电磁场理论课程设计电磁炮

2 2内容结构及任务分配情况￿￿￿￿￿￿小组简介及电磁炮基本情况小组简介及电磁炮基本情况——1 1￿￿￿￿线圈炮原理介绍—3 3￿￿￿￿其它类型电磁炮简介—4 4￿￿￿￿￿电磁炮用途及其特点—5 5￿￿￿电磁炮的现状及发展前景—6 6电磁炮设计与实验—团结是一种势不可挡的力量第1页，共45页• •冷兵器时代，利用原始机械抛射物体，速度只有每秒几十米冷兵器时代，利用原始机械抛射物体，速度只有每秒几十米• •热兵器时代，利用化学能的火炮可以使弹丸初速达到热兵器时代，利用化学能的火炮可以使弹丸初速达到1 1千米千米/ /秒秒• •目前，利用电能的电磁炮可将弹丸加速到数千米目前，利用电能的电磁炮可将弹丸加速到数千米/ /秒，这还远非秒，这还远非极限极限电影《变形金刚2》中有这样一个情节：在最后的大战里美军动用了一种国家级神秘武器，从大西洋美军的战舰上发射超高速炮弹，对金字塔顶端的“大力神”予以毁灭性打击这种超远程，精度高且破坏力十足的武器，就是现实中的动能武器—电磁炮引言第2页，共45页￿￿￿￿￿￿历史固然曲折，却无法阻挡我们探知未历史固然曲折，却无法阻挡我们探知未来的脚步来的脚步18451845年，英国物理学家查尔斯年，英国物理学家查尔斯--惠斯通制惠斯通制造了世界上第一台直线磁阻电动机，用它造了世界上第一台直线磁阻电动机，用它把一段金属抛射到把一段金属抛射到2020米远的地方米远的地方1897-19171897-1917年，伯克兰教授不断改进并实验年，伯克兰教授不断改进并实验他的电炮，获得三项专利技术，并在他的电炮，获得三项专利技术，并在19011901年年制造了第一个电磁线圈炮，将制造了第一个电磁线圈炮，将0.5Kg0.5Kg的物体的物体加速到加速到500500米米//秒秒19031903年，伯克兰再次制造出将年，伯克兰再次制造出将10Kg10Kg的物体加的物体加速到速到100100米米//秒的超级电磁炮秒的超级电磁炮19451945年，汉斯勒实验了直径年，汉斯勒实验了直径2020毫米，长毫米，长22米米的轨道跑的轨道跑[LM2],[LM2],最终将最终将10g10g重的铝质圆柱加重的铝质圆柱加速到速到10801080米米//秒秒19661966年，苏联人鲍斯达列夫用年，苏联人鲍斯达列夫用1010米长的单米长的单极脉冲感应线圈把极脉冲感应线圈把2g2g重铝环加速到重铝环加速到5Km/5Km/秒秒电磁炮的发展史第3页，共45页。

￿￿￿中国人自己的电磁炮￿￿￿￿英国1986年将100g弹丸加速到2.75km/秒，先后制造出40，90毫米口径炮;法国和德国研制出15毫米口径，最大速度5km/秒预加速炮：日本，前苏联也都有类似研究，目前中国正一步步向发达国家靠拢，已经圆满试射25公斤级炮弹，这对于中国来讲也是一个巨大的飞跃美国至第二次世界大战以来，始终处于电磁炮研究的国际领先分地位，先后研制出12，40，50，90毫米口径，以及最大射速达到7Km/秒，最远射程达到500Km的超级电磁炮，￿除美国外，还有二十多个国家从事电磁炮的研究各国电磁炮的近现代发展第4页，共45页电磁炮的基本原理：法拉第电磁感应定律一￿￿线圈炮线圈炮又称交流同轴线圈炮．由加速线圈和弹丸线圈构成，当加速线圈通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流．感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去．￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿电磁炮基本介绍电磁炮的分类线圈炮，轨道炮，电热炮，重阶炮第5页，共45页二￿轨道炮轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理．三￿￿￿￿电热炮其原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构￿￿￿也有多种形式．最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端．当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速．四￿￿￿重阶炮重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用第6页，共45页。

第7页，共45页线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位长度的匝数为ｎ，炮筒的内半径为Ｒ，L为螺线管的长度．螺线管通人电流时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的Ｂ—x关系如图，在螺线管中部磁场均匀，端口附近磁场发散．线圈炮的原理第8页，共45页根据毕—萨定理，螺线管端口附近Ｐ点Ｂ的轴向分量为式中为真空磁导率，x为ｐ点坐标．Ｂ径向分量为式中ｒ为离螺线管轴线的距离第9页，共45页1.1线圈弹体弹体a绕有～定数量的线圈，如图２所示．当螺线管通人电流时，弹体线圈感应电流为为计算方便，在发生相互作用瞬间，可认为为恒量．第10页，共45页根据安培力公式利用斯托克斯（Ｇ．Ｇ．Ｓｔｏｋｅｓ）公式可以推出弹体线圈在磁场中所受平移力的公式为第11页，共45页利用（５）式可以算出线圈弹体在螺线管端口处所受的平移推力为第12页，共45页弹体为铁磁质材料，设铁磁质弹体ｂ与螺线管相对位置为x(x

根据根据虚功原理虚功原理，沿，沿X X轴方向的力为轴方向的力为把（８）式带人（１１）式，可求得弹体受到沿把（８）式带人（１１）式，可求得弹体受到沿X X轴方向的力为轴方向的力为负号表示铁磁质弹体受力的方向与ｘ负号表示铁磁质弹体受力的方向与ｘ’’轴的方向相反．所以铁磁质弹轴的方向相反．所以铁磁质弹体被螺线管吸引体被螺线管吸引. .第15页，共45页第16页，共45页原理：方案一：线圈炮弹式电磁炮第17页，共45页炮筒（大线圈）炮弹（小线圈）设计第18页，共45页方案二：铁磁质弹体电磁炮原理：第19页，共45页设计一第20页，共45页设计二第21页，共45页方案三：自制线圈电磁炮第22页，共45页第23页，共45页第24页，共45页实物图轨道炮第25页，共45页 轨道炮原理轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理．￿　　　第26页，共45页。

弹体所得到的能量和磁场强度B与电流I的乘积有关，I越大，B就越大，弹体所得能量越大为轨道长度为弹体通过电流的有效长度第27页，共45页电热炮实物图第28页，共45页 第29页，共45页 电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式．最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端．当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速．电热炮原理第30页，共45页重接炮实物图第31页，共45页重接炮原理重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度．其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙．长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进．重接炮是电磁炮的最新发展形式．￿￿￿￿￿第32页，共45页第33页，共45页发射速度高，炮弹动能大电磁炮作用在弹丸上的力，在数量级上比传统火炮大一个量级隐蔽性好。

由于电磁炮火焰、烟雾和后坐力都很小，有利于阵地隐蔽工作稳定，重复性好电磁炮不存在常规火炮因点火过程和发射药燃烧过程的微量变化引起的弹体速度的不稳定，每次发射均具有相似的重复性电磁炮的特点第34页，共45页能源简易、经济效益好电磁炮使用的是电能，与常规火炮所使用的化学能相比操作比较简单而且更容易控制，同时电能的来源广并且价格低廉弹药贮存方便轨道炮弹丸仅依靠其动能来起到巨大的杀伤和破坏效果，弹丸内部没有发射药等易燃易爆物，因此贮存起来很方便弹体质量可大可小电磁炮既可发射小至毫克级的小弹体，也能发射大至几百吨的大弹体第35页，共45页军事应用领域电磁发射器在战术反装甲、防空和反舰战术导弹方面科研和民用领域研究高速碰撞，启动核聚变反应，研制悬浮列车电磁炮的应用第36页，共45页第37页，共45页第38页，共45页第39页，共45页•近十年来，随着新技术、新材料的不断发展，电磁发射技术在发射装置、发射质量、弹丸速度、大功率电源等方面的研究取得了一系列的成果世界范围内研究电磁炮的浪潮一浪高过一浪，当前以美国、俄罗斯、法国、德国、澳大利亚等国家的研究较为前沿其中美国对电磁炮的研究领先于其它任何一个国家，甚至可以说是遥遥领先。

•美国于1982￿年研制成功实验级导轨炮,弹丸质量317g、初速4200m/￿s1992￿年夏,美国研制成功世界上第一套完整的9MJ￿靶场导轨炮,并在陆军尤马试验场进行了发射试验,迈出了电磁炮走出实验室的第一步2006￿年7￿月,英国BAE￿系统公司与美军方签约,为美国海军设计和制造32MJ￿实验室型发射装置,旨在为下一步发展64MJ￿战术型电磁轨道炮奠定基础￿ ￿目前的现状第40页，共45页•2008￿年1￿月31￿日，美国海军在位于达尔格伦的海军水面作战研究中心进行了一次高能电磁轨道炮发射试验此次试验所使用的高功率脉冲电源为英国航空航天公司制造的总储能为32￿MJ￿的试验电源系统试验采用的射弹为铝质弹丸，如图所示，该铝弹质量约3.35￿kg，发射动能为10.64￿MJ，铝弹出膛瞬间速度达到2￿520￿m/s第41页，共45页￿￿￿￿目前有四方面的技术瓶颈•脉冲功率电源技术•轨道和电枢的可靠性技术•高过载弹丸技术•发射系统总体系统集成技术瓶颈第42页，共45页尽管电磁炮目前仍处于研究阶段，但前景却相对乐观考虑到各个国家对军事力量的培养与重视以及对未来战争、宇宙战场的大力投资兼新技术领域的开辟，面对有如此潜力的防空反导高技术兵器，以及其难以轻视的反装甲效应、炮弹改良效应，甚至于引领新一轮的军事革命的电磁武器，必将受到特别关注，大力投资同时推进研究工作。

相信在可预见的未来，随着电磁理论的丰富与发展，人类必将突破技术瓶颈，迎来电磁武器全面发展的时代第43页，共45页一.全方位介绍电磁炮三.电磁炮的应用、瓶颈和前景二.电磁炮模型结语第44页，共45页第45页，共45页。