中国线圈炮，怎么把124公斤炮弹，0.05秒加速到700公里/小时的？|速度|脉冲|负载
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导语：
据《南华早报》报道，近期，在首次发射测试中，我国新型线圈电磁炮将一枚124公斤的炮弹在不到0.05秒的时间内加速到700公里/小时的速度，其炮口动能达到了2.3441358e6焦耳。线圈炮究竟是什么技术？
一、“要领先就领先美国”我国大口径电磁线圈炮的技术突破
追求更大的发射动力和炮弹的发射速度一直是各国关注研究电磁炮的重点，轨道炮、线圈炮是主流技术。
在同轴线圈电磁推进领域，美国不间断地进行了近40年的基础和关键技术研究，目前已经进入原理样机试制阶段。美国国防部预先研究计划局正在研制“未来战斗系统”车载式非直瞄电磁线圈迫击炮，目标是将120毫米的迫击炮弹加速到420米／秒，目前已经进入原理样机试制阶段。
这次我国实验的线圈炮使用的124公斤(273磅)炮弹是已知最重的炮弹。虽然目前这种武器的确切尺寸和最大射程仍然是保密的，如此重量以及高速的弹丸已经可以命中数公里外的目标。即使内部没有装填炸药，在落地时依旧如陨石坠落一般杀伤力巨大，一颗100公斤的电磁动能炮弹就可以完全消灭1000平方米（比2个篮球场略大）内的所有有生目标，绝对是次时代的大杀器！
今年8月的《电工技术学报》，我国“电磁弹射之父”马伟明院士还有他的海军工程大学团队，发表了题为《电磁发射技术中的现状与挑战》的文章，也印证了这项大口径电磁线圈炮的技术突破，文中正式宣布：“海军工程大学攻克了大口径高磁密线圈设计制造技术、紧凑型脉冲电源技术等一系列难题，实现了百公斤级一体化电磁弹出口速度达到数百米/秒以上,目前正在发展中质量高马赫数，1000米/秒电磁线圈发射技术”。又一次证实了马伟明院士说的“要领先就领先美国”。
据《南华早报》报道，负责线圈炮项目的研究工作的海军工程大学关晓存教授指出："这种大炮可以彻底改变战争的进行方式，对敌方目标进行更快、更准确和更具破坏性的打击。"
二、电磁轨道炮初速高、威力大，“烧蚀”难跨越
目前电磁炮主要以轨道炮为主，具有初速高、射程远、威力大、成本低、持续打击能力强等诸多优势。
电磁轨道炮依靠两侧轨道的驱动电流产生巨大磁场，同时限定炮弹前进的路线，来推动炮弹进行加速，最终在出膛时获得超高的速度和动能。
“烧蚀”就成为了很多国家轨道式电磁发射技术难以跨越的一个门槛。由于发射需要兆安级别的电流通过，弹丸以每秒千米级速度划过导轨，射速度已接近接触式发射的极限，导轨被电弧烧伤严重。
据美军公布出来的信息，发射几十次就要更换导轨，美军已经解决了电源问题但导轨问题却一直没有解决，最终于2021年下马！受制于材料、工艺等，目前轨道式电磁发射的发射速度难以进一步提高。
三、线圈炮：可大质量载荷“中速”发射
与轨道式电磁发射装置相比，线圈式电磁发射原理更加简单，由于是非接触式发射方式，理论上具有更高的发射末速度。线圈炮具有结构简单、可发射大质量载荷、电枢与发射器之间无摩擦等优点，具有非常广阔的应用前景。
电磁线圈炮是通过高压电容器对驱动线圈逐级放电产生脉冲电磁行波，驱动弹丸进行电磁悬浮发射的技术，如电磁线圈炮、电磁重接炮等。
线圈炮又分为磁阻炮和感应炮；磁阻线圈炮门槛相对比较低，磁阻炮有个问题，中间弹丸的铁磁材料很容易磁通饱和而无法再提高速度，因此感应炮就应运而生了。
电磁线圈感应炮的基本原理是交流电升压、整流后变为直流电对电容充电，到达指定电压后，放电晶闸管控制放电回路导通，此时电容瞬间释放的大脉冲电流流经加载线圈形成脉冲磁场，变化的磁感线穿过感应线圈产生变化的磁通量，使感应线圈中产生与加载线圈同轴反向的涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生安培电磁力发射炮弹。
电磁线圈感应炮由发射系统（多级按序排列的发射线圈、发射负载和相应的供电）、控制系统、瞄准系统等组成，发射系统为炮体的主要结构，用于安放加载线圈实现对炮弹的电磁加载，同时在平行炮筒轴线上安放红外激光瞄准系统；控制系统用于对储能电容充电后对加载线圈输出大脉冲电流，控制系统主体安装在电气柜中。
大口径电磁线圈炮体积巨大，为了能够满足其能源需求和设备需求有许多技术瓶颈需要克服，比如其所需要的抗高温材料、抗电腐蚀材料，能快速充放电的大电容，各种抗强电流、高电压的电子元器件的制造等。
海军工程大学于2017年首次设立电磁发射工程专业，在发射装置、储能、电枢、超高速弹丸方面开展了全面深入的研究。
四、我国电磁线圈发射技术突破
1）提供足够电能突破储能技术
电磁发射武器在低电流时其实没啥用，只有在兆安级电流产生的洛伦兹力驱动速度才能达到预期的结果，但在这种模式下，对电源的要求极高，储能是电磁发射系统的能量源泉。
为满足直线电机在短距加速过程中需要的瞬时大电流，需通过中高压大容量电力电子变换技术将储能输出的直流电调制成频率和幅值协调变换的交流电，从而实现直线电机加速所需的瞬时功率。
海军工程大学提出了直流可控并联、多相混合多电平逆变、分布式切换供电的脉冲大功率电能变换系统方案，解决了电磁弹射系统能量源共享、多具弹射器相互隔离和超大功率长初级直线电机供电的难题，成功研制出数百MV·A级电能变换系统，具有高功率密度、高可靠性的特点。
2）保证发射系统稳定，脉冲直线电机技术
直线电机是电磁发射系统的核心执行机构，电磁线圈发射器是特殊的圆筒型直线感应电机，取消了铁心和绕组槽结构以削弱磁饱和及齿谐波，从而提高能效，采用高压电容器驱动而不是多相交流电，以尽可能地提升单位长度的出力。
由于发射线圈通电时机与发射负载相对位置有较精确的关系，随着负载速度的提高，对发射负载位置的准确检测、对发射线圈开通时机的把握以及对大功率电流供电品质控制等成为制约线圈式电磁发射装置进一步提升发射末速度的主要技术难题。
为突破适用于高初速发射的电磁线圈发射器的关键技术，西北机电工程研究所与华中科技大学合作，研制了口径为120mm、长度为2.5m的电磁线圈发射装置。
海军工程大学提出了直线感应电机多目标约束下弹射轨迹精确控制方法，研制出综合控制系统，从完成多种作战任务的角度实现各电磁发射系统协调运行。保证多种电磁发射系统高效协同工作，研究综合控制系统，从完成多种作战任务的角度实现各电磁发射系统协调运行。
3）制导技术射程精度仍需提高
相对于传统化学能发射，电磁轨道炮发射环境更为复杂，呈现出多物理场强耦合、发射过载量级大以及过载持续时间长（10ms）的新特点。常规导弹一般过载较小，且导航器件体积较大，无法直接应用到电磁发射领域。
所以现在各国使用的电磁炮弹完全就是一个实心金属弹丸，无需另外增加多余的电子设备，因此可以承受极高的速度。
轨道式电磁炮发射时炮膛环境非常极端，难以安装制导设备，并且弹丸质量上限受到限制，而线圈炮可以使用常规圆柱体炮弹，因此非常适合设计成制导炮弹类型。
海军工程大学依据器件工作环境及可靠性提出了无缆化、综合集成和功能复用的研制思路，将传统的多型部件进行集成化设计，使得制导器件的线缆减少90%、器件抗高过载能力提升50%。
后期再进行小型化和抗高过载能力设计，器部件小型化耐冲击设计、高过载组合导航和超高速制导控制等还有很多技术难题需要突破。
电磁发射技术是人类运用能量的又一次飞跃，必将成为未来发射方式的必然趋势，近些年来，我国在电磁技术已形成外溢趋势，接连在电磁弹射与电磁炮等推出新式电磁技术创新，未来将在军事民用航天航空等领域产生深远的影响。
[1]线圈式电磁炮放电回路参数研究，张铭豪、曹增强、郑国、袁昕宇、李想、杜蒙，火炮发射与控制学报
[2]舰用电磁发射技术研究综述，腾腾、谭大力、王擎宇、张晓谓，舰船科学技术
[3]车载电磁炮的设计与实现，曹靖伟、张珂、毛桂平、蔡冬如、张鹏
[4]电磁发射技术的研究现状与挑战，马伟明鲁军勇，DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230470，电工技术学报
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