性质(阻抗或交直流)、射弹与炮管有无接触、射弹受力部分(弹底还是沿长度)、加速度比高还是低、循环功率的高低等方面分类。但最能体现实质的应从工作原理分类,在工作原理相同的情况下,按工作方式分类。据此,我们把电炮分为:

电炮:电磁炮(导轨炮、线圈炮、重接炮)

电热炮(直热式/纯电热炮、间热式/电热-化学炮)

混合炮(形体混合炮、原理混合炮)

电炮的定义:

我们可以这样来定义电炮:电炮是全部或部分地利用电能为射弹提供推力的超高速电(磁)发射装置;电磁炮是借助电磁力推进射弹的电磁发射器;电热炮是全部或部分利用电能加热工质而推动射弹的电热发射器(或电热-化学发射器);混合电炮是各种电炮或化学发射器以其形体或以其工作原理混合的一类混成电(磁发射器)。

就目前水平而言,电磁炮、电热炮和混合电炮分别包括以下炮种——

1.导轨炮包括:简单导轨炮;分散馈电(分散储能、分散电流)导轨炮;串联增强(层叠式、平面式和保护板式)型导轨炮;外场增强(常规导体和超导体)型导轨炮;炮口分流型导轨炮;多轨(原口径和方口径)型导轨炮;保护板增强型导轨炮;;超导悬浮电枢型导轨炮;同轴轨型导轨炮;以及多相型导轨炮等。

2.线圈炮包括:电刷换向的螺旋线圈炮;无刷螺旋线圈炮;直流电枢分立驱动(单相和双相)型线圈炮;单级脉冲感应型线圈炮;同步感应型线圈炮;异步感应型线圈炮;磁化弹丸行波型线圈炮;磁阻线圈炮(目前见到网络上DIY最多的就是这种)等等。

3.重接炮包括:板状弹丸型重接炮;柱状弹丸型重接炮。

4.直热式电热炮包括:细管侧放电型电热炮;等离子体药筒型电热炮;等离子体箍缩型电热炮;爆炸导体型电热炮;侧注入等离子体型电热炮等等。

5.间热式电热炮包括:电子束电热炮;随行电极电热炮;药室放电型电热炮;固体工质CAP(燃烧增强等离子体)电热炮;液体工质CAP电热炮等等。

6.形体混合电炮包括:电热-导轨炮;导轨-线圈炮;火炮-导轨炮等多种。

7.原理混合电炮包括:磁通聚集加强炮;“火炮”馈电的导轨炮;电磁火箭炮(导轨式和线圈式)等多种。


3.2基本工作原理


(未完待续)

编辑于 2016-09-07

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