第一节 动能武器 一、墓本原理及现状

动能武器主要是利用电磁能发射高密度合金（如钨合金或钥合金）弹丸的电磁炮（枪）。

迄今为止，用于军事目的的发射能源，基本有三类，即机械能、化学能和电能。原始的利用机械能抛射物体的速度，充其量为每秒几十米，利用化学能可以将质量为几千克的弹丸加速到 1800m/S 左右的炮口速度，这己接近化学能发射弹丸的速度的极限（不包括采用火箭推进技术），然而，随着科学技术的不断发展·利用火药的化学能发射弹丸所能获得的速度，远远不能适应目前乃至未来反装甲目标、防空以及拦截高速导弹技术的发展的需要。因此，几十年前，美国、前苏联等国家就开始研究利用电能发射超高速弹丸。近几十年来，尤其是近十几年来，人们在探索利用电能加速弹丸，获得超高速方面，作了许多有益的尝试。从理论和实践方面开展了许多研究工作。从目前进展来看，发展比较迅速，技术上相对比较成熟，接近武器系统可以应用的，大体上有 3 种类型。

1.电磁炮（EMG）

这是基于电磁力推进加速弹丸的。从结构上看，主要有电磁轨道炮、同轴线圈炮、电热炮以及电热—化学炮。

电磁炮的工作原理是，它由两条连接着大电流（MA）源的固定平行导轨和一个沿导轨轴线可滑动的电枢构成。当电源开关接通时，电流由一条导轨流径电枢，由另一条导轨反向流回，而构成团合回路。强大电流经两条平行导轨时，在导轨之间产生强大的磁场。这个磁场与流径电枢的电流相互作用的结果产生洛仑兹力，该力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而使弹丸获得超高速。

其加速力的表达式为

F = 1 L' I²

2

式 中 F——洛仑兹力（N）；

L’——轨道的电感梯度（H/m）； I——电流强度（A）。

加速度 a 的表达式为：

速度 V 的表达式为：

α =   1 L' I ²

2m

ν = (1 4m)L'I²T

式中 m——电枢与被加速弹丸质量之和； T——电流脉冲宽度。

由此可见，电枢与弹丸所受的加速力与电流平方成正比。要想获得弹丸的超高速，必须要供给轨道强大的电流。通常该电流的数值在兆安数量级， 而电流的脉冲宽度约毫秒数量级。

由基本原理可知，电枢是电磁轨道发射器或电磁轨道炮的关键部件之一。它承受着发射时强脉冲电流和全部加速力。目前研究表明，金属电枢在低速时（4kn1/s 以下）性能优良，这是由于电枢在加速运动时要与导轨产生摩擦而发热，速度不宜过高；等离子体电枢则相反，速度高时，效率也高， 但它对炮尾附近轨道烧蚀相当严重。因此，根据需要有时把二者结合起来使用。

电磁轨道炮在强脉冲电流的作用下，其加速度可达几万至几兆 g，故只需要较短的导轨就可获得超高速，其结构亦较简单，适用范围较广。例如， 可用于天基战略反导，发射质量为 1～10g 的弹丸，使其速度达到 20km/S 以上，以拦截战略导弹；也可以作为地面战术武器用于反装甲和防空等。其缺点是，系统的热效率低，一般约 10％左右，再加上等离子体电枢对导轨的烧蚀，严重地影响其使用寿命。

电磁发射器的工作原理如图 9.1 所示。2.同轴线圈炮

同轴线圈炮，是由环绕于炮膛的一系列固定线圈与环绕于弹丸的弹载运动线圈构成。发射时，依次给固定线圈供电，于是产生的沿身管运动的磁场与弹载线圈被感生电流激励的磁场相耦合，产生加速力，从而加速弹丸运动。

两载流同轴线圈之间的作用力，可表示为：

式中

Ip 弹载线圈内的电流； Id 加速线圈内的电流；

dM 互感梯度。

dZ

F = I

_p·Id

• dM

dZ

1

与轨道式电磁炮相比，在弹丸受力的表达式中，轨道式电磁炮中的 2 L'

值，一般为 0.25μH/m 左右，而同轴线圈电磁炮中的 dM 的峰值可达 30uH/m

dZ

左右。在供电电流一定的条件下，后者的加速力约为前者的 100 倍。

同轴线圈炮，由于弹丸不与炮膛直接接触，是靠磁悬浮力而悬浮运动的， 而且加速力施加于整个弹丸的长度上，因而能量利用率较高，一般可达 50

％，并且不存在兆安级的脉冲电流，开关装置也可大大简化。但是，同轴线圈炮的基本原理是，以两载流线圈所产生的磁场相互作用而使弹丸加速的。相当于两个磁体间的相互作用，既可以相斥，也可以相吸，故既可使弹丸加速，也可使其减速。因此，必须保证使驱动线圈产生的磁场与弹载线圈的运动位置精确同步，这给设计者在技术上带来相当大的难度。

一般来说，与规道炮相比同轴线圈炮适用于发射初速较低、口径与质量较大的弹丸，如加榴炮弹，也可以用来发射鱼雷、导弹或弹射飞行器等。

同轴线圈炮的结构原理如图 9.2 所示。3.电热炮

电热炮与电磁炮的本质区别是能量转换过程不同，电热炮是将电能先转换成热能，然后再转换为弹丸的动能。其原理与电热过程如图 9.3 所示，其中（a）是电热炮原理示意图，（b）是电热过程示意图。

电热过程，是由外部电源提供电能，通过连接毛细管的阳极与阴极的导线（熔丝）被引人毛细管中。高电压、强电流流经两电极间的熔丝时，产生电弧放电形成等离子体。同时，等离子体通过烧蚀包围在周围的聚乙烯壁得以补充。该等离子体射流从阴极上的喷孔再注入含有工质（可以是固体、液体、气体或混合物）的燃烧室中，使工质汽化、电离，产生强大的热压力， 从而使输入的电能转化为热能，对弹丸作功。

从电热炮的工作原理和电热过程来看，电热炮与传统火炮工作原理较为接近。只是“点火”能量由外电源提供。电弧放电所产生的等离子体，使工质分解、汽化以至电离。因此，热压力的形成，既有等离子体，也有中性气体，而要产生等离子体，就必须在瞬间输入强大的电流，造成相当高的环境温度。其次，从理论上说，电热炮的燃烧过程，完全由生成和维持等离子体的电功率输入来控制，在给定的工质条件下，可以通过调整电功率输入，来获得恒定的弹底压力，以控制最佳的弹丸出膛速度，另外，电热炮使用的工质，要求相对分子质量必须很小。

由于电热炮的工作条件，例如压力、温度比传统火炮更为恶劣，电热炮对材料的要求更高，要求材料具有相当高的耐高温、耐烧蚀性能。

4.电热一化学炮

电热一化学炮的发射能源是电能和化学能的混合物。两种能源的分配， 根据弹丸所要求的动能而定。目前，如果要求弹丸具有 9～15MJ 的动能，其初速为 2500～3000m/S，那么需要电能约为 20％左右，其余 80％的发射能量由火药的化学能提供。这样可以大大减小所需电源的体积与质量，以利于武器系统的总体设计。

电热—化学炮的工作原理，实际上是把电热炮与传统的火药火炮有机地结合起来。利用电热炮所产生的高温等离子体，使固体或液体火药燃烧，释放出化学能，而转换为热能，利用气体所产生的热压力推进弹丸加速运动。由于火药是依靠高温等离子体引燃而燃烧的，故其热力学特性必然与常规条件下的火药燃烧规律不同，并且要复杂得多。近十年来，国内外对电热一化学炮进行了深入研究。