第1章电磁炮的发展
电磁炮是利用电磁力发射弹丸的装置。从原理上看，电磁炮的出现是动能武器的一次飞跃。
电磁炮的基本原理较为简单，学习过高中物理电磁学部分就能够理解。但实现电磁炮的实用化乃至达到先进水平却非常困难。电磁炮问世已经一百多年，经过无数先辈的不懈探索，方才勉强迈过实用的门槛。
电磁炮涵盖范围很广，本书探讨的磁阻炮是它的一个分支。过去，由于从理论上看不到希望，磁阻炮并不受学术界和产业界的重视，处于十分边缘的地位，它的发展主要是由世界各地的电磁炮爱好者推动的。近年来，一些新电路结构和控制策略被发明，磁阻炮的效率相比*初的原型有了数量级的提升，弹丸动能达到警用枪械或运动枪械的水平。同时，磁阻炮在其他方面也存在巨大的优势，并且非常适合小型化。因此，磁阻炮反而成为*有可能实现产业化并引领武器装备换代的电磁炮种类。在磁阻炮突飞猛进的发展过程中，中国电磁炮爱好者做出了卓越的贡献，整体实力达到世界领军水平。
本书将从电磁炮的概念和发展历程开始，对理论进行系统但通俗的梳理，逐步引人磁阻炮的各项关键问题，并将*新的电路拓扑和一些新颖的技术展现给读者。作者希望帮助读者较为轻松地理解磁阻炮，掌握行之有效的设计模式，从而推动磁阻炮的发展。
1.1电磁炮的分类和特点
各类电磁炮的原理都可以用“弹丸电流在外磁场中受到的作用力”来阐释。根据弹丸电流、外磁场的产生方式和相互作用方式的不同，可以组合出多种类型的电磁炮。人们习惯根据结构，把电磁炮分为轨道炮和线圈炮两大类。
轨道炮利用磁场对电流的安培力加速弹丸，它通过两根轨道向弹丸馈电，电流同时在轨道和弹丸上产生磁场。轨道炮主要结构如图1.1所示。轨道炮能够将小质量物体加速到非常高的速度，但是在低速下的电性能较差。
对于图1.1这种**的轨道炮结构，发射时不仅弹丸附近的轨道有电流，弹丸走过的所有位置的轨道上都有相同大小的电流。离弹丸较远的电流几乎不能在弹丸处产生磁场，对加速力几乎没有贡献。理论表明，弹丸上超过99%的磁场都是由距离弹丸4倍口径之内的轨道产生的。但是由于单位长度轨道的电阻是恒定的，所以轨道上大部分地方都白白损耗能量而不加速弹丸。
从电路角度看，轨道炮的轨道和弹丸是串联关系，弹丸受到的推动力与电流大约呈平方关系。在电阻一定时，电阻损耗功率与电流也呈平方关系。这么看来，似乎提高电流既没有好处也没有坏处。然而，提高电流后由于弹丸受力平方级增大，能够更快达到较高的速度，在炮体内停留的时间就变得更短，实际上降低了总的电能损耗。更抽象的说法是，轨道炮的电能损耗是关于时间的积分，而动能是关于加速路程的积分，因此，轨道炮做得越极端，弹丸加速越快，加速路程与时间的比值越大，效率就越高。由于轨道炮需要非常大的电流来产生用于加速的磁场，因此电源内阻的影响非常明显。在储能相对较小，比如几百到几千焦耳的情况下，电源内阻往往占回路电阻的大部分，此时轨道炮的效率将会非常低，甚至出现弹丸一动不动的情况。综合考虑各方面因素后，可以认为只有在规模足够大，并且弹丸出速非常快，如达到千米每秒量级时，轨道炮才较有优势。
线圈炮是指用线圈产生磁场来驱动导体材料弹丸或者铁磁材料弹丸的发射装置。它利用驱动线圈和弹丸间的磁耦合机制工作。线圈炮又分为感应炮、磁阻炮、有刷线圈炮等。
感应炮是一种适合中等速度的电磁炮，其弹丸电流通过电磁感应产生。外部激励对弹丸电流的影响接近于线性，这一点与轨道炮类似。但感应炮的驱动线圈可以绕很多匣，电流远小于轨道炮，电源内阻损耗所占的比例要小得多。在结构上，感应炮还可以只给弹丸附近的线圈通电，从而避免像轨道炮一样浪费电能。
感应炮的弹丸需要包含承载感应电流的导体，但不需要全部是导体。弹丸中承载感应电流的导体（称为电枢）可以驱动沉重的载荷一同加速。电枢存在电阻，通过感应电流时会损耗电能，导致电枢的温度快速升高，甚至发生电枢熔化。加大电枢尺寸或选用铜、银等高电导率材料，电枢的质量增大，能够带动的有效载荷就相对地减小。
感应炮存在反拉问题，会严重影响感应炮在低速小口径下的性能。反拉现象的发生时间和弹丸电流的时间常数有关。可以粗略地认为，线圈电流的半波时间需要小于或约等于弹丸电流的时间常数，才能使反拉的影响可以接受。然而，通常尺寸的弹丸，其时间常数都很小。例如，一个长20mm、外径12mm、壁厚1mm的铜管，假设弹丸中电流分布均匀，其时间常数大约为100叫。也就是说，如果发射这个弹丸时不希望出现明显的反拉，线圈、电源和开关需要共同保证在100^s的时间内放出所需的电能。电解电容很难满足这个要求，所以感应炮通常使用放电速度更快的薄膜电容作为储能装置。感应炮常用的可控硅开关也难以承受巨大的dz/七，往往需要特殊设计。这些都会导致感应炮体积、质量和成本增加，对电磁加速器小型化来说是不利的。
综合这些因素后，感应炮更适用于在几米的路程中把弹丸加速到一两倍音速这样的应用。在加速较缓慢的条件下，效率并不太受加速度的影响。
磁阻炮是目前*适合小型化的线圈炮。与感应炮一样，它也可以利用线圈进行局部激励。不同的是，弹丸上的磁化电流并不会产生焦耳热，因此在低加速度的场合，磁阻炮的效率必然比感应炮高。但是磁阻炮会遇到磁饱和的现象，相当于弹丸电流存在上限。在需要高加速度的时候，即使线圈电流很大，弹丸磁化电流也会被磁饱和所限制，不能相应地增大，效率反而会比感应炮低。从经验上讲，直到104m？s-2的加速度时，磁阻炮都比感应炮有显著的优势；而在105m？s-2以上的加速度时，与感应炮相比磁阻炮有明显劣势。所以，磁阻炮更适合低加速度场合。
不同原理的电磁炮具有各自的特点和适用场合。轨道炮具有出色的高速性能，但负载能力不强，弹丸质量小且没有多少创作空间，基本只能依靠高速撞击发挥作用。由于需要在高速下进行大电流的载流滑动，对设计和工艺的要求都很高，主要用于需要追求极限速度的场合。线圈炮电流较小，大多没有接触和烧蚀，因此寿命长，但需要多级加速，结构和控制技术较为复杂。与轨道炮相反，感应炮具有很强的承载能力，能够携带多种不同功能的战斗部，弹丸的创作空间大，凡是你想抛掷到远方的东西都可以尝试，比如用来发射人工影响天气安全炮弹。不过，如果需要在几米的路程上把弹丸加速到音速级别，弹丸需要承受极强的电磁场，在携带精密电子设备方面有一些限制。不论是轨道炮还是感应炮，都需要较大规模才比较有价值。一个极端的例子，多数磁悬浮列车本质上就是感应炮，我们可以把数百吨的列车加速到音速，只是加速路程长达数千米，而“炮”的加速路程一般要控制在10米以内才能满足实际应用的需要。
磁阻炮在线圈炮中属于较简单的类型。在小口径、小储能和亚音速发射的场景下，使用本书介绍的技术，磁阻炮恰恰是效率*高、体积*小、全寿命成本*低的。这使得磁阻炮成为目前便携式电磁发射器的*选。
1.2磁阻炮的结构
磁阻炮通常由驱动线圈、导管、储能装置、开关和控制系统组成，发射铁磁材料弹丸。磁阻炮主要结构如图1.2所示。
磁阻炮的原理可以简单描述为“电磁铁吸引铁磁物质”，因此称为电磁铁炮也是合理的。“磁阻”是指磁路对磁通的“阻碍”作用。磁通总是倾向于沿磁阻*小的路径闭合。当铁磁材料弹丸位于线圈中心时，磁路的磁阻*小，处于稳定状态。弹丸在偏离线圈中心的位置时，磁阻增大，处于不稳定状态，会受到朝向线圈中心的吸引力，这也是磁阻炮名称的由来。
铁磁物质的饱和磁感应强度低得可怜。在磁饱和后，若通过增大线圈电流的办法继续加大吸引力，则线圈损耗功率的增大将与吸引力的增大呈平方关系。因此，实用的磁阻炮必须由多个线圈组成，弹丸被线圈逐级缓慢加速。图1.3是一个三级磁阻炮实验套件。这是一个由电池供电，高压电解电容作为储能元件，通过光电开关检测弹丸位置，可控硅（晶闸管）作为开关的磁阻炮。
图1.3市售三级磁阻炮实验套件实物图（小北）
普通电池很难直接提供足够的脉冲电流，需要在发射前先使用电容充电电源(capacitorcharging power supply，CCPS)将电池电能升压后存储在电容中。光电开关用于检测弹丸的位置，当弹丸遮挡光电开关时，电路触发下一级的可控硅导通。可控硅是一种半控型半导体开关。
图1.4是图1.3所示磁阻炮实验套件的原理框图。具体发射流程是这样的，*先用CCPS对储能电容组充电，使储能电容组存储足够发射的电能。然后闭合**级发射开关。**级储能电容通过开关对**级线圈放电，在线圈中产生电流并激发出磁场。磁场对放置于线圈一侧的弹丸产生吸引力，弹丸开始向线圈中心移动。当弹丸通过线圈中心时，线圈电流恰好降低，从而避免反拉弹丸。弹丸因为惯性继续向前移动，遮挡住**个光电开关时，触发第二级可控硅导通。弹丸会继续被第二个线圈加速。如此持续，经过线圈的连续加速*终使弹丸发射出去。
在电源动力足够强大时，也可以使用电源直接为线圈供电，例如，使用多级串联的动力锂电池或者市电整流后直接驱动线圈，从而省去电容储能。这种方式在单次发射后电源电压几乎保持不变，因此可以称其为“恒压驱动”电磁炮。由于常使用多级串联的锂电池组供电，更习惯称之为“电池直驱”或“直驱方案”。直驱方案省去了电容充电过程，容易做到很高的射速，极限情况下能达到每分钟上万发。但高压动力锂电池组很难做到小体积，在手持设备上只能使用较低的电压，直驱方案就有很大的局限性。目前，新能源汽车的锂电池组能够满足小规模直驱方案的需求，因此，直驱方案在车载电磁炮上较有前景。
尽管多级磁阻炮从结构来看是由多个单级磁阻炮组合而成的，但要让其合理地工作却相当困难。本节举例的磁阻炮只能用于演示基本原理，它的效率很低，通常只有1%左右，即便经过精心调试也很难超过5%。要达到实用的程度，需要把效率提升大约一个数量级，这就必须用到包括能量回收在内的一系列新技术。除此之外，设计一套实用的、产品化的磁阻炮还需要仔细洞察用户需求，做好从总体到细节的各方面工作，综合电气、机械、力学、通信、控制、材料、工业工程和管理等多门学科的知识。
1.3磁阻炮的发展
在电磁发射领域，磁阻炮的技术背景远不如其他方式丰富。但事实上，依靠磁阻原理进行发射是*早出现的电磁发射方式。
虽然早在我国先秦时期，人们就已经记录了磁铁之间的吸力，但长久以来只限于对磁现象的简单利用。19世纪之前，科学家依然默认电与磁是两个互不相关的事物。1820年，汉斯？奥斯特发现通电导线周围存在磁场，人们终于意识到电可以转变为磁，而磁可以带来机械运动。对于如何把磁转变为机械运动，长期以来存在旋转和直线往复两种路线。1845年，查尔斯？惠斯通在直线电机方向取得了进展，制成世界上**台磁阻式电动机。当电动机的“动子”，也就是铁棒缺乏约束的时候，就会从电机中飞出去。据说惠斯通的动子飞了20m远，磁阻炮就这样诞生了。在接下来的半个世纪里，电气技术取得了空前的发展，大功率电源等基础条件逐渐成熟。在这样的历史背景下，电磁炮爱好者的祖师爷，奥斯陆大学的伯克兰（Birkeland)教授走上了历史舞台。他沉迷于电磁发射，尝试了许多方案，在1901年使用一系列线圈将500g的铁弹丸加速到50m/s(图1.5)。
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