电磁轨道炮

磁轨炮（Rail Gun），也叫轨道炮，是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器．与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，轨道炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。

轨道炮因其强大的威力而引起了世界各国军事家们的关注．自80年代初期以来，电磁轨道炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分。

主要定义

轨道炮（Rail Gun）：或译做磁轨炮、导轨炮，是电磁炮的一种。电磁炮是利用电磁力产生动能推进弹丸的一种先进的动能杀伤武器，与传统的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的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程．因而引起了世界各国军事家们的关注。自80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分。轨道炮由两条平行的导轨组成，弹丸夹在两条导轨之间。两轨接入电源，电流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨产生强磁场，磁场与电流相互作用，产生强大的安培力推动弹丸，达到很高的速度（理论上可以到达亚光速）

理论计算

轨道炮推动弹丸的力主要是洛伦兹力，基本计算过程与高中的“通电铁棒在磁场中运动”一样：式中F是洛伦兹力，I是通电导体棒（炮弹）的电流，L是导体棒长度沿着电流方向的向量，B是磁场方向。

对于个人实验的小型电磁炮项目，磁场B可以完全由通电导轨提供。这时的磁场可以认为是两根电流相反的半无穷长度平行直导线磁场的叠加。其值为：式中μ0是真空磁导率，I是电流，S是两导轨间距。上式认为导轨宽度不大，磁场沿着导体棒方向处处相等。回代F公式可得l是电流方向的单位向量，z是垂直导轨平面往上的单位向量，两者相叉乘得到沿着导轨向前的力。可以看出力只与电流大小的平方成正比，而且1000安培的电流只能产生0.1N的力。

如果仅仅围绕以上设定设计电磁炮装置，采用铝制长方体作为弹丸，弹重1g，如通10A电流，受力10-5N。如轨道长1m，终点动能为10-5J，终点速度为0.14m/s，基本看不出弹丸在运动。

导体棒切割磁感线还会在棒上形成反电动势E=BLV，进一步降低终点效率，弹丸速度越快这一效应越明显。

为了提高出口初速度，可以考虑以下做法：

用电容等快速放电装置提供瞬时大电流。更大的电流对供能，放电，安全等装置都提出了更高的要求，这也是现代军用电磁炮的技术瓶颈之一。

外接平行匀强磁场。通过带铁芯的马蹄形磁铁等机构外加匀强磁场可以在不依赖过度地向导轨提供电流的情况下获得更大的加速磁场。

增长磁轨。终点动能与磁轨长度的平方根成正比。

采用轻质的弹丸。动能相同的情况下，终点速度与弹丸质量的平方根成反比。

发展历史

发明

电磁轨道炮是法国人维勒鲁伯于1920年发明。二战中，德国汉斯勒博士开展了对电磁轨道炮的全面研究。到1944年，他研制出长2米、口径20毫米的轨道炮，能把重10克的圆柱体铝弹丸加速到1.08千米/秒。1945年他又将2门轨道炮串联起来，使炮弹初速度达到了1.21千米/秒。二战期间，日本研究感应加速式电磁炮，并把2千克的弹丸加速到335米/秒。二战之后相当长的一段时内，因材料和电力等关键问题无法从根本上解决，致使电磁轨道炮研究中断了很久。

发展

从70年代起，随着一些技术难题相继被解决，使得电磁炮的研制得以东山再起。1970年德国的哈布和齐默尔曼用单极线圈炮把1.3克的金属环加速到490米/秒。1978年，澳大利亚国立大学物理学家理查德·马歇尔和约翰巴伯等人使用5米长的导轨炮，以可供1.6兆安电流的550兆焦耳双层单极发电机为电源，取得了将质量3.3克的塑料弹丸以5900米/秒的高速发射成功的突破性进展。澳大利亚的成功进展，给各国电磁炮研制者以巨大的鼓舞。1978年，美国国防部先后成立了电磁炮发展研究顾问委员会和技术工作组，开始评估电磁炮技术现状及应用潜力，并建议集中和协调国家的资金来发展电磁炮。20世纪80年代美国国防委员会得出“未来高性能武器必然以电能为基础”的结论。1991年，美国防部成立了“电磁炮联合委员会”，协调军队、能源部、国防原子能局及战略防御倡议机构分散进行的电炮研究工作。1992年，美国已把一门口径90毫米、炮口动能9兆焦的电磁炮的样炮推到尤马靶场进行试验。

突出优点

电磁轨道炮有一些突出优点：一是弹丸速度快，精度高，射程远，威力大。弹丸约能在6分钟内飞行200海里，初始速度达到2500米/秒，比普通枪弹的速度快2至3倍。带有巨大动能的弹丸通过直接撞击目标将其摧毁，威力极大。同时极高的飞行速度可以减少炮弹的飞行时间，使炮弹不易受到干扰，保证了炮弹的精度。二是炮弹体积小，重量轻。电磁炮弹几乎不使用推进剂，减少了装药量，所以炮弹的体积只是传统120毫米火炮炮弹的八分之一，重量是其十分之一，这样可显著提高武器系统的携弹量，减少后勤负担。舰船一次一般只能携带70枚制导导弹，而电磁轨道炮弹则能轻易地一次装载几百枚。三是生存能力强。炮弹几乎不装填炸药，又可减少炮弹在制造、运输、储存方面的安全隐患。

结构原理

电磁炮听起来很神秘，其实它的结构和原理很简单．电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统，它主要由电源、高速开关、加速装置和炮弹四部分组成．世界上所研制的电磁炮，根据结构和原理的不同，可分为以下几种类型：

线圈炮型

线圈炮又称交流同轴线圈炮．它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的．加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流．感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生安培力，使弹丸加速运动并发射出去．一般普通实验室做出的线圈炮不产生洛伦兹力,产生洛伦兹力的是单级同轴线圈炮,一般的线圈炮是给线圈通电使之中心有磁,将目标导体吸引至中心再由惯性所致而抛射出弹体,由于电容瞬间断电,因而不会产生磁力将炮弹吸引回去,一般的小型线圈炮模型都是这样的.

轨道炮型

轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理．质量越大动能越大,威力越大,耗能量越大.

重接炮型

重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度．其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙．长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进．重接炮是电磁炮的最新发展形式．

特点用途

特点

电磁炮与常规火炮相比，有以下特点：

电磁炮利用电磁力所作的功作为发射能量，不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾，因而具有良好的隐蔽性．电磁炮可根据目标的性质和距离，调节、选择适当的能量来调整弹丸的射程．

电磁炮没有圆形炮管，弹丸体积小，重量轻，使其在飞行时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好，初速度高，射程远．由于电磁炮的发射过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度．

从发射能量的成本来看，常规火炮的发射药产生每兆焦耳能量需10美元，而电磁炮只需0.1美元．而且电磁炮还可以省去火炮的药筒和发射装置，故而重量轻、体积小、结构简单、运输以及后勤保障等方面更为安全可靠和方便．

用途

电磁炮作为发展中的高技术兵器，其军事用途十分广泛．

（一）用于天基反导系统：电磁炮由于初速度极高，可用于摧毁空间的低轨道卫星和导弹，还可以拦截由舰只和装甲车发射的导弹．因此，在美国的“星球大战”计划中，电磁轨道炮成为一项主要研究的任务．

（二）用于防空系统：美军认为可用电磁炮代替高射武器和防空导弹遂行防空任务．美国正在研制长7.5米、发射速度为500发/分、射程达几十千米的电磁炮，准备替代舰上的“火神——方阵防空系统”．用它不仅能打击临空的各种飞机，还能在远距离拦截空对舰导弹．英国也正在积极研制用于装甲车的防空电磁炮．

（三）用于反装甲武器：美国的打靶试验证明，电磁炮是对付坦克装甲的有效手段．发射质量为50克、速度为3km/s的炮弹，可穿透25.4mm厚的装甲．有关资料还报道，用一种电磁炮做试验，完全可以穿透模拟的T－72、T－80坦克的装甲厚度．由此可见，电磁炮具有很强的穿透能力，是非常优良的反装甲武器．

（四）用于改装常规火炮：随着电磁发射技术的发展，在普通火炮的炮口加装电磁加速系统，可大大提高火炮的射程．美国利用这一技术，已将火炮射程加大到150km．

(五) 变杀人工具为交通工具，对于月球开发，采用轨道炮技术发射月基货运飞船返回地球，将大大减少燃料消耗，飞船仅携带少量的调姿和变轨用的燃料。从而为月地货运运输提供一个廉价、可重复利用的发射平台。

研发进展

一艘大型驱逐舰获得了300公里外敌军指挥部的位置坐标，不过它并没有发射价值一百万美元的战斧巡航导弹来摧毁目标，而是从炮管的超导电磁轨道中发射出一枚长约1米，重约20千克的炮弹，这种炮弹的动力来源既非火药，也不是燃料，而是来自军舰发动机为大炮注入的电能，炮弹以超过7倍音速的速度脱膛而出，它那令人难以置信的速度使它拥有足够的动能让目标在瞬间灰飞烟灭。

电磁轨道炮的炮管由两条长约6米的平行导轨组成，之间通过一个光滑的转子相连，电流从一条轨道流出，经过转子后再由另一条轨道流回，这条回路产生磁场推动转子，进而再推动位于转子前方的炮弹飞出轨道。

普通舰炮的射程只有20千米，而且准确度很差，巡航导弹的有效射程虽然超过了300千米，但它们造价昂贵，而且一艘舰艇最多只能携带70枚，由于无法在海上装卸，补充时还必须返回港口。电磁轨道炮则以射程远、成本低、运输以及补充便利等多项优势而被美国国防部寄予厚望。电磁轨道炮甚至还被美国陆军看成是2020年后陆军战车主要武器的候选技术方案。

不过电磁发射在技术上的研究工作可能还要持续20多年，因为还没有哪艘军舰能产生并且储存开炮所需的电能。在过去，驱逐舰上90%的能量都用于供给推进系统。除此之外，面临的挑战还包括：确保准确命中目标的高精度控制技术，炮弹对巨大加速度的承受能力等。由于距离目标超过了300千米，所以这种炮不能像普通枪管一样去瞄准，而需要空气动力学的校正，炮弹到了空中也必须由来自卫星的指令对其运行方向进行修正。同时，炮弹在出膛时的加速度会达到地球重力加速度的45000倍，炮弹上携带的电子器件必须经受得住这种加速度。此外，要使转子在炮管中高速运动也很困难。

美国海军正与英国国防部一道研制这种电磁轨道炮，他们准备把驱逐舰变成一个超长的机关枪，在一分钟内就可以发射12发这种廉价的炮弹。位于英国柯尔库布里的一家工厂已经在2003年按1∶8的比例生产出了这种电磁轨道炮的样品，并在试验中射出了以6倍音速稳定飞行的炮弹。不过据美国海军海洋系统司令部的罗杰·麦金尼斯上校估计，美国的电磁轨道炮最早也要到2015年才能交付使用。

经过多年的努力，用于电磁轨道炮的科学技术取得了相当大的进展，已经可以在军事应用中进行实践探索，并为研究电磁轨道炮作战系统奠定了坚实的基础。

一是美国防部决定研究DDG-1000综合电力系统舰，为新一代电能武器系统包括轨道炮的研究打开方便之门。因为轨道炮所需要的电力取决于发射弹丸的速率。综合电力系统舰的额定电功率为80兆瓦，具有足够的电力维持15-30兆瓦的轨道炮6-12发/分钟的速度发射弹丸。同时轨道炮不需要火药和其它含能爆炸物，从而提高了舰只的安全，并减少后勤保障的费用。二是精确制导技术的发展推动电磁轨道炮的发展，美军在制导、导航和控制系统技术应用的增加为发展体积更小、杀伤力更高且费用更小的弹丸提供了机会。这种趋势仅从费用少、速度高的轨道炮的弹丸的发展中受益。三是炮管寿命的延长。德克萨斯大学先进技术学院为美陆军研究的炮管寿命技术取得重大进展。电枢与导轨接触面受两种磨损现象的影响，限制了炮管的寿命：一种是刨削现象，另一种是平移现象。美国的技术人员完全了解了导致高速刨削的物理原因，找到解决该问题的材料。在炮口，当电枢从金属与金属的接触转变到电弧接触时，相应的等离子会损坏轨道。德克萨斯大学高技术学院已经展示了成功处理平移问题的方法。

2001年11月，美海军高技术研究所通过参数研究和建模活动取得了新型电磁轨道炮系统的主要性能参数：轨道炮是可以安装在水面舰只上，其重量相当于为155毫米高级火炮系统，能够以63兆焦耳初始动能和2500米/秒（7.5马赫）的初速度发射20公斤的弹丸。高速弹丸只需要6分钟就达到200海里以外的目标，并能以5马赫的速度对目标实行动能碰撞。研究还估计了脉冲形成网络（PFN）能够产生弹丸所需要的初始动能和速度。

随着美海军启动DDG-1000的研究的深入，美海军计划把电磁炮安装到该平台上去，并于2003年授予BAE系统公司武器系统分部一份合同，进行为期6个月的将轨道炮合成到新型驱逐舰上的研究。经过研究，BAE系统公司认为，拥有81兆瓦电能的DDG-1000综合电力系统舰可以为两门轨道炮提供足够的电力。在舰只以10-18节的速度航行时，轨道炮可以每分钟发射10-12发炮弹。轨道炮的重量和体积都适合于安装在水面舰只上，合成工作面临的主要工程问题只是轨道炮产生的热能管理。

轨道炮研究史上一个重大里程碑是美海军2003年4月在苏格兰柯尔库布里郡成功完成90毫米口径电磁炮如何发射高超音速弹药的海上演示验证试验。此次试验是美海军海上系统司令部与英国奎奈蒂克公司电磁炮工厂共同完成，试验使用的系统是一台只有未来原型机1/8大小的样机，但是以2500米/秒以上初速度（确切的速度仍是机密的）发射了弹丸。包括美海军舰队司令罗伯特·耐特上将及海军研究局局长杰伊·科恩少将在内的诸多美国海军高级官员到场观看了此项拥有广阔前景的技术验证试验。此次试验是为海军火力改革和转变新一代舰炮海军水面作战舰艇的角色而发展的电能武器所迈出的关键一步。

美海军海上系统司令部将在库尔克布里的试验结果提交到美海军海上研究顾问委员会电磁炮技术研究小组。该小组在2004年2月公布了一份评估报告。该报告认为电磁炮是一种具有潜力的转型武器，并建议海军启动一项风险减少研究计划确保该种武器适用于未来驱逐舰计划。该小组还认为电磁炮是一种对200海里以外目标实施致命打击的革命性电磁炮作战系统，并且同时具有增大弹药储量、提高发全、减少费用和后勤保障需求等优势。放弃这项研究是一大错误。

2007年1月16日，美国海军研究办公室（ONR）在弗吉尼亚州海军水面作战中心达尔格伦分部举行新型电磁装置交付仪式。美海军没有采用剪刀剪彩这一传统的做法，而是打破惯例，用一门90毫米口径的试验型电磁炮发射1发高速炮弹穿透了仪式彩带。这发炮弹在炮口的初始动能达到7.4兆焦耳，初速度达2146米/秒。但意义更为重大的是，这部新型电磁炮的交付再一次证实美海军对高能电磁轨道炮充满信心。美海军将把这种电磁轨道炮作为转型武器方案，通过发射投放高速弹丸对远距离目标实施精确打击来变革美海军的海上攻击行动。

达尔格伦分部的发射试验装置的交付仅是一个开端，美海军的目标是研制能够从离海岸300多海里的战舰上持续发射精确弹药的战术系统。尽管这种弹药只含有少量或是几乎不含有高爆材料，但通过弹丸的高速度碰撞能够对目标造成毁坏。电磁轨道炮克服了常规大炮在射程短、飞行时间短和对杀伤力有限等方面的局限性。由于电磁炮弹没有爆炸材料，从而消除了生产、运输、处理和存储炸药的需求。此外，超远的射程、极短的飞行时间和高杀伤性都极大地提升美海军未来远程作战的攻击力。通过使用极高电流产生强大的电磁力，美海军未来的电磁轨道炮能以超过7马赫的速度发射弹丸，弹丸首先迅速进入外大气层空间，进行无阻力飞行，随后再次进入大气层以5马赫以上的速度打击目标。

美海军研究办公室努力推动电磁轨道炮的研究达到军事使用阶段，并计划在2020-25年间装备部队。

2005年8月，美海军启动一个名为“创新海军样机”的项目，并希望通过对这个过渡项目的投资，获得相对成熟的技术，以便在未来4至8年里转入轨道炮的全面研究和发展。“创新海军样机”项目比传统武器装备要“奇异”得多，并存在高度的风险，它还在根本上偏离了既定需求和作战概念。因此，这项研究没有美海军的高级领导人的批准是不可能发展的。

美海军计划对“创新海军样机”项目投入2.7亿美元的资金，主要解决在四个方面的技术难题：发射装置、弹丸、脉冲形成网络和舰只合成。美海军研究办公室在项目第一阶段的主要研究工作集中在发射装置和弹丸。研究的重点是先进密封发射装置技术，以及电磁轨道炮系统的适合体积、重量，以便合成到舰只，同时经受发射时产生的巨大电磁冲力。第二阶段的研究工作是将发射装置和弹丸合成，形成一整套的系统。在第一阶段，美海军将研究一种能够进行多次发射的炮管。这种炮管能够保持轨道的斥力。美海军还将解决热能管理问题，将炮口初始动能从8兆焦耳提升到32兆焦耳，最后达到64兆焦耳。在弹丸方面，美海军需要研究提高轨道炮发射生存力（因为弹丸可能经受45000g的重力加速度，并且遇到潜在的电磁干涉效应），解决高速制导飞行和杀伤力机制等问题。其它的重要研究项目还包括炮管几何学、先进材料（包括合成材料）、密封技术和制造技术。

美海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁发射装置是支持“创新海军样机”项目的关键技术装置。该装置安装了100兆焦耳的电容器（由通用原子公司研究）和经过整修的、由麦克斯威尔技术公司根据国防威胁减少局的指令从1986至1999年间研制的“绿色农场电子炮研究和发展装置”上的90毫米发射炮管。电磁发射装置在2006年10月开始试验并试运行，并在2007年1月正式启用。

为了支持“创新海军样机”项目，美海军水面作战中心达尔格伦分部在2008财年底前将加大存储的电能、改良发射装置和终端区以装配一门32兆焦耳的初始动能的轨道炮。BAE系统公司武器系统分部已经根据一份540万美元的合同设计和整修32兆焦耳的实验发射装置。该发射装置预计在2007年6月底在美海军水面作战中心达尔格伦分部安装完毕并进行试运行。据BAE系统公司称，这个固定的实验发射装置的炮管采用层压钢板密封，用于炮管寿命的研究的。来自美国政府实验室、工业部门和学术界的代表组成的一个委员会为研究活动提供支持。

美海军研究办公室计划到2008财年第三季度末对32兆焦耳的轨道炮进行试验。如果研究成果通过鉴定，研究将于2009年8月转入第二阶段，并计划在2010财年底进行32兆焦耳发射装置炮管的100发射击展示和32兆焦耳先进炮管密封状况展示。

在评估BAE系统公司、通用原力公司和诺思罗普格鲁曼公司在2005年10月至2006年3月间进行的理论设计研究后，美海军研究办公室2006年6月选择了BAE系统公司和通用原子公司对32焦耳轨道炮进行30个月的技术发展和初步设计的研究，为实战部署64兆焦耳动能的战术系统做准备。BAE系统公司已经获得了930万美元的合同，负责电磁轨道炮的样炮技术和初步设计。通用原子公司获得了960万美元的合同，协同波音公司、L-3通信公司、SPARTA复合材料公司和杰克森工程公司，共同研究和发展电磁轨道炮发射装置所需技术。另外由波音公司和Draper公司共同研究弹丸和综合发射包的理论，包括综合发射包炮管的动力学、飞行弹体和空气热力学特征、杀伤力和发射生存力、制导和导航和控制。

至于高级脉冲力量研究工作由美陆军负责进行，计划在08财年进行展示。其它的研究工作还包括高能密度电容器和多次发射活动的热能管理。

如果“创新海军样机”项目通过09年的评估，那么第1阶段的工作将于2011年结束，第2阶段的工作将持续至2015财年。如果研究工作一切进展顺利，海军海上系统司令部可以在2015财年对电磁轨道炮进行全方位的研究和发展。64兆焦耳的电磁轨道炮的战术系统的海上展示将会在2016财年进行，并能在2020-26年装备。

2012年2月28日，美国军方官员宣布，美海军工程师在弗吉尼亚州的达尔格伦对地作战中心成功试射第一部由军工企业制造的电磁轨道炮原型，将开发这种具有超远射程新型武器的工作推进了一步。根据海军公布的信息，炮弹初速可达每秒7000米至8000米，能够打击90公里至180公里外的目标。

电磁炮项目经理罗杰·埃利斯说，这次试射的主要目的是评估原型炮的炮管寿命和整体结构。他说，这将让海军距离未来的战术武器系统更近一步。如果开发成熟，电磁炮将能大大加强海军的多任务能力。其远超普通舰载火炮的初速与射程意味着海军可为陆上军事行动实施精确远程火力支援，拦截来袭的敌方巡航导弹或弹道导弹，以及攻击敌方舰只等。

由英国BAE军械研制公司美国分部制造的这部动能为32兆焦的电磁轨道炮“原型机”在一周内已经进行6次试射，试射拉开了为期两个月的评估过程。在这一过程中，海军方面将评估BAE制造的这部电磁炮原型与通用原子能系统公司制造的另一部电磁炮原型。通用原子能系统公司的原型炮预计将于4月完工。

应用事例

美海军“21世纪海上力量”构想中的海上打击概念，曾将电磁轨道炮列为未来海军装备发展的一项亮点。

2014年7月11日，美国海军研究局（ONR）已经将两套电磁轨道炮原型机安装到“米利诺基特”号联合高速船（JHSV）上，这艘船驻扎在圣迭戈海军基地内，电磁轨道炮原型机已经在实验室条件下成功进行了多次测试和发射。

2015年3月2日，美国海军一种以7倍声速发射炮弹的新式武器首次公开展出。研究人员将这种轨道炮描述为“星球大战技术”。它能以7倍声速发射炮弹，可穿透100英里（约合160公里）远的混凝土。

2016年7月13日， 据俄罗斯卫星网报道，俄罗斯工程师研制的电磁轨道炮加速器在俄罗斯科学院高温联合研究所进行了首次测试，它能使物体达到第一宇宙速度。