簡析電磁發射技術的原理，發展現狀及應用前景

摘 要：本文闡明了電磁發射技術的相關原理和類別，并分析了電磁發射技術發展現狀，應用領域及前景。

關鍵詞：電磁發射技術；電磁軌道炮

1 緒論

所謂電磁發射技術是不同于傳統發射技術（如火箭，火炮）的一種新概念動能發射技術。隨著人類的發展，傳統的化學發射器已經不能滿足人類對更高速度，更高效率的追求。常規的化學火炮由于原理上的限制，發射物的所能達到最大速度超不過發射藥燃氣的速度。在從古到今經歷了幾百年的發展后已經接近了理論極限。而火箭這種發射方式不僅昂貴，而且技術方面還有很多不足。正是在這種狀況下滋生了電磁發射技術。它利用電磁力做功，將電能轉化為發射物的動能。同常規發射技術相比具有其無可比擬的優勢。由于不存在化學發射器原理上極限速度的限制，在不計材料等其他因素的情況下，理論上可以將負載加速至接近光速。

2 三種發射裝置的概述

電磁發射器可以有很多種分類方式，如果以原理和結構上的區別分類，習慣上大致可以分為三大類：線圈型，軌道型還有重接型。

軌道型電磁發射裝置：也就是科幻電影中經常出現的軌道炮，實質上是一個單匝直流電動機。簡單的磁軌炮主要由一對相互平行的導體軌道，可以在導軌間自由滑動的導體電樞（這里的電樞，實際上是引用了電動機中的名詞）以及電源組成。通電后，脈沖電流從其中一個導軌流入，經過電樞，再從另一個導軌流出。電流流經導軌在兩條導軌間產生豎直方向上的磁場，電樞在磁場中收到安培力（微觀上解釋為洛倫茲力）而被加速。由于電樞和導軌的直接接觸在超高速時會對導軌產生嚴重的磨損和燒蝕，所以在這種情況下經常采用等離子體電樞。也是由于燒蝕，發射物質量不宜過大，這也限制了它發射大質量物體的能力。

以目前的研究成果來看，目前軌道型的研究較其他兩種形式的裝置更為成熟，已經可以投入使用。而其他兩種現在尚處于試驗階段，所以本文主要寫軌道型電磁發射裝置。軌道型相比于其他兩種形式的裝置更適合將較小質量的負載加速到較高速度，而線圈型和重接型可以發射大質量彈丸。

3 電磁發射器的發展

最早在1845年，Chars Wheastone利用了直線電動機原理首先將導體棒發射至幾十米遠的距離。50多年后，電磁炮這個名稱概念才被提出并進行實驗。1901年Birkeland首先得到了電炮專利，并將0.5kg的負載以0.05km/s的初速發射出去，這個模型后來還在博物館被展出。在此后電發射技術還曾引起丘吉爾的關注。一直到二戰開始前，電磁發射技術相關專利已經有幾十個。二戰期間，軸心國也曾研究過電磁炮。二戰結束后，電磁發射技術經歷了一段時間的發展，此期間諸如Los Alamos實驗室，米爾薩普斯、馬歇爾、布拉斯特等人都取得了一定的研究成果。但隨后在20世紀中期，一些研究人員認為電樞與軌道間的摩擦以及電弧會對導軌造成損壞，從而得出電磁炮沒有發展前途的結論。這使得電磁發射技術的研究一度十分低迷，這項技術陷入了一個瓶頸期。但澳大利亞以及其他的一些科學家不這么認為，在重重阻力下仍堅持不懈地研究，也取得了一些成果。隨后美國的Sawle同Brast用軌道炮將0.031g的負載以6000m/s的初速度發射。它證明了電磁發射器可以將彈丸加速到較高速度，同時也重新掀起了電磁發射器研究之熱。隨后澳大利亞的馬歇爾通過將0.003kgPC以約6000m/s發射的重大成果證明了電磁發射器可以將相對較大質量彈丸加速至較高速度。這也成為了電磁發射技術發展史上的一個里程碑，從此美、蘇、澳、英、法、日、中、以、德等十幾個國家紛紛開始加大投入進行研究，但美國仍處于領先。

4 電磁發射技術的應用前景

4.1 飛機的彈射裝置

飛機想要在較短的跑道下實現短距離起飛，就必須借助一些輔助裝置。尤其是在航空母艦上，現有的蒸汽彈射器結構復雜，體積龐大。如果換做電磁彈射器，體積可以減小許多，還可以實現彈射力度精準控制。目前。美國的福特號航母采用的就是電磁彈射裝置。

4.2 發射火箭、飛船、衛星

傳統化學火箭昂貴且笨重，需要攜帶大量燃料因而效率低下。未來也許可以利用電磁發射技術從地面直接發射飛船或衛星，或者代替第一級火箭，為火箭發射提供初速度，可以極大的減少火箭燃料攜帶量，提高效率降低成本。

4.3 星際航行

幾乎沒有任何阻礙的太空是電磁發射裝置大顯身手的好地方，若以某個初速度發射物體，這個速度幾乎可以一直保持下去。

4.4 科學研究

電磁發射技術可以方便地為實驗室提供超高的速度，以便對目前比不可能達到的速度進行研究。可以進行高壓、沖擊物理實驗、研究材料的狀態方程等。

4.5 武器

前面提到的許多電磁發射技術相關研究都是圍繞電磁炮作為一種武器展開的。電磁炮將來幾乎可以代替常規火炮，平均發射成本僅為常規火炮的百分之一。也許未來戰爭中，小到單兵的電磁步槍，大到天基武器都可以見到電磁發射技術的身影。

5 結語

近幾年，電磁發射技術的優點不斷顯現，技術不斷取得突破，中國科學院院士馬偉明院士曾表示，由于電磁能發射具有更快、更強、更遠、更高效的特性，電磁發射技術，將在10年左右取代化學能，給我們人類提供更安全、更快捷的技術。

參考文獻：

[1]王瑩，肖峰.電炮原理[M].北京：國防工業出版社，1995.

[2][美]理查德.埃斯特里.馬歇爾，[中]王瑩.電磁軌道炮的科學與技術.兵器工業出版社，2006.

作者簡介：曹鶴舉（2002-），漢族，河北秦皇島市第一中學高二年級。