对于科幻作品中电磁发射器类武器设定的参考和若干建议
对于科幻作品中电磁发射器类武器设定的参考和若干建议
本文是一篇关于科幻作品中电磁发射器类武器设定的专业性文章，主要讨论了电磁炮的基本原理、发展历史、关键技术及其在科幻作品中的应用建议。文章内容详实，涵盖了电磁炮的多个方面，包括基本原理、发展历史、关键技术（如轨道材料技术、抗高过载制导技术、电力调控技术、电枢技术、脉冲功率技术等）以及在科幻作品中的设定建议。
在此向各位武器爱好者和科幻爱好者致以敬意。
基于目前有关领域研究相关文献内容，本文提出一些科幻、架空世界观作品中的电磁炮设定建议。
以帮助部分创作者完善自己的武器结构、外观、数值设定，进而完善相关系统工程设定和世界观设定。本人水平有限，以下内容仅供参考，恳请在评论区留下宝贵意见。
基本原理
电磁轨道发射，是一种能将物体加速至超高速度的发射方式，即以电磁力驱动有效载荷，实现电磁能→机械动能转化，可加速各类弹丸、飞行器等在内的多种物体，其本质是一类特种直线电机技术。
电的优点决定了发展电磁炮的必然性，电的缺点也决定了发展它的艰难性，这符合事物发展前进性和曲折性统一的原理，可以预见电磁轨道炮走向成熟需要经历一个长期、持续的发展过程。
发展历史
在科学家长期的技术攻关中，先后解决了多种关键问题使电磁炮技术趋于成熟，以下介绍五个关键时间点。
（1）美国洛斯阿拉莫斯国家实验室于1958年较早了提出“Railgun”这个名词，并率先进行了等离子体电枢的轨道发射试验。其后的诸多科学家也陆续开展了等离子体电枢轨道炮的研究。其中，最好的试验结果是将 1 个质量为 31 mg 的立方体尼龙块沿 20 cm 长的炮管加速到了 5~6 km/s 和以及将1 个质量为 10 mg 的尼龙球加速到 10 km/s。
（2）1977 年，澳大利亚国立大学的研究团队建造了 ANU 试验型电磁轨道发射装置，开展质量为g级以上的电枢高速发射研究，成功地将质量为 3 g的聚碳酸酯弹丸利用等离子体电枢在 5 m 长的轨道上加速到 5.9 km/s。
（3）1978 年后，美国“星球大战”全球战略主动防御委员会提出了天基电磁炮的研究计划，尝试用等离子体电枢技术，拦截助推阶段的战略弹道导弹。
（4）1985 年，美国国防高级研究规划局与美国陆军联合启动了以反装甲为应用目的的陆基电磁炮项目。
（5）2012年，第 16 届国际电磁发射会议在京召开，会议激起了我国的研究浪潮，电磁发射技术开始快速发展，基本规律的认识和一些关键技术的掌握进展迅速。
供弹机构设计参考
1-自动化弹仓；2-供输弹协调器；3-推弹电动缸；4-俯仰架；5-推弹液压缸协调器；6-输弹板。
供输弹协调器与上架的结构关系图
协调器工作流程图
弹仓结构图
电磁炮弹三维实体图
实验装备
电磁轨道发射器（IAT）Railgun in IAT--美国以应用方为牵引，启动多校联合研究计划
达尔格伦海军水面作战武器
圆口径发射装置
ISL 方口径电磁轨道发射装置"PEGASUS"
特种机电研究所 4m 试验型发射装置
ISL 的增强型轨道发射装置
增强型轨道发射器（IAT）
并排式和层叠式增强型轨道发射装置
增强型发射装置（IEE）Augmented railgun (IEE)--中科院电工所，特种机电研究所，长度 1 m，口径为 30 mm× 60 mm，通流能力大于 500 kA，电感梯度为 1.3 μH/m，
附
增强型发射器与传统发射器的发射实验数据
轨道材料技术
20 世纪 90 年代后开始采用固体电枢技术，相继解决了电弧烧蚀和高速刨削等问题后，使发射器的寿命提升到百发量级。若发射器长寿命技术进一步获得突破，达到一定的战术技术要求后，若其寿命具备承受数千发，乃至多次过载，达到科幻水准。
只有长寿命技术突破后，电磁发射才具备武器化研制条件。因此科幻作品中应有比现实夸张的长寿命。
32MJ 电磁炮（BAE）
闪电系列电磁炮：32MJ/3MJ（GA）
一体化身管
在材料方面，我们可以从以下三个角度出发，使设定的轨道材料性质达到科幻水准
（1）尽管实验条件下烧蚀和刨削早已被解决，但科幻战场环境远比实验环境更严苛，我们需要引入性能更优异的合金（涂层）以应对电磁炮高速发射过程中带来的轨道烧蚀刨削导致的形变问题。必要时需要采用特殊的轨道形态维持机构以使电磁炮进行连续过载运行。
（2）除了烧蚀问题外，轨道与电枢间的接触会产生电弧（游离气体）。
电弧亮度高，颜色各异，黄色，紫色，白色等。科幻作品中为增加武器效果，可以描绘电磁炮在黑暗中耀眼的电弧光芒。
（3）引入的导轨材料的电感增量要高，也就是说单位长度导轨电感要高，这一物理量与电磁力（在轨道上受到的向前驱动力）成正比。目前发现的电感增量最高的材料是铁氧体。
FL为电磁力，L'为电感增量
抗高过载制导技术
电磁炮发射制导弹头将会加大程度提高远程精确打击效能。
在陆地上，对于射程达到100km的远程发射，初速应达到1700m/s以上，在数米的加速距离上弹药将承载约3万个g(重力加速度）的高过载。如果射程达到300km，则初速需要达到2500m/s以上。
极大的过载使常规制导系统难以承受，所以设定中远程弹药制导系统的抗过载能力一定要高。
电力调控技术
电枢技术
已公开情报
电磁轨道发射器一体C形固体电枢结构设计，是
电磁轨道发射器系统中核心技术之一，由于其技术敏感，没有公开的文章论述电枢结构参数与电磁发射应用要求的关系。
从 IAT 1998 年至 2007 年关于电磁发射研究的综述报告看出，经过 20余年的探索，美国在电磁轨道发射器研究中已经从实验室进入了武器化的应用阶段。
美国海军一体 C形电枢用于实验室级别的电磁轨道发射器已在 10、40、90 mm 口径的发射装置上成功实现了>2 500 m/s的出膛速度，并且在 40 mm 口径轨道发射器中成功实现了 2 500 m/s 无转捩发射。
2007 年至今，美国关于电磁轨道发射器研究的论文发表数量明显减小，这或许是美国电磁炮研究进入武器级的标志。
从公开的文献看，美国在一体 C 形电枢结构研究上的工作主要由 IAT 承担。他们的工作主要分两部分：
- 基于 3 维电磁、热、力在运动状态下的耦合
场分析软件 EMAP3D，分析了电枢结构变化对电流和热分布的影响。
文献报道了几种不同 C 形电枢的电流分布计算结果，计算结果表明电流比较集中于电枢尾翼的头部边沿和尾部边沿，以及电枢的内转角。
尾翼带前导的马鞍 C 形电枢电流分布最均匀。文献对普通 C 形电枢和尾翼带前导的马鞍C 形电枢进行了发射实验的比较，实验结果表明后者的发射性能更优。在相同的发射条件下普通 C 形电枢尾翼的烧蚀和内转角的熔蚀较严重，而尾翼带前导的马鞍 C 形电枢则很好的克服了上述问题。
8 MJ 发射动能弹丸
美国海军实验用 32 MJ 炮口动能弹丸
- 以海军远程火力压制电磁轨道发射器（21 kg 弹丸质量，2 500 m/s 出膛速度，64 MJ 炮口动能）为目标的电枢设计工作[47-51]。以上两图为典型的 8 MJ 和 32 MJ（90 mm 口径，发射速度2 500 m/s）带负载的电枢照片。
国外针对一体C形电枢的相关机理和设计研究主要涉及到电枢载流容量、电枢与轨道接触压力、电枢磁锯效应等方面。
以下三点为科幻设定参考意见
（1）「高能固体电枢」：结构简单，烧蚀粘滞力低，电阻低，能量耗散（欧姆热）主要集中于电枢内部。科幻设定可以设想新型高能电枢解决了传统固体电枢驱动发射体运动速度低的问题，但其依旧难以轻量化。
（2）「高能等离子体电枢」：质量小，高速状态与轨道接触性能优异，因此初速高，科幻作品可以设想等离子体稳定器解决了电弧阻抗波动问题，但其电阻大，能量耗散高。
（3）「高能固体-等离子体复合电枢」：结构复杂，但新式结构一定程度解决了前两者的弊端，但其较大焦耳热制约了电枢运动速度。
注意加入「降温模块」处理电枢工作产生的欧姆热，放置位置取决于欧姆热产生位置。
脉冲功率技术
（1）储能性能：储能模块需要由高功率密度和高储能密度的材料制成，这两方面数据要超过当前传统化学动能装药（储能密度≥4 MJ/kg，功率密度在GW/kg级）
（2）电源小型化:小型化水平、储能性能越高，应用领域就越广泛。
（3）脉冲功率源
本小节是当前脉冲功率源发展成果脉冲功率电源中，储能元件是核心元件，电容储存静电能，电感储存磁能，电机储存惯性动能，由这些元件组成的典型脉冲功率源参数比对如下表
种典型储能系统构成的脉冲电源的性能比较
A.电容储能脉冲电源
达尔格伦电磁发射研究中心的脉冲电源
B.电机储能型脉冲电源
美国德克萨斯大学机电中心脉冲发电机
C.电感储能型脉冲电源
电感型储能的储能密度高于电容，功率密度高
于电机，是否能够整合优势形成高能大功率脉冲电源满足电磁发射的需求一直在探索中。
电感储能技术的应用最大的问题不在储能器件本身，而在能量导出与控制过程中需要关断大电感电流，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端会产生很大的电压应力而超出半导体开关所能承受的范围。
因此人们一直在提高大功率电力电子器件的耐压和探索对主管耐压要求低的换流电路。
中国清华大学将美国 IAT实验室提出的 Stretch meat grinder结构简单，电流放大倍数大的优势和由德法 ISL 联合实验室提出的 XRAM模块化性能好的优势结合，显著降低了系统成本，保持了模块的高电流放大倍数。
电感储能脉冲电源在电磁发射中的应用尚在探索中，超导储能器件已经能够达到 MJ 级，充放电技术也已经有所进展，但能量转换用大容量短路开关和断路开关技术的突破是应用从概念走向实际的最有效桥梁。
基础物理
等离子体微观性质领域需要有精确、细致的研究。
结束语
（1）电磁轨道炮技术是发射技术发展的必然趋
势，将广泛地替代现有的传统发射模式，是武器技术电气化和信息化的重要组成。
（2）只有在发射器寿命等问题得到解决时，电
磁炮技术才有可能走向工程应用，及时开展与加强围绕发射器寿命问题的深入研究，可推动应用进程。
（3）电源的小型化问题在相当长的时间内是一
个敏感问题，小型化水平越高，应用范围就越广，如果电源小型化问题取得关键性突破，发射技术的全面电气化将指日可待。