電炮[電磁炮，電熱炮和混合炮三大類]

電炮是全部或部分地利用電能為彈射提供動力的一類新型超高速發射裝置，又稱電（磁）發射器。它包括電磁炮，電熱炮和混合炮三大類。

發展史

電磁炮的發展

早在1845年，CharsWheastone建造了世界第一台直線磁阻電動機，並用其將金屬棒拋射到20m遠的地方。1895年Mayor獲得第一個直線感應電動機專利。此後，德國科學家柯比提出用“電磁推進”製造“電氣炮”的想法。但第一個提出電磁炮概念並進行實驗的是挪威Oslo大學物理學教授Birkeland，他在1901年獲得了“電火炮專利”，並使用直流激勵管狀直線電動機的系列線圈，把500g重的彈丸加速到50m/s；這個實驗模型後來展示在Oslo的科學博物館內。1912年，法國的EmileBachelet建造了一個交流激勵的磁推進裝置，在1914年展出時，曾引起英國首相邱吉爾的興趣。1917年，另一位法國發明者提出利用磁場力發射有翼炮彈的構想。1920年，法國的Fauchon-Villeplee發表了《電氣火炮》一文。幾乎與此同時，美國費城的電炮公司研製了用於火炮的電磁加速器。1937年，美國的航空公司創始人Northrup教授以“AbkadPsendoman”為筆名在《0到80》一書中提及了電磁發射原理。此後，美國普林斯頓大學試試用電磁力發射了載體。直到二戰爆發前，各種電炮的專利已達45項之多。戰爭期間，德國，日本都曾研製過電磁炮。1944年德國的Hansler曾將10g彈丸加速到1.2km/s。1946年美國的威斯汀豪斯電氣公司建成一個全尺寸的飛機彈射裝置，名叫“電拖（Electopult）”。它是一個初級運動的直線感應電動機。爾後，美國海軍和空軍也做了一些研究工作。但是空軍的科學研究所經過反覆論證，於1957年得出“電磁炮根本行不通”的結論，把電磁炮打入冷宮。在此影響下，電磁炮研究一度陷入低潮。可是，那時期澳大利亞和其他一些科學家卻持不同看法，在60年代仍孜孜不倦地研究，並取得了一定的進展。例如，澳大利亞國立大學的Marshall及其同事在改進大電流滑動接觸技術方面，提出了“電漿電弧電樞”概念。美國的Brast和Sawle首先利用電漿電樞把31mg的彈丸加速到6km/s。他們撥亮了即將熄滅的電磁炮研究之“火”。1966年，美國內華達州大學的Winterberg教授提出用磁行波加速超導體的概念。1967年，蘇聯的鮑恩達列托夫用1cm長的單級脈衝感應線圈炮把2g鋁環加速到5km/s。1972年，NASA提出電刷換向的螺旋線圈炮；而麻省理工則研製出第一台類似同步直線電動機的線圈炮。
基於上述的工作成就和脈衝功率技術學科的發展，使電磁炮技術在70年代有了重大突破。1978年澳大利亞國立大學的馬歇爾等公布了其研究成果：用550MJ單機發電機和電漿電樞，在5m長的導軌炮上把3g聚碳酸酯彈丸加速到了5.9km/s的初速。這一重大成就，從實驗上證明了用電磁力可將較重的彈丸推進到高速的可能性，為電磁炮的發展作出了開拓性的貢獻。從此，電磁炮的研製工作開始邁入了新階段。
馬歇爾等人的劃時代性成就，使世界各國的科學家受到極大鼓舞和啟發，同時引起各國軍方的濃厚興趣，於是紛紛投入大量財力人力對電磁炮進行研究，並建立了不少電磁炮實驗室。美國、前蘇聯、澳大利亞、英國、法國、中國、日本等十幾個國家，目前美國處於領先地位。
1978年，為了評估電磁炮技術及其套用潛力，在美國陸軍裝備研究發展中心的倡議下，成立了有關電磁炮研究的國家諮詢委員會和技術學部。國防高級研究計畫所（DARPA）成為各大學和公司電磁炮研究的主要支持者

電熱炮的發展

電熱炮的研製早在1945年始於德國，設計者O.Muck，他是實際研製電熱炮的第一人，他在此之前曾從事線圈炮和導軌炮的研製工作。1956年，美國通用動力公司的Yoler設計出一種多級加速結構的電熱炮，可不斷加速膛內彈丸。同年，一位名叫Bloxsom的人設計出另一種電熱炮，並申請了專利和發表了論文，他採用電弧加熱氦氣的方案，把直徑3mm的尼龍環加速到2.99km/s。1960年，美國國防部發表了《電弧炮的研究報告》，並且由空軍飛彈局組織實施研製；在這種炮的藥室內裝有充作“發射藥”的氫化鋰，用已充電的電容器組向藥室放電，結果把10mg的尼龍彈丸加速到4.9km/s。儘管以上的工作曾為電熱炮的發展和研製工作作出了一定的貢獻，但是由於當時的脈衝功率技術和其他相關學科水平的限制，以及人們急功近利地偏愛導軌炮，總希望完全脫離化學火炮的工作模式，從而冷落了電熱炮的研究。直到前蘇聯、美國、前西德和以色列等在研究導軌炮和線圈炮的同時，從對比中發現了電熱炮的實用性。此後，人們再次對電熱炮熱衷起來，並在技術上有了重大突破，使電熱炮的發展在80年代得到轉機。
當初蘇聯曾在其FST-2坦克上實驗了135mm口徑的電熱炮，據稱初速已經達到2.5km/s，有可能在90年代電熱炮先於導軌炮或線圈炮裝備在類似FST坦克上。

美國當然也不甘落後，對電熱炮的研製加快了步伐。有代表性的研製單位是通用動力公司和食品機械（FMC）公司，它們于軍方簽訂契約研製一種間熱式電熱炮，稱作燃燒增強電漿（CAP）炮，實際上是一種電熱化學（ETC）炮。CAP炮用放電產生的高壓、高溫電漿加熱、離解焓能較高的工作流體，從而提高“發射藥”的能級。此外，美國與以色列合作研製另一類間熱式電熱炮——固體推進劑電熱化學炮，即固體工質CAP炮 ，這種炮是藉助高溫電漿加熱固體發射藥以提高能量水平的，他們在60mm炮上裝M30粒狀發射藥進行電加熱實驗，炮口動能提高了25%；1989年，美國通用動力公司在綠色農場（Green Farm）試驗場上首次進行了電熱炮的實彈射擊實驗，並把電熱炮列入美國國防部關鍵技術技術計畫中。該計畫準備於1995財年製造和使用155mm的電熱炮，直接作為戰術武器，供陸軍作為延伸射程的反裝甲武器，對付敵人的下一代坦克；海軍把它裝在水面艦艇上，用以攔截和摧毀15km以外的現有和未來的飛彈武器系統；空軍把電熱炮用於諸如A10等近距離的空中支援飛機上，以毀傷地面遠至5km的裝甲車。據英國《海上防務》（1993年7~8月）報導，美國FMC公司海軍系統分部5月份成功地在火炮試驗場進行了電熱—化學炮速射演示。
以色列的核研究機構早已在研究電熱炮。他們在現有常規火炮的炮閂和炮管的內壁塗上一層絕緣材料（如聚四氟乙烯等），用已充電的電容器向炮管放電，在彈丸後面形成聚四氟乙烯材料的高溫電漿，同時向彈丸後的炮管注入石蠟和水，用電漿加熱這些物質以產生氫，氫氣同時被電漿加熱而膨脹，進而推動彈丸前進。目前，這種特殊的電炮，已經能把彈丸加速到4km/s（1995年）

中國科學院合肥電漿物理研究所，1988年研製了一台電漿箍縮型電熱炮，作為該所導軌炮的前級注入炮使用。此電熱炮系用大電流加熱後膛的鋁箔，使其電爆炸產生電漿，藉助電漿的箍縮效應，把30g的彈丸加速到570m/s；當在後膛再填加800mg速燃火藥時，將50g彈丸加速到700m/s。。中國工程物理研究院流體物理研究所1991年製作了一門液體工質間熱式電熱炮，即液體工質的CAP炮，炮口徑為23mm，已把20g彈丸加速到1850m/s；這門CAP炮的工作流體是過氧化氫等輕工質，用塑膠袋封裝後置入燃燒室的，電源為充電的電容器組。

交流組織

為了促進電炮理論的提高和工程技術的發展，由美國陸軍軍備研究和發展司令部（ARRADCOM）以及國防高級研究規劃局主辦，於1980年開始召開了第一屆電磁發射技術討論會，決定以後每隔2~3年召開一次，並允許其他有關國家參加，具有一定的國際性質。在第二屆會議上，決定開始設定以已故的彼得馬克（Peter Mark）教授命名的“彼得馬克勳章”，授予對電炮技術和理論發展有傑出貢獻的人。至1995年已召開了6次這樣的會議。

效仿美國，歐洲為了推動電磁發射技術的進步，也建立了“歐洲電磁發射技術討論會”制度。第一屆會議於1988年在荷蘭的德爾夫特召開，第二屆會議於1989年9月在法國的聖路易斯舉行，第三屆會議在英國倫敦於1991年4月由Rared主持召開。今後將繼續開下去。

分類

電炮的分類
在脈衝功率技術中，電炮可謂後起之秀。電炮技術設計許多學科理論，諸如電學、磁學、電漿物理、工程力學、化學、材料學、量子力學、計算物理、固體物理、核物理和流體力學等。電炮技術又是多學科的交叉滲透，並非是簡單的機-電一體化的混合體。因此現在和未來必然產生一些新的機-電構型問題和一些混亂的術語問題。隨著電炮技術的成就，用一些較準確的術語從實質上對各種電炮的發射概念進行分類十分必要。1987年，Weldon在“非導軌型電磁加速器討論會”上僅對電磁炮進行了本質分類，他以電樞的激勵、定子場控制和工作方式把電磁炮分為導軌型和線圈型。他沒考慮電熱炮的參與，這顯然是不完整的。由於電熱炮已經成為電炮家族的重點要成員，必須對電炮有一個新的系統的科學分類。
電炮的分類方法有很多種，諸如以炮的形式、電源性質（阻抗或交直流）、射彈與炮管有無接觸、射彈受力部分（彈底還是沿長度）、加速度比高還是低、循環功率的高低等方面分類。但最能體現實質的應從工作原理分類，在工作原理相同的情況下，按工作方式分類。據此，我們把電炮分為：
電炮：電磁炮（導軌炮、線圈炮、重接炮）
電熱炮（直熱式/純電熱炮、間熱式/電熱-化學炮）
混合炮（形體混合炮、原理混合炮）
就目前水平而言，電磁炮、電熱炮和混合電炮分別包括以下炮種——
1.導軌炮包括：簡單導軌炮；分散饋電（分散儲能、分散電流）導軌炮；串聯增強（層疊式、平面式和保護板式）型導軌炮；外場增強（常規導體和超導體）型導軌炮；炮口分流型導軌炮；多軌（原口徑和方口徑）型導軌炮；保護板增強型導軌炮；；超導懸浮電樞型導軌炮；同軸軌型導軌炮；以及多相型導軌炮等。
2.線圈炮包括：電刷換向的螺旋線圈炮；無刷螺旋線圈炮；直流電樞分立驅動（單相和雙相）型線圈炮；單級脈衝感應型線圈炮；同步感應型線圈炮；異步感應型線圈炮；磁化彈丸行波型線圈炮；磁阻線圈炮（目前見到網路上DIY最多的就是這種）等等。
3.重接炮包括：板狀彈丸型重接炮；柱狀彈丸型重接炮。
4.直熱式電熱炮包括：細管側放電型電熱炮；電漿藥筒型電熱炮；電漿箍縮型電熱炮；爆炸導體型電熱炮；側注入電漿型電熱炮等等。
5.間熱式電熱炮包括：電子束電熱炮；隨行電極電熱炮；藥室放電型電熱炮；固體工質CAP（燃燒增強電漿）電熱炮；液體工質CAP電熱炮等等。
6.形體混合電炮包括：電熱-導軌炮；導軌-線圈炮；火炮-導軌炮等多種。
7.原理混合電炮包括：磁通聚集加強炮；“火炮”饋電的導軌炮；電磁火箭炮（導軌式和線圈式）等多種。

原理

導軌炮

導軌炮（railgun）又稱軌道炮 。簡單導軌炮實際上是一個單匝的直流直線電動機，它由一對平行金屬導軌、一個電樞、彈丸（或彈射物）以及高功率脈衝電源G組成。其中電樞位於兩導軌間，由導電物質組成，可以是固態金屬，也可以是電漿，或者是二者的混合體。發射時，將開關S閉合，電流i通過饋電母線、導軌、電樞，最後返回電源形成迴路，在迴路內產生強度為B的磁場。電樞電流與磁場相互作用的結果是在電樞上產生安培力（固體電樞）或者洛倫茲力（等離子電樞）。電樞推動彈丸前進。

線圈炮

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

電炮原理圖

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。

兩種線圈結構可以是環形，也可以是矩形或其他形狀的。當驅動線圈帶有電流Id、彈丸線圈攜帶電流Ip時，由經典電磁理論可知，兩線圈電流的磁場與兩線圈的電流相互作用，兩線圈彼此施或者受電磁力。

從研究中可知，線圈炮（乃至導軌炮）都是從普通直線電動機拓撲化而來的。各種線圈炮都可溯源於相應的直線電動機。而直線電動機是由普通旋轉電動機沿徑向切開並拉直而成的，如圖所示。原旋轉電動機的定子現在這裡叫初級，即線圈炮的驅動線圈；原來旋轉的轉子這裡叫次級，即線圈炮的彈丸線圈，故又稱電樞。

套用前景

電炮最有前途的套用是在軍事上 ，並且近來人們的興趣集中於戰術套用上。各種電炮都可作戰術武器使用。在陸軍，電炮將主要充當自行火炮使用。即使為避免大氣燒蝕而使用4KM/S的初速，電炮也是常規火炮初速的2~3倍。若把40~50mm口徑的電炮安裝在裝甲車上，可作為防空武器使用，其彈丸可以做得小，初速高，能增大攻擊目標的單位面積動能。

在海軍，可以使用小口徑高初速、射速電炮取代小口徑火炮以防空和攔截飛彈，可以極大地增強防衛半徑和殺傷機率。論證認為，海軍用電炮防空和對付掠海飛彈是有效的；艦船本身體積大，載重能力強，比戰車和飛機更加適合安裝電炮。此外，可以使用電炮原理在航母上安裝電磁彈射器，重量僅為蒸汽彈射器的1%。

美國電炮的軍事套用如下：1.戰區彈道飛彈防禦戰術彈道飛彈典型的助推段飛行時間是50～150s。要實現助推段攔截，防禦系統由探測到發射的反應時間一般不應超過10～20s。電炮的一個重要特點是初速快。假定射彈的初速能達到4km/s，射彈飛行30～130s，若大氣阻力和飛行路徑彎曲造成的距離損失因目標飛彈迎著射彈飛行而能得到補償，它大致可攔截120～520km以遠處發射的仍處於助推段的戰術彈道飛彈。助推段反導要採用受控彈頭，需要解決耐衝擊負載、高速末段尋的、破壞機制一系列問題等。美國有這方面的技術儲備，也許在下世紀初能形成助推段反導的電磁炮演示能力。美國陸軍認為，根據聚焦技術計畫，若裝備10輛電磁炮坦克，分散配置，足以覆蓋450000km2的伊拉克領土。它除用於助推段反導外，還可攻擊飛彈發射架之類的地面目標。

在電炮用於戰區反導方面，美國陸軍與以色列也有合作。其中包括租用以色列105mm電熱炮進行外場發射試驗，該炮的射彈質量1.5kg，出口速度2.5km/s。美國陸軍構想將以色列的電熱炮與美國通用電氣公司的D-2射彈結合起來，進一步發展成戰區飛彈防禦武器。

2.低空近程防空電炮用於低空近程防空，可採用導軌炮發射無控射彈或電熱炮發射受控彈頭。攔截的目標包括各種戰術飛彈、無人機、直升機和低空飛行的固定翼飛機。

研究表明，採用無控射彈在命中機率保持不變的前提下，為了增加攔截距離，最有效的途徑是提高射彈初速，而不是增加射彈質量，對出口動能的要求明顯下降。因此，採用無控射彈進行低空近程防空時，一般用初速高的導軌炮和質量小、形體小的重合金長棒形射彈。無控射彈用於低空近程防空，攔截距離不超過5km，射彈初速3～4km/s，射彈質量約100g，一次連射不少於10～20發。

用電熱炮發射質量較大的受控彈頭，攔截高速機動的低空近程目標的研製也已取得進展。美國食品機械與化學公司1993年曾向美海軍水面作戰中心(NSWC)交付了一門口徑60mm的電熱炮，能以200發/min的發射頻率連續發射10發質量為2.75kg的可控炮彈，初速1.4km/s，出口動能約2.7MJ。該炮擬用作艦艇近程防空，攔截高速機動的反艦飛彈。美空軍計畫用該電熱炮裝備A-10那樣的近距支援飛機，以摧毀5km以外的地面裝甲目標。1994年後開始打靶試驗，一組發射5發彈，炮彈飛離炮口後按指令控制飛行，命中機率達到90%。

電炮可能用作坦克主炮、反坦克武器和艦艇的近程防禦武器。美國還在進行用電炮發射衛星和用作艦載飛機起飛的彈射裝置的研究。

在航天領域，不管軍用民用，電炮都有誘人的前景。主要有兩方面套用 。一是空間軌道轉移：把電源和炮體適當地固定，利用發射時的反作用力，把載體太空飛行器移動到目標軌道。二是路基定向發射，即用大型多級電炮直接發射洲際彈道飛彈、衛星、太空梭等。人們認為，使用大型電炮全部或部分地代替火箭至少有兩個好處：（1）電炮發射的是純有效載荷，成本可下降為原來的10%~20%；（2）能極大地縮短加速過程，使敵方來不及攔截。用電磁炮，即使只代替第一級火箭，也會大大提高效費比。特殊形狀的太空飛行器（如太空梭）用線圈炮發射更為有利。

此外，電炮可用於高壓物理實驗，以研究材料的狀態方程，已經金屬的形成和焊接等；還可用電炮發射特高速小彈丸撞擊熱核燃料靶，進行碰撞核聚變實驗；而用線圈炮原理推進的磁懸浮列車，可以實現地面高速運輸。

問世

西方媒體把中國磁流體噴水推進潛艇炒的沸沸揚揚，磁流體噴水推進潛艇的技術是目前世界最先進的潛艇技術，現今只有德國掌握。西方之所以關心中國的磁流體噴水推進潛艇，是因為崛起的新中國海軍正走向大洋，正對他們的海上霸權提出挑戰。然而西方媒體忘記了一件重要的事情，磁流體噴水推進潛艇的主要技術超導技術正在被中國用於超高速電炮的設計。2006年8月，中國軍方在內蒙古炮兵靶場對超高速電炮進行了首次實驗，25公斤的彈丸被發射到250公里以外的預定區域，實驗獲得圓滿成功。目前，中國設計師正在對超高速電炮進行改進，主要是加大彈丸的發射重量，以達到發射50公斤級以上制導炮彈的水平。

中國超高速電炮研究已達17年之久，獲得突破時間在2001年底。2001年5月，北京有色金屬研究總院2001年在京宣布，其承擔的國家“九五”重點科研項目“大面積雙面高溫超導薄膜”通過國家評審驗收。北京有色金屬研究總院是中國唯一將大面積雙面超導薄膜套用於器件的材料研究單位，具有穩定提供一定數量大面積優質雙面薄膜的能力，實現了中國高溫超導薄膜產業化生產。隨即，這項技術被套用於電磁領域，使中國超高速電炮研究突飛猛進。

經過17年的研究和實驗，中國的新概念武器“超高速動能電炮”的研製於2006年進入最後試用階段，即將問世。中國超高速電炮研究，雖起步稍晚，但在其先進的超導技術支持下進展迅速，現在世界一些主要的國家如美、俄等，都在研究這種新概念武器，，中國電磁發射技術並不比先進國家落後，更有可能首先擁有和使用這種超高速動能武器。

意義

可以使彈丸加速到常規火炮難以達到的高速。傳統火炮彈丸在膛內受火藥燃氣壓力作用而加速，其速度不會超過火藥燃氣的滯止聲速Cs（一般≤0.5Cs），就是說常規火炮彈丸存在一個理論上的極限速度。現有火藥燃氣的滯止聲速通常在1.6~3.3km/s，使用新發射藥，降低火藥燃氣分子量能使Cs提高，但是在常規套用中初速也難過2km/s，相當一部分電炮則不受這個條件約束。

在現代技術條件下，若使用電磁發射同樣的有效載荷，其成本僅是化學火箭的1/10左右。除了軍事用途外，電磁發射技術在航天領域可用作地對空的定向發射和純有效載荷，也可在天基推動太空飛行器進行軌道轉移。在交通領域，用電磁發射原理製造電磁列車，使用原鐵路軌道，其成本僅是磁懸浮車的1/4。在工業方面，可用其原理製造電磁抽油機，代替目前油田的機械抽油機，從而大幅提高抽油效率及降低成本。在海軍方面，還可以製造磁流體噴水推進艦船。

電炮有能源簡易、無污染、成本低、效率高、可控性好、性能穩定、後坐力小、發射時無煙霧火光及衝擊波、隱蔽性強等優點，還可在一個多級發射器中同時推進幾個射彈，大大增強戰鬥威力。不僅可發射克級重量的小彈頭，還可發射噸級重量的超級射彈，令打擊威力和穿透力均大大增強。在實驗中，中國電炮已能使能使彈頭在離開炮管時就達到每秒3至50公里的高速和超高速。