線圈炮

線圈炮（Coilgun）是一種由一個或多個線圈組成的投射加速器，以同步線性馬達的方式將磁性拋射物加速到極高的速度。這種裝置也被稱為高斯炮（Gauss gun），是為了紀念用數學方法描述電磁加速效應的卡爾·弗里德里希·高斯。

線圈炮由一個或多個沿槍管直線排列的線圈組成，線圈依次開關以確保拋射物得到磁場的充分加速。值得注意的是，線圈炮並不是軌道炮，後者會在軌道上給拋射物通上強大的電流 ，且兩者的原理也不盡相同。第一個實用的線圈槍是由挪威物理學家克里斯蒂安·伯克蘭製造並申請專利。

鑒於線圈炮沒有推進燃料，所以嚴格來說，線圈炮是冷兵器的一種。

基本介紹

• 中文名：線圈炮
• 外文名：coilgun
• 屬性：是電磁炮的一種
• 定義：驅動部分由線圈構成的電磁發射器

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。

Kristian Birkeland，1900

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

線圈炮種類繁多，名稱混亂，因而應對線圈炮進行科學分類，以利於研究和發展線圈炮。從驅動線圈和彈丸線圈間的電關聯分類，線圈炮可分為兩大類：一是兩線圈間的電關聯分類，線圈炮可分為兩大類：一是兩線圈間有直接電聯繫的線圈炮。例如，電刷換向型線圈炮；二是兩線圈無直接電聯繫的線圈炮。例如，感應型和無刷換向型線圈炮。從基本工作原理看，所有線圈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，可把線圈炮分為5類：

（1）兩線圈均為直流，類似導軌炮，此為直流直線電動機型，我們定名為螺旋線圈炮；

（2）彈丸線圈攜帶直流，驅動線圈使用交變電流，此為同步電動機型，我們稱其為直流電樞分立驅動的線圈炮；

（3）驅動線圈用脈衝電流分立激勵，彈丸線圈電流是由此感生的，此為準直線感應電動機型，我們定名為同步感應線圈炮；

（4）驅動線圈使用多相交流產生磁行波，借其滑差速度在彈丸線圈內感生電流，此為直線感應電動機型，通常稱為異步感應線圈炮；

（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。

電刷換向的螺旋線圈炮

螺旋線圈炮的特點有二，一是驅動線圈由長螺線管構成；二是兩種線圈的電流基本是單相直流。

電刷換向的螺旋線圈炮也叫螺旋導軌炮，這是因為它用兩條饋電導軌供電，通過饋電電刷和換向電刷使兩種線圈攜帶相同值的電流。導軌除饋電外，尚有導向電樞（彈丸線圈）的作用。實質上它是由導軌炮拓撲而成的線圈炮，即把導軌和電樞拓撲地繞製成驅動螺線管線圈和彈丸線圈。又因為使用直流，所以電刷換向螺旋導軌炮工作也是基於直流直線電動機原理，是一種直流型線圈炮。依據此原理可做成各種各樣的電刷換向螺旋線圈炮。圖3-8（a）是其中常用的一種，另一種常用的如圖3-10（a）所示。

圖3-8

在圖3-10（a），有三個饋電電刷和三個換向電刷，它們把螺線管驅動線圈分成前後兩個激勵區，彈丸螺線管線圈的電流方向與前激勵區的電流方向相同以產生拉力，與後激勵區的相反以產生推力。實際上，這是一個並聯的電刷換向電路，饋電導軌由電源供電，彈丸線圈和前激勵區串聯作為負載獲得同樣電流，而後激勵區是另一個負載。彈丸線圈中心與前後激勵區中心的距離各約為一個電感長度（l_m），以便獲得最大互感梯度。

圖3-10

無刷螺旋線圈炮

電刷換向的缺點在於滑動接觸和摩擦，這就導致彈丸速度不能有更大的提高，一般認為在3km/s以下。為了克服電刷換向的缺點，出現了無刷的螺旋線圈炮。

無刷螺旋線圈炮的主要特點在於：兩種線圈之間不用電刷換向，無滑動接觸，僅存在磁耦合；使用開關換向同步地控制速度；驅動線圈和彈丸線圈各有自己的電流源，兩種線圈的電流值各不相同，一般彈丸線圈電流比驅動線圈電流小。

1.消磁波線圈炮

消磁波線圈炮是一種壓縮磁場前沿的線圈炮。在消磁波線圈炮中，用於發射彈丸的能量石以磁能方式在發射前儲存在螺線管形的驅動線圈內，驅動線圈便是儲能電感器。彈丸線圈通過導向和饋電的導軌由另一直流電源供電（或直接由超導體攜帶永久電流）。當彈丸線圈進入到螺線管炮尾時，從驅動線圈後沿開始使用換向開關，視彈丸線圈位置同步地快速向前，以消去驅動線圈的電流。由於彈丸線圈電流與剩餘的驅動線圈電流同向，彈丸線圈被吸引著快速向前運動，如圖3-16（a）所示。被消去線圈電流的磁能，一部分轉移到前面已激勵的 螺線管驅動線圈中去，另一部分轉變成用來加速彈丸的動能，還有一部分已其它形式損失掉。

圖3-16

驅動線圈充電時，開關S1閉合，炮工作時，驅動線圈的線匝短路和斷開順序表示在圖3-16（b），驅動線圈和開關的電流表示在圖3-16（c）上。當彈丸線圈進入驅動線圈後朝前運動時，用開關使彈丸線圈前面的第二個驅動線圈短路，同時閉合第二個開關S2，由於攜帶電流的彈丸線圈運動，將在短路的驅動線圈匝內產生一感應電壓，使短路匝的電流減少，同時開關電流將增加到驅動線圈的滿載電流值。當短路匝的電流變為0時，就斷開與這些匝串聯的那個早先已閉合的開關（S1）。然後隨彈丸線圈前進，再閉合S2，再斷開S2，開始下一個循環，這樣周而復始的進行下去，彈丸線圈隨著螺線管驅動線圈後沿各匝磁場的順序消失而前進。

2.外電壓換向的線圈炮

和其它無刷換向的螺旋線圈炮一樣，外電壓換向的線圈炮允許獨立地調節加速磁場和彈丸線圈電流。它雖然具有線圈電流小的優點，但卻增加了複雜性。

雖然這種線圈炮結構大體上和以電刷換向的線圈炮類似，也是長螺線管驅動線圈，但有一定的差別。主要差別在於無電刷和使用外電壓換向，亦即使炮管驅動線圈有限激勵區的前沿匝電流上升和後沿匝電流下降。但此結果是由外電壓產生的，並非由運動感應換向引起。這樣，就對彈丸線圈電流無閥值要求，電流可以小一些，而驅動線圈的磁場強度可以更高。

圖3-17

外電壓換向線圈炮的結構與圖3-8（a）所示的類似，雖無電刷，但有兩個彈丸線圈。炮管線圈的局部激勵藉助於兩個外電源（圖3-17）。開始激勵區（線圈1~6）各線圈內均為滿載電流，如圖3-17（a）所示。其餘線圈的電流均為0.隨著炮管線圈電流激勵區和彈丸線圈移動一個線圈間距，線圈7的電流由0上升至I（滿載），而激勵區後沿的線圈1內的電流由原來的滿載值降至0.也就是說，把一高電壓加到激勵區前沿，使其電流從0上升至I；把一低電壓加到激勵區後沿，使其電流回降至原零值。之所以出現這種現象，是因為在炮管線圈上交錯地外加兩個電壓源，炮管線圈電壓由這兩個電壓源提供，它們工作在不同的電壓水平，把激勵區後面的磁能轉移到前面去，不通過電源就能進行能量傳輸，其中一個是低壓電源G_L，隨激勵區後沿磁場的衰減，它從線圈1吸收功率；另一個是高壓電源G_H，隨著激勵區前沿磁場的上升，它向線圈7提供功率。但是，激勵區後沿的大量磁能量是與後面的線圈2和3相關的，這些能量可直接轉移到線圈5和6，因此線上圈2和3上的電壓升超過線圈5和6的電壓降，這樣致使能量向前轉移。

彈丸線圈加速會死，G_L電源以相反極性的電壓工作，並成為一個能源。從線圈1返回的能量減少了對G_L的輸出要求，但不需要G_L接收能量。結果，在發射期間由兩電源提供的能量恰好等於彈丸動能和炮管線圈的歐姆損失之和。

直流電樞分立驅動的線圈炮

直流電樞分立驅動的線圈炮也是無刷換向的線圈炮。它的顯著特點是：彈丸線圈電流為直流；驅動線圈沿炮管分立或分段，激勵電流為脈衝的；多半用開關換向。這種線圈炮最早是由美國普林斯頓的麻省理工學院提出的，當初從用途角度稱它為“質量驅動器（mass driver）”；我們以其原理和特點，稱它為直流電樞分立驅動的線圈炮。圖3-19是這種炮的一種典型結構圖（剖面圖）。

圖3-19

彈丸線圈可以是一個或多個，也可各個分立，每個可用多匝導體（如鋁）製成。通過其上的饋電電刷與四條導向饋電導軌滑動接觸而從直流電源獲得直流。若用超導體時，用導向板代替導軌，起磁懸浮和導向作用。

根據對彈丸的速度要求，沿炮管分立若干驅動線圈，它們由一個或多個電源饋電，通常用電容器組作為電源。當彈丸線圈到達某驅動線圈附近時，該處感測器發出信號，觸發相應電源的開關，對該驅動線圈放電激勵。這種炮是用開關換向的。這些驅動線圈可以交錯地單相、雙相或多相地排列和激勵。順序、同步地快速觸發開關放電而形成一個前進的“磁行波”，像同步直線電動機那樣帶著彈丸線圈前進。一般，越接近炮口驅動線圈的匝數越少，這是因為越接近炮口彈丸速度越高，要求激勵脈衝電流應有更短的上升前沿，因此只有少匝數構成的低電感才能做到。若使用超導體做驅動線圈，將會提高效率、減小炮體積和簡化電源。

單級脈衝感應線圈炮

彈丸線圈電流為感生（非外電源直接饋給的線圈炮，統稱為感應線圈炮。感應線圈炮是線圈炮中最為重要的一種，因為它相對簡單有效，所以它是最有前途和最有潛力的線圈炮。歷史上曾稱其為“感應加速器”、“感應質量驅動器”，甚至稱其為“無源同軸加速器”。實際上，感應線圈炮只有兩大類：分立驅動線圈的同步脈衝感應線圈炮和連續驅動線圈的異步感應線圈炮。前者又有單級和多級之分。同步脈衝感應線圈炮的彈丸線圈電流是由單相的驅動線圈同步脈衝放電感生的，多級工作時類似直線感應電動機。異步感應線圈炮的驅動線圈是連續的繞組，多相激勵，彈丸線圈藉助滑差速度感生電流，即以純粹的直線感應電動機原理工作。

1.同步感應線圈炮

上世紀60年代中期，由於磁通壓縮、反作用發動機和金屬成形等相繼得到套用，使單級感應線圈炮得以問世和發展。單級感應線圈炮結構極為簡單，一般由儲能電源（如電容器組）、開關、驅動線圈和彈丸線圈（或被驅動環）組成，如圖3-24（a）所示。通常驅動線圈和彈丸線圈是同軸和等直徑的，這是為了保證磁耦合最緊密。當脈衝電流加到驅動線圈時，彈丸線圈交鏈磁通感應出一方向相反的環形電流，此環形電流與兩線圈間的磁場相互作用產生安培力，此力驅動彈丸線圈朝前運動。由於在彈丸線圈內感應的電流與驅動電流反向，所以在脈衝感應線圈炮中只存在推斥方式的驅動力。

圖3-24

多級脈衝感應線圈炮是由多個單級線圈串列而成。每當彈丸線圈到達驅動線圈的適當位置是，使該驅動線圈放電，其磁場在彈丸線圈內變化，以感生電流。驅動線圈是分立的，一般每個驅動線圈各有自己的獨立電源，並由開關同步轉換。彈丸線圈可以是多匝閉合線圈，也可以是金屬套筒（即單匝彈丸線圈）。由於利用同步放電和彈丸線圈內磁通變化感應加速，故稱之為同步感應線圈炮。

2.異步感應線圈炮

異步感應線圈炮的驅動線圈串聯或並聯成多相繞組的連續繞圈形式，由多相（常為三相）電源激勵，產生一個像異步（或感應）電動機旋轉磁場那樣的直線行波磁場，行波速度較彈丸線圈速度快，藉助其滑差速度引起相對運動，在彈丸線圈內感生電流，行波磁場“拉”著彈丸線圈前進。由於彈丸線圈加速需要的速度越來越高，因此應當把整個驅動線圈分成若干段。為了獲得從一段到另一段相速增加的行波，或者增加激勵電源的頻率，或者增大驅動線圈的極距（半波長）。由於彈丸長度相對短，所以過大地增加極距是不實際的，因此沿炮管長度增加諧振頻率較為合適。可以每段使用一固定頻率，僅逐段增頻便可。由此可見，異步感應線圈炮各段的激勵頻率是不同的，故可使用不同頻率的發電機或不同諧振頻率的電容器電路做異步感應線圈炮的電源。

圖3-31

三相驅動的異步感應線圈炮

圖3-31表示異步感應線圈炮的原理。以一定的相位差對驅動線圈多相繞組交流激勵，會像異步感應電動機那樣線上圈附近產生一徑向磁場，此磁場沿炮管近似正弦分布。由於激勵電流隨時間變化，該磁場沿炮管以波（相）速度v_w前進。

磁化彈丸行波炮

用一磁行波場梯度加速已磁化的彈丸，其加速性狀取決於彈丸的磁化方向，並以此決定彈丸是“騎”在磁行波波峰的前面還是後面（圖3-46）

圖3-46

抗磁性材料（銅、鉍、金、鋅、鉛、硫等）的彈丸，其相對磁導率μ<1.在外磁場B0作用下產生的附加磁感應強度B`的方向與B<sub>0</sub>相反，磁化強度M<sub>0</sub>的方向也與B<sub>0</sub>的相反，所以彈丸被行波磁場的峰值推開一定距離；而順磁質材料（錳、鉻、鉑等）彈丸，其相對磁導率μ>1，B`方向與B₀的相同，M₀也與B₀方向相同，所以彈丸被行波磁場的最大值牽拉著走。

磁阻線圈炮

磁阻線圈炮是利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運動來加速鐵芯彈丸的。它與普通線圈炮的不同之處在於：一是彈丸為一整塊鐵磁材料，被加速的不是彈丸線圈或管狀彈丸；二是在炮系統中引入鐵磁材料，雖然這對炮的性能有某些影響，但效率比空心線圈炮高；三是由於鐵磁材料在磁路中出現，將給分析到來非線性問題，因而在確定加速力和繞組電感時，應當使用計算機有限元編碼。

磁阻線圈炮由一系列螺線管驅動線圈和鐵磁材料的磁軛鐵芯組成，如圖3-49所示（圖中僅畫出對稱的一半）。所謂磁阻，是指阻止線圈周圍磁路建立磁通的阻力。顯然，線上圈腔管內放置鐵磁材料能減少磁阻。當鐵芯運動時，環繞線圈的磁路的磁阻將發生變化，於是就對鐵芯彈丸產生了作用力。鐵磁材料的鐵芯比被它取代的空氣有更大的磁導率（μ_p>>1）。當鐵芯行進到線圈中心時，磁通較容易形成和通過，這是因為磁路的空氣隙變小，磁路的磁阻也小，此時對鐵芯的作用力亦最小。當鐵芯從線圈中心移開時，原來拉鐵芯向前的磁力現在變為拉鐵芯向後，因此，當鐵芯到達線圈中心後必須立即採取某些措施以使它不被拉回。應特別注意，鐵芯彈丸僅受拉力，而不受推力作用，它不具備某些線圈炮在適當選擇兩種線圈電流方向時可對彈丸可拉、可推的優點。

圖3-49