感應炮

電磁炮一般分為軌道炮和線圈炮，而線圈炮根據其原理的基礎可劃分出一大類線圈炮——感應類線圈炮（Induction Coilgun）

感應類線圈炮的種類有單級脈衝感應線圈炮、同步感應線圈炮、異步感應線圈炮、包括重接炮等；重接炮是一種特殊的感應線圈炮，這些感應線圈炮的原理都由於楞次定律（Lenz law）而產生。（楞次定律：感應電流的磁場總是阻礙著原電流的磁通量的變化即增反減同）

基本介紹

• 中文名：感應炮
• 外文名：Induction Coilgun
• 全名：感應式線圈炮炮
• 用途：電磁推進
• 效率：可達50%以上

簡介

電磁炮是利用電磁發射技術製成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大炮將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場產生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，與傳統的火藥推動的大炮，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

線圈炮（coilgun）是電磁炮的一種。廣義上講，所有驅動部分由線圈構成的電磁發射器都可稱為線圈炮。

所謂的線圈炮，一般是指使用脈衝或交變電流產生磁行波來驅動帶有線圈的彈丸或磁性材料彈丸的發射裝置，它利用驅動線圈和彈丸線圈間的磁耦合機制工作，本質上是一台直線電動機。

就一般情況而言，最簡單的線圈炮是由兩種線圈構成（圖3-1）：一種是固定的定子，起驅動作用，稱為驅動線圈（d），也可稱炮管線圈；另一種是被驅動的電樞，稱為彈丸線圈（p），其內裝有彈丸或其他發射體。驅動線圈和彈丸線圈的相對位置排列有兩種形式，一種是軸線平行地排列（a），彈丸線圈在驅動線圈上面平行運動；第二種是同軸排列（b），彈丸線圈在驅動線圈內（或外）運動。

歷史

1831年，英國科學法拉第發現了電磁感應現象以後，各國軍事專家深受啟發，隨即考慮利用電磁力發射物體的原理來製造武器。1845年，英國物理學家查爾斯·惠斯通（Chars Wheastone）製造了世界上第一台直線磁阻式電動機，用它把一段金屬棒拋射到20m遠的地方。1895年，美國匹茲堡市市長梅厄（Mayor)獲得第一個直線感應電動機專利。但直線電機和電炮還相去甚遠。第一個明確地提出電磁炮概念並堅持不懈長期試驗的是一位挪威的科學家——奧斯陸(Aslo)大學物理學教授克里斯蒂安·伯克蘭（Kristian Birkeland）。1897~1917年，伯克蘭教授不斷改進和試驗他發明的電炮，並於1901~1903年獲得了三項電炮技術專利。1901年，他製成了第一個電磁線圈炮，並利用該炮把0.5kg重的炮彈加速到50m/s；1903年製成的第二個線圈炮把10kg重的物體加速到了100m/s的速度。這在當時已經是非常了不起的成就。

1912年，法國的埃米爾·巴徹特勒（Emile Bachelet）建造了第一個交流激勵的磁推進裝置。1920年，法國的福瓊-維萊普勒（Fauchon-Villeple`e）發表了《電氣火炮》一文。幾乎同時，美國費城的電炮公司研製了用於火炮的電磁加速器。到二戰前，各種電炮的專利已達45項之多。

二戰末期，德國軍方在希特勒的批准下不斷尋找和積極研製開發各種新式兵器，電磁炮也是其中一項。1944年，亞西姆·漢斯勒博士和邦澤爾總檢測師在馬格德堡的訓練場，對10mm口徑線圈炮進行試驗，但試驗未能成功。後來漢斯勒又進行了多次電磁炮的試驗，主要為軌道炮，在此不作更多說明。隨著德國的戰敗，漢斯勒博士的研究工作也中止了。

1946年，美國威斯汀豪斯電器公司建成一個全尺寸飛機彈射裝置，名叫“電拖”，是一個初級運動的直線感應電動機。而後美國海軍和空軍也做了一些研究工作。但空軍科學研究所經過反覆論證，於1957年得出“電磁發射根本行不通”的結論，使電磁發射器的研究陷入困境。

然而在蘇聯於1958年和1965年進行了大量的電磁炮試驗。1966年，美國內華達大學的溫特伯格教授提出了用磁行波加速超導體的概念。1966年，蘇聯人鮑斯達列夫用1cm長的單級脈衝感應線圈發射器把2g的鋁環加速到5km/s。1972年，NASA提出電刷換向的螺旋線圈炮，而麻省理工學院則研製出第一台類似於同步直流電動機的線圈炮。

原理及分類

感應炮種類繁多，因而對感應炮進行科學分類，以利於研究和發展感應炮。從驅動線圈和彈丸感應間的電關聯分類，感應炮可分為兩大類：一是兩線圈間的電關聯分類，一是兩感應間有直接電聯繫的感應炮。例如，電刷換向型感應炮；二是兩感應無直接電聯繫的感應炮。例如，感應型和無刷換向型感應炮。從基本工作原理看，所有感應炮都按直線電動機原理工作。 依據直線電動機的原理和電物理特性，可把感應炮分為5類：

（1）兩感應均為直流，類似導軌炮，此為直流直線電動機型，我們定名為螺旋感應炮；

（2）彈丸感應攜帶直流，驅動感應使用交變電流，此為同步電動機型，我們稱其為直流電樞分立驅動的感應炮；

（3）驅動感套用脈衝電流分立激勵，彈丸感應電流是由此感生的，此為準直線感應電動機型，我們定名為同步感應感應炮；

（4）驅動感應使用多相交流產生磁行波，借其滑差速度在彈丸感應內感生電流，此為直線感應電動機型，通常稱為異步感應感應炮；

（5）磁行波“拉”著磁化彈丸前進，此為另一種直線同步電動機型，定名為磁化彈丸行波炮。

高壓發射的本質
實際上通過電磁感應定律我們可以了解到要使 感應電動勢 變強那么 磁通量 變化就要越快【 e(t) =-n(dΦ)/(dt)】或者用增加匝數來使驅動線圈有更強的磁場，若不改變電源則前者要降低其阻抗後者要增加阻抗。（前者減少 t 時間 後者增加Φ磁通量 ）這兩種方法都可以獲得更強的感應電動勢.實際上使用高壓的本質，是為了在這種情況下得到更高的 dΦ/dt，由於磁通量與驅動線圈的磁場成正比 所以 也可以說成di/dt 。 在較低阻抗的情況下若出於di/dt的考慮，其實並聯電容的方案也不是什麼壞事 其次就是出於原理考慮。
單級脈衝感應線圈炮
安培力公式 F=dA/dx=i1i2dM/dx
F為加速的安培力、dA 為機械能做功、dx為單元位移、 i1為驅動線圈電流、i2為電樞電流、dM為兩線圈的互感

彈體速度與電流下降區間

彈體（包括電樞在內被線圈炮發射出去的物體）想要獲得構想的速度，那么就要給他一個加速度然後一個加速時間。這兩者都可以使彈體得到更高的速度，但是根據其公式F受 M 兩線圈互感影響，當電樞離開驅動線圈後距離越大。互感係數越低，最直接的影響還會降低感應電流。
由於受距離限制，因此單級脈衝感應線圈炮並沒有多少的加速時間。一般的都是以極端的加速力使彈丸以更高的速度加速出去。這也與前面的di/dt 聯繫起來了。但是這樣遇到一些小質量的發射很容易就會導致電流上升還沒到最大值或者沒一半就脫離互感距離了。或者增加發射質量

我們知道當電流增加的時候電樞上會感應出與驅動線圈電流相反的電流，互相作用下產生向外的安培力。但是當電流下降的時候，電樞則會感應出與驅動線圈電流 方向相同的電流。這時根據前面的判斷，可以得出電樞受向內的安培力。因此 如果電樞在電流進入下降區間的情況下還沒離開一定距離，那么就會受向內的力向驅動線圈運動。適當的並聯電容增加容量則可以適當的延長上升區間和下降區間。 或者降低發射質量
電樞質量
電樞質量它不僅控制了發射質量，它還影響著互感、感應電流。由於處於高di/dt的環境中因此它表面還存在著趨膚效應，若使用質量比較小過薄的電樞，還會引起熱損耗或阻礙感應電流的產生

其實感應式是一種很優秀的電磁炮

除了製作簡單外控制也很簡單只需要電流上升夠快就行了

單級感應式線圈炮的結構非常簡單，一般由儲能電源（及電容組）、開關、驅動線圈和彈丸線線圈（可以是金屬等）組成

驅動線圈最好和彈丸線圈同軸和等直徑，這樣可以保證磁耦合最緊密（效率也就高了）

當脈衝電流通過驅動線圈時，彈丸線圈交鏈磁通感應出一方向相反的電流，此電流與驅動線圈的磁場互相作用產生安培力，然後此力推動彈丸線圈向前運動。（彈丸線圈感應的電流與驅動線圈的電流相反）