从过山车提升装置想到的电磁弹射

黄政科

望城一中

从过山车提升装置想到的电磁弹射

黄政科

望城一中

电磁弹射是一种新型的物理发射方式，它利用洛伦兹力将电能转化成动能，具有瞬时爆发力强、可控性好等优点，不仅可应用于过山车、磁悬浮列车上，在军事上有更大的应用空间。

过山车；电磁弹射；洛伦兹力

去年暑假期间，我和家人在深圳欢乐谷坐了一次过山车，惊险刺激使我久久不能忘记。过山车的超高加速让人有一种头晕目眩的感觉，当了解到这个过山车是用电磁弹射启动时，我对这种推进装置产生了浓厚的兴趣。这种过山车在极短时间内获得很大的动能，它利用电磁体在轨道上方和列车下方各造出一个磁场，牵引列车以极高的速度沿轨道移动，其主要优势在于超高速、耐用性和可控制性。电磁弹射大多以获得高速或超高速为目标，1993年，美国桑迪亚实验室就将质量为237g的物体加速到1km/s。正因如此，很多军事专家利用这种短时间极大爆发力的特性来制造超高速武器。某军事栏目披露美国新一代福特号航母（2013年10月11日下水）上就用电磁弹射舰载机，这种电磁弹射器体积小、重量轻，可节省航空母舰的空间，而且可控性和可靠性较高，能弹射重达几吨、初速度要求很高的飞机。另外，磁悬浮列车也是用相关的电磁弹射技术来推进，它在列车上安装电枢绕组，轨道上安装感应轨，其基本构成和工作原理与普通旋转电机相似。

弹射是指被发射的物体不启用自身的动力装置而靠发射器赋予的启动力而实施起飞的一种发射方式，电磁弹射以电磁力作为启动力，它是人类在掌握了机械能弹射和化学能弹射技术后的又一次里程碑式的跨越。从理论上说，电磁弹射不会再受到燃气声速的限制，其发射的速度和空间将会大大扩展，是一种十分理想的发射技术。电磁弹射器是把电磁能转化为动能，借助电磁力做功的一种特殊的电气传动装置。电磁弹射器与传统的化学能发射器的本质区别在于：化学能发射器利用火药燃烧产生的燃气压力，作用于弹丸来推动弹丸向前运动，电磁弹射器利用电磁相互作用产生电磁力来发射弹丸；传统化学能发射器推动弹丸运动的是弹底压力，存在初速低、温度高等缺点，而电磁弹射器发射速度高、杀伤力强、便于维护，在防空反导、发射火箭和卫星等军事领域内有其广泛的应用前景。

19世纪，英国科学家法拉第发现了电磁感应定律，该定律表明磁场中的电荷和电流会受到洛伦兹力的作用，于是就有人提出了用洛伦兹力来弹射物体的设想。第一个正式提出电磁弹射概念并进行试验的是挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰，他在1901年获得了“电火炮”专利。20世纪70年代初，澳大利亚国立大学马歇尔博士建造了第一台电磁弹射装置，将3克重的塑料块加速到6000m/s的速度，他为电磁弹射技术做出了开拓性的贡献，由此开始电磁弹射技术成为各国争先研究的热点。2010年12月12日，美国海军研制的电磁弹射器以5倍音速击向2000km以外的目标，射程为海军常规武器的10倍，试验所生成的能量达到了惊人的33MJ，1MJ相当于1吨重的汽车以160km/h所产生的能量。

根据结构和工作原理的不同，电磁弹射器可分为轨道弹射器、线圈弹射器两大类。轨道弹射器实质上是一台单匝线圈的直流直线电动机，它由两条平行的金属导轨和电枢组成，电枢中通有电流，在磁场中将受到电磁力的作用而沿导轨加速滑动，直至飞出轨道，过山车就属于这种类型。线圈弹射器是从旋转式电动机演变而来的，把普通旋转电动机沿径向切开并且拉直，就是一台典型的直线电机，再把直线电机卷成圆筒就形成了线圈弹射器。在线圈弹射器中，两个线圈通以反方向的电流，同级磁场相排斥，其中一个线圈固定不动，则另一个线圈受到排斥力作用而被加速。线圈弹射器与轨道弹射器相比，最大的区别在于驱动线圈与电枢之间没有机械接触和摩擦，磁悬浮列车就属于这种类型。

电磁弹射持续时间很短，但峰值功率很高，这就需要一个储能设备将电能储存起来，并且能瞬间释放。储能设备的核心部件是由大量电容器单元串并联组合而成的电容器组，该系统的总能量是每一个电容器单元储存电能的和。电容器的充电时间相对较短，而输出功率较大。正因为如此，电容器系统成为储能电源的首选。但是电容器组的储能密度不高，目前电容器组的储能密度水平在2.5MJ/m3左右。假设电磁弹射器单发发射需要的电能为15MJ，电磁发射的转换效率为15%，则每次发射的电能需求为100MJ，若采用电容器系统作为脉冲功率电源，则仅电容器组就需要占据40m3以上的空间，再考虑弹射器本身及其它控制和辅助部件，系统的体积将会更加庞大。如果要获得较高的持续射速，还必须进一步提高电容器系统的体积，因此只有空间足够充裕的发射平台才适合电磁弹射器的应用。

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