电磁炮及其相关材料技术--实验报告

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1、电磁炮及其相关材料技术物理学理论的不断发展与完善，促进了军事能源的不断变革，促进作战兵器的不断更新。枪、炮是作战的主要武器之一。随着作战空间的不断加大，火药对提高炮弹在炮口的发射速度的能力已很有限，很有必要另辟新径。1985年，美国国防科学委员会在装甲/反装甲技术讨论会上就做出结论:“未来的高性能兵器必然以电能为基础。”电磁炮是利用电磁发射技术制成一种先进的杀伤武器，在未来战争中有着广阔的应用前景。本次试验以电磁炮为切入点，通过对电磁炮原理和性能的分析讲解，引出电磁炮广阔的应用前景和发展阻碍，并提出解决相关问题的材料学途径，包括实验

2、用的可控硅开关、超级电容器、超导材料、纳米技术等等，“一个实验，多项技术”是在设计整个试验时的思路。实验目的1、理解电磁炮的组成结构及工作原理；2、熟悉增强电磁炮威力的相关技术手段；3、理解可控硅开关控制电路通断和电容器的原理；4、了解在实用化道路上电磁炮需要解决的诸多材料学难题及其解决方案；5、了解电磁炮的优缺点及其在未来战争中的应用。实验原理1、电磁炮的简介及分类电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击

3、目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。根据加速方式，电磁炮分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮。本次试验重点演示的便是线圈炮。2、基本原理（1）线圈炮图1B沿轴线方向的分布线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位长度的匝数为n，炮筒的内半径为R，螺线管的长度为l。螺线管通入电流i时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的B-x关系如图1，在螺线管中部磁场均匀，端口附近磁场发散。螺线管端口附近p点B的轴向分量为Bx=12nμ0i(1-xR)（1）式中μo为真空磁导率，x为p点坐标。图2

4、线圈炮简单电路图线圈炮的简单电路图如图2所示：220V交流电经过整流器的整流之后变成直流电，K1接通后，电容C开始充电，等到电容充电完成后，断开K1。线圈相当于炮身,在线圈的合适部位装上弹丸，接通K2，在线圈处便会产生一个由脉冲电流产生的强大磁场，如公式（1）所示，磁场会驱动铁制弹丸前进，从而将弹丸发射出去。（2）轨道炮图3导轨炮工作原理导轨炮的工作原理如图3所示，主要由一对平行导轨和夹在其间可移动的电枢及电源、开关等组成。当开关闭合时,向一条导轨输入强大的电流,经过电枢沿另一条导轨流回。载流电枢在导轨电流产生的磁场中受到洛伦兹力的

5、作用而被加速,将弹丸射出。电枢弹丸所受的力可表示为F=L'I22(2)其中F为洛伦兹力(N)、L′为导轨电感梯度(H/m)、I为电流强度(A)。弹丸的加速度则为a=F/m=L'I22m,(3)式中a为加速度(m/s2)、m为电枢与弹丸的质量之和(kg)。由(3)式可见,导轨中的电流强度越大,弹丸的加速度就越大,弹丸的运动速度越快。3、可控硅开关的原理可控硅开关可控硅又叫晶闸管，是晶体闸流管(Thyristor)的简称，俗称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示。图4可控硅原理图如图4所示，可

6、控硅有四层N、P半导体构成，可以把可从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层组成另一只PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间（相当BG1的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1，经放大，BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流IC1。因为BG1集电极与BG2基极相连，IC1又是BG2的基极电流Ib2。BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大，直到BG1、BG2完全导

7、通。实际这一过程是“一触即发”的过程，触发信号加入控制极，可控硅立即导通，时间极短，主要决定于可控硅的性能。可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而是经过BG1、BG2放大后的电流（β1*β2*Ib1）这一电流远大于Ib1，足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断作为一种无触点开关，可控硅开关具有反应极快，在微秒级内开通、关断；无火花、无噪音、效率高、成本低等优点，

8、在本次实验电路的通断中起着重要的作用。4、实验用（超级）电容器电容就是整个电磁炮的动力来源，它决定了电磁炮的规格，但在实验准备时一定要注意电容的选择。电容耐压V的高低是决定电磁炮威力的重要参数，理论上电压越大威力也就越大（指在其他一切