线圈炮(coilgun)是
超电磁炮的一种。广义上讲,所有驱动部分由
线圈构成的电磁发射器都可称为线圈炮。所谓的
电感线圈炮,一般是指使用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有线圈的弹丸或磁性材料弹丸的发射装置,它利用驱动线圈和弹丸线圈间的磁
耦合机制工作,本质上是一台直线电动机。
历史
1831年,
英国科学家
迈克尔·法拉第发现了
电磁感应现象以后,各国军事专家深受启发,随即考虑利用电磁力发射物体的原理来制造武器。1845年,英国物理学家
查尔斯·惠斯通(Chars Wheastone)制造了世界上第一台直线
磁阻式电动机,用它把一段金属棒抛射到20m远的地方。1895年,美国
匹兹堡市长梅厄(Mayor)获得第一个直线感应电动机专利。但
线性电机和
电炮还相去甚远。第一个明确地提出
超电磁炮概念并坚持不懈长期试验的是一位
挪威的科学家——
奥斯陆(Aslo)大学物理学教授
克里斯蒂安·伯克兰(Kristian Birkeland)。1897~1917年,伯克兰教授不断改进和试验他发明的电炮,并于1901~1903年获得了三项电炮技术专利。1901年,他制成了第一个电磁线圈炮,并利用该炮把0.5kg重的炮弹加速到50m/s;1903年制成的第二个线圈炮把10kg重的物体加速到了100m/s的速度。这在当时已经是非常了不起的成就。
1912年,
法国的埃米尔·巴彻特勒(Emile Bachelet)建造了第一个交流激励的磁推进装置。1920年,法国的福琼-维莱普勒(Fauchon-Villeple`e)发表了《电气火炮》一文。几乎同时,美国费城的
电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。到
第二次世界大战前,各种电炮的专利已达45项之多。二战末期,
德国军方在
阿道夫·希特勒的批准下不断寻找和积极研制开发各种新式兵器,
超电磁炮也是其中一项。1944年,亚西姆·汉斯勒博士和邦泽尔总检测师在
马格德堡的训练场,对10mm口径线圈炮进行试验,但试验未能成功。后来汉斯勒又进行了多次
电磁炮的试验,主要为
轨道炮,在此不作更多说明。随着德国的战败,汉斯勒博士的研究工作也终止了。1946年,美国威斯汀豪斯电器公司建成一个全尺寸飞机弹射装置,名叫“电拖”,是一个初级运动的直线
感应电动机。而后
美国海军和空军也做了一些研究工作。但空军科学研究所经过反复论证,于1957年得出“电磁发射根本行不通”的结论,使电磁发射器的研究陷入困境。然而在
苏联于1958年和1965年进行了大量的
超电磁炮试验。1966年,美国
内华达大学的温特伯格教授提出了用磁行波加速
超导体的概念。1966年,苏联人鲍斯达列夫用1cm长的单级脉冲感应
线圈发射器把2g的铝环加速到5km/s。1972年,
美国航空航天局提出
碳刷换向的
尾旋线圈炮,而
麻省理工学院则研制出第一台类似于同步
直流电动机的线圈炮。
原理
线圈炮种类繁多,名称混乱,因而应对线圈炮进行科学分类,以利于研究和发展线圈炮。从驱动线圈和弹丸线圈间的电关联分类,线圈炮可分为两大类:一是两线圈间的电关联分类,线圈炮可分为两大类:一是两线圈间有直接电联系的线圈炮。例如,电刷换向型线圈炮;二是两线圈无直接电联系的线圈炮。例如,感应型和无刷换向型线圈炮。从基本工作原理看,所有线圈炮都按直线电动机原理工作。依据直线电动机的原理和电物理特性,可把线圈炮分为5类:
(1)两
线圈均为直流,类似
导轨炮,此为直流直线电动机型,我们定名为
尾旋线圈炮;
(2)弹丸
电感线圈携带直流,驱动线圈使用交变电流,此为同步电动机型,我们称其为直流
电枢分立驱动的线圈炮;
(3)驱动线圈用脉冲电流分立激励,弹丸线圈电流是由此感生的,此为准直线感应电动机型,我们定名为同步感应线圈炮;
(4)驱动线圈使用多相交流产生磁行波,借其滑差速度在弹丸线圈内感生电流,此为直线感应电动机型,通常称为异步感应线圈炮;
(5)磁行波“拉”着磁化弹丸前进,此为另一种直线同步电动机型,定名为磁化弹丸行波炮
线圈炮的优点是炮弹与炮管(线圈)间没有摩擦,能发射较重的炮弹,
电能转换成动能的效率较高,但供电比较复杂。1845年已有人用线圈炮将金属棒抛射出约20米;1898年
美国一位发明者断言线圈炮可将炮弹射出230公里。但同样由于技术上无法突破的瓶颈,使线圈炮的开发陷入停滞。而进入20世纪以后,结构简单的
轨道炮逐渐成为
电磁炮研究的主流。
运用
日本作品中的电磁炮基本上是清一色的轨道式、只有《
新世纪福音战士》中曾出现过线圈加速机枪。但在一些欧美游戏中则常常能看到它的身影:例如《星际争霸(StarCraft)》中人族的机枪兵用的就是高斯
步枪(Gauss Rifle),《半条命(Half-Life)》中
戈登·弗里曼也有一把高斯枪,《潜行者(S.T.A.L.K.E.R.)》当中后期同样有
高斯步枪出现。此外
高桥良辅的《
饿沙罗鬼》中曾出现一种原理不明的“电磁加农炮(ElectricMagnetic Cannon)”,从外观来看有可能也是线圈炮。
线圈炮是一种早期的电动武器,目前已经逐渐淡出各国军事计划。多极
线圈炮适合发射大质量的炮弹,但是在高速运动情况下,很难控制末端线圈的开闭,所以速度不高。线圈炮是一种很适合DIY爱好者制作的发射机构,仅仅需要一些
漆包线,储能
电解电容和简单的电路就可以制作这个线圈发射机构。高斯枪也称Gauss
步枪(
高斯步枪),很多人都误把它归类到
电磁武器一类,其实它不是靠电力产生的磁能发射“弹丸”的。高斯枪其实是一种磁
直线加速器,你只需要一些钢珠球和三个永磁体,就可以拥有一个不错的玩具。其速度是不能与电磁武器相比的。
参考资料
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