中國線圈炮，怎么把124公斤炮彈，0.05秒加速到700公里/小時的？

出品|網易新聞

導語：據《南華早報》報道，近期，在首次發射測試中，我國新型線圈電磁炮將一枚124公斤的炮彈在不到0.05秒的時間內加速到700公里/小時的速度，其炮口動能達到了2.3441358e+6焦耳。線圈炮究竟是什么技術？

南華早報關于大口徑線圈電磁炮的報道

一、“要領先就領先美國”我國大口徑電磁線圈炮的技術突破

追求更大的發射動力和炮彈的發射速度一直是各國關注研究電磁炮的重點，軌道炮、線圈炮是主流技術。

央視軍事微博關于電磁炮的報道截圖

在同軸線圈電磁推進領域，美國不間斷地進行了近 40 年的基礎和關鍵技術研究，目前已經進入原理樣機試制階段。美國國防部預先研究計劃局正在研制“未來戰斗系統”車載式非直瞄電磁線圈迫擊炮，目標是將120毫米的迫擊炮彈加速到420米／秒，目前已經進入原理樣機試制階段。

這次我國實驗的線圈炮使用的124公斤(273磅)炮彈是已知最重的炮彈。雖然目前這種武器的確切尺寸和最大射程仍然是保密的，如此重量以及高速的彈丸已經可以命中數公里外的目標。即使內部沒有裝填炸藥，在落地時依舊如隕石墜落一般殺傷力巨大，一顆100公斤的電磁動能炮彈就可以完全消滅1000平方米（比2個籃球場略大）內的所有有生目標，絕對是次時代的大殺器！

今年8月的《電工技術學報》，我國“電磁彈射之父”馬偉明院士還有他的海軍工程大學團隊，發表了題為《電磁發射技術中的現狀與挑戰》的文章，也印證了這項大口徑電磁線圈炮的技術突破，文中正式宣布：“海軍工程大學攻克了大口徑高磁密線圈設計制造技術、緊湊型脈沖電源技術等一系列難題，實現了百公斤級一體化電磁彈出口速度達到數百米/秒以上,目前正在發展中質量高馬赫數，1000米/秒電磁線圈發射技術”。又一次證實了馬偉明院士說的“要領先就領先美國”。

據《南華早報》報道，負責線圈炮項目的研究工作的海軍工程大學關曉存教授指出："這種大炮可以徹底改變戰爭的進行方式，對敵方目標進行更快、更準確和更具破壞性的打擊。"

二、電磁軌道炮初速高、威力大，“燒蝕”難跨越

目前電磁炮主要以軌道炮為主，具有初速高、射程遠、威力大、成本低、持續打擊能力強等諸多優勢。

電磁軌道炮依靠兩側軌道的驅動電流產生巨大磁場，同時限定炮彈前進的路線，來推動炮彈進行加速，最終在出膛時獲得超高的速度和動能。

電磁軌道炮原理和基本構造

“燒蝕”就成為了很多國家軌道式電磁發射技術難以跨越的一個門檻。由于發射需要兆安級別的電流通過，彈丸以每秒千米級速度劃過導軌，射速度已接近接觸式發射的極限，導軌被電弧燒傷嚴重。

據美軍公布出來的信息，發射幾十次就要更換導軌，美軍已經解決了電源問題但導軌問題卻一直沒有解決，最終于2021年下馬！受制于材料、工藝等，目前軌道式電磁發射的發射速度難以進一步提高。

美國關于下馬電磁軌道炮的報道

三、線圈炮：可大質量載荷“中速”發射

與軌道式電磁發射裝置相比，線圈式電磁發射原理更加簡單，由于是非接觸式發射方式，理論上具有更高的發射末速度。線圈炮具有結構簡單、可發射大質量載荷、電樞與發射器之間無摩擦等優點，具有非常廣闊的應用前景。

電磁線圈炮是通過高壓電容器對驅動線圈逐級放電產生脈沖電磁行波，驅動彈丸進行電磁懸浮發射的技術，如電磁線圈炮、電磁重接炮等。

線圈炮又分為磁阻炮和感應炮；磁阻線圈炮門檻相對比較低，磁阻炮有個問題，中間彈丸的鐵磁材料很容易磁通飽和而無法再提高速度，因此感應炮就應運而生了。

線圈電磁炮基本原理

電磁線圈感應炮的基本原理是交流電升壓、整流后變為直流電對電容充電，到達指定電壓后，放電晶閘管控制放電回路導通，此時電容瞬間釋放的大脈沖電流流經加載線圈形成脈沖磁場，變化的磁感線穿過感應線圈產生變化的磁通量，使感應線圈中產生與加載線圈同軸反向的渦流，瞬時磁場和渦流相互作用產生安培電磁力發射炮彈。

電磁線圈感應炮由發射系統（多級按序排列的發射線圈、發射負載和相應的供電）、控制系統、瞄準系統等組成，發射系統為炮體的主要結構，用于安放加載線圈實現對炮彈的電磁加載，同時在平行炮筒軸線上安放紅外激光瞄準系統；控制系統用于對儲能電容充電后對加載線圈輸出大脈沖電流，控制系統主體安裝在電氣柜中。

線圈電磁炮結構示意圖

大口徑電磁線圈炮體積巨大，為了能夠滿足其能源需求和設備需求有許多技術瓶頸需要克服，比如其所需要的抗高溫材料、抗電腐蝕材料，能快速充放電的大電容，各種抗強電流、高電壓的電子元器件的制造等。

海軍工程大學于 2017 年首次設立電磁發射工程專業，在發射裝置、儲能、電樞、超高速彈丸方面開展了全面深入的研究。

四、我國電磁線圈發射技術突破

1）提供足夠電能突破儲能技術

電磁發射武器在低電流時其實沒啥用，只有在兆安級電流產生的洛倫茲力驅動速度才能達到預期的結果，但在這種模式下，對電源的要求極高，儲能是電磁發射系統的能量源泉。

為滿足直線電機在短距加速過程中需要的瞬時大電流，需通過中高壓大容量電力電子變換技術將儲能輸出的直流電調制成頻率和幅值協調變換的交流電，從而實現直線電機加速所需的瞬時功率。

官方公開的儲能系統相關畫面

海軍工程大學提出了直流可控并聯、多相混合多電平逆變、分布式切換供電的脈沖大功率電能變換系統方案，解決了電磁彈射系統能量源共享、多具彈射器相互隔離和超大功率長初級直線電機供電的難題 ，成功研制出數百MV·A級電能變換系統，具有高功率密度、高可靠性的特點。

2）保證發射系統穩定，脈沖直線電機技術

直線電機是電磁發射系統的核心執行機構，電磁線圈發射器是特殊的圓筒型直線感應電機，取消了鐵心和繞組槽結構以削弱磁飽和及齒諧波，從而提高能效，采用高壓電容器驅動而不是多相交流電，以盡可能地提升單位長度的出力。

由于發射線圈通電時機與發射負載相對位置有較精確的關系，隨著負載速度的提高，對發射負載位置的準確檢測、對發射線圈開通時機的把握以及對大功率電流供電品質控制等成為制約線圈式電磁發射裝置進一步提升發射末速度的主要技術難題。

華中科技大學研發的超導線圈儲能器

為突破適用于高初速發射的電磁線圈發射器的關鍵技術，西北機電工程研究所與華中科技大學合作，研制了口徑為 120 mm、 長度為 2.5 m 的電磁線圈發射裝置。

海軍工程大學提出了直線感應電機多目標約束下彈射軌跡精確控制方法，研制出綜合控制系統，從完成多種作戰任務的角度實現各電磁發射系統協調運行。保證多種電磁發射系統高效協同工作，研究綜合控制系統，從完成多種作戰任務的角度實現各電磁發射系統協調運行。

3）制導技術射程精度仍需提高

相對于傳統化學能發射，電磁軌道炮發射環境更為復雜，呈現出多物理場強耦合、發射過載量級大以及過載持續時間長（10 ms）的新特點。常規導彈一般過載較小，且導航器件體積較大，無法直接應用到電磁發射領域。

所以現在各國使用的電磁炮彈完全就是一個實心金屬彈丸，無需另外增加多余的電子設備，因此可以承受極高的速度。

美軍研制的電磁炮彈，實心金屬結構

軌道式電磁炮發射時炮膛環境非常極端，難以安裝制導設備，并且彈丸質量上限受到限制，而線圈炮可以使用常規圓柱體炮彈，因此非常適合設計成制導炮彈類型。

海軍工程大學依據器件工作環境及可靠性提出了無纜化、綜合集成和功能復用的研制思路，將傳統的多型部件進行集成化設計，使得制導器件的線纜減少 90%、器件抗高過載能力提升 50%。

后期再進行小型化和抗高過載能力設計，器部件小型化耐沖擊設計、高過載組合導航和超高速制導控制等還有很多技術難題需要突破。

結語：

電磁發射技術是人類運用能量的又一次飛躍，必將成為未來發射方式的必然趨勢，近些年來，我國在電磁技術已形成外溢趨勢，接連在電磁彈射與電磁炮等推出新式電磁技術創新，未來將在軍事民用航天航空等領域產生深遠的影響。

以上文章內容均基于對外公開資料文獻整理編輯，不涉及任何核心機密

參考文獻：

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[3]車載電磁炮的設計與實現，曹靖偉、張珂、毛桂平、蔡冬如、張鵬

[4]電磁發射技術的研究現狀與挑戰，馬偉明 魯軍勇，DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230470，電工技術學報