简析电磁发射技术的原理,发展现状及应用前景

来源: 发布时间:2019-04-01 14:44:11

  简析电磁发射技术的原理,发展现状及应用前景

  摘要:本文阐明了电磁发射技术的相关原理和类别,并分析了电磁发射技术发展现状,应用领域及前景

  关键词:电磁发射技术 电磁轨道炮

  1.引言

  所谓电磁发射技术是不同于传统发射技术(如火箭,火炮)的一种新概念动能发射技术。随着人类的发展,传统的化学发射器已经不能满足人类对更高速度,更高效率的追求。常规的化学火炮由于原理上的限制,发射物的所能达到最大速度超不过发射药燃气的速度。在从古到今经历了几百年的发展后已经接近了理论极限。而火箭这种发射方式不仅昂贵,而且技术方面还有很多不足。正是在这种状况下滋生了电磁发射技术。它利用电磁力做功,将电能转化为发射物的动能。同常规发射技术相比具有其无可比拟的优势。由于不存在化学发射器原理上极限速度的限制,在不计材料等其他因素的情况下,理论上可以将负载加速至接近光速。

  2.三种发射装置的概述

  电磁发射器可以有很多种分类方式,如果以原理和结构上的区别分类,习惯上大致可以分为三大类:线圈型,轨道型还有重接型。

  2.1 轨道型电磁发射装置

  也就是科幻电影中经常出现的轨道炮,实质上是一个单匝直流电动机。简单的磁轨炮主要由一对相互平行的导体轨道,可以在导轨间自由滑动的导体电枢(这里的电枢,实际上是引用了电动机中的名词)以及电源组成。通电后,脉冲电流从其中一个导轨流入,经过电枢,再从另一个导轨流出。电流流经导轨在两条导轨间产生竖直方向上的磁场,电枢在磁场中收到安培力(微观上解释为洛伦兹力)而被加速。由于电枢和导轨的直接接触在超高速时会对导轨产生严重的磨损和烧蚀,所以在这种情况下经常采用等离子体电枢。也是由于烧蚀,发射物质量不宜过大,这也限制了它发射大质量物体的能力。

  以目前的研究成果来看,目前轨道型的研究较其他两种形式的装置更为成熟,已经可以投入使用。而其他两种现在尚处于试验阶段,所以本文主要写轨道型电磁发射装置。轨道型相比于其他两种形式的装置更适合将较小质量的负载加速到较高速度,而线圈型和重接型可以发射大质量弹丸。

  3.电磁发射器的发展

  最早在1845年,Chars Wheastone利用了直线电动机原理首先将导体棒发射至几十米远的距离。50多年后,电磁炮这个名称概念才被提出并进行实验。1901年Birkeland首先得到了电炮专利,并将0.5kg的负载以0.05km/s的初速发射出去,这个模型后来还在博物馆被展出。在此后电发射技术还曾引起丘吉尔的关注。一直到二战开始前,电磁发射技术相关专利已经有几十个。二战期间,轴心国也曾研究过电磁炮。二战结束后,电磁发射技术经历了一段时间的发展,此期间诸如Los Alamos实验室,米尔萨普斯、马歇尔、布拉斯特等人都取得了一定的研究成果。但随后在20世纪中期,一些研究人员认为电枢与轨道间的摩擦以及电弧会对导轨造成损坏,从而得出电磁炮没有发展前途的结论。这使得电磁发射技术的研究一度十分低迷,这项技术陷入了一个瓶颈期。但澳大利亚以及其他的一些科学家不这么认为,在重重阻力下仍坚持不懈地研究,也取得了一些成果。随后美国的Sawle同Brast用轨道炮将0.031g的负载以6000m/s的初速度发射。它证明了电磁发射器可以将弹丸加速到较高速度,同时也重新掀起了电磁发射器研究之热。随后澳大利亚的马歇尔通过将0.003kgPC以约6000m/s发射的重大成果证明了电磁发射器可以将相对较大质量弹丸加速至较高速度。这也成为了电磁发射技术发展史上的一个里程碑,从此美、苏、澳、英、法、日、中、以、德等十几个国家纷纷开始加大投入进行研究,但美国仍处于领先。

  4.电磁发射技术的应用前景

  4.1飞机的弹射装置

  飞机想要在较短的跑道下实现短距离起飞,就必须借助一些辅助装置。尤其是在航空母舰上,现有的蒸汽弹射器结构复杂,体积庞大。如果换做电磁弹射器,体积可以减小许多,还可以实现弹射力度精准控制。目前。美国的福特号航母采用的就是电磁弹射装置。

  4.2发射火箭、飞船、卫星

  传统化学火箭昂贵且笨重,需要携带大量燃料因而效率低下 。未来也许可以利用电磁发射技术从地面直接发射飞船或卫星,或者代替第一级火箭,为火箭发射提供初速度,可以极大的减少火箭燃料携带量,提高效率降低成本。

  4.3星际航行

  几乎没有任何阻碍的太空是电磁发射装置大显身手的好地方,若以某个初速度发射物体,这个速度几乎可以一直保持下去。

  4.4科学研究

  电磁发射技术可以方便地为实验室提供超高的速度,以便对目前比不可能达到的速度进行研究。可以进行高压、冲击物理实验、研究材料的状态方程等。

  4.5武器

  前面提到的许多电磁发射技术相关研究都是围绕电磁炮作为一种武器展开的。电磁炮将来几乎可以代替常规火炮,平均发射成本仅为常规火炮的百分之一。也许未来战争中,小到单兵的电磁步枪,大到天基武器都可以见到电磁发射技术的身影。

  5.结语

  近几年,电磁发射技术的优点不断显现,技术不断取得突破,中国科学院院士马伟明院士曾表示,由于电磁能发射具有更快、更强、更远、更高效的特性,电磁发射技术,将在10年左右取代化学能,给我们人类提供更安全、更快捷的技术。

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