|
轨道炮本质上是一种高速的直流直线电动机。它与传统的火炮不同，它不是使用燃料和推进剂加速。而是使用电磁力进行加速，由于这种利用电磁力的加速的原理极限速度不受原理限制（容易获得比较高的速度）且发射成本低廉。因此不仅对军事上有很大的吸引力，在一些高能物理碰撞研究上也很有意义。NASA还计划利用轨道炮的原理给飞行器初速甚至希望发射飞行器让飞行器入轨。 轨道炮原理产生
简易的轨道炮由两根相邻且平行的导体与一根连接两导体的导体组成。两相邻导体称为导轨，连接导轨的导体称为电枢。
假设这时我们给两导轨通电，电流从右导轨经过电枢流入左导轨。根据右手定理两轨道的磁场的总方向指向上并且垂直于电枢。结果导致了电流与磁场互相作用产生了安培力（洛伦兹力）。安培力公式F=BIL或者F=1/2L‘I^2 L'是电感梯度 电感梯度是轨道炮很重要的参数，是单位长度导轨的电感值通常用符号L’表示 单位是uh/m^2,
而大量的实验中发现比较实用的方形口径的轨道炮电感梯度都为0.6uh/m 或者近似这个值（电感梯度求法有很多种暂时不详细说，如果有疑问可以贴下讨论）
（图片为gif 请点击查看）
到了这里有人会问如果我把电流方向反过来会怎么样。 .........这个问题完全不影响电枢的受力方向，因为当电流方向反了根据右手定理磁场的总方向也会反过来。然后你再根据左手定则你会发现电枢受力方向完全不会发生变化。
安培力与洛伦兹力的关系
载流导体在磁场中受力的作用，这一现象是由安培发现的。所以这种里称为安培力。但是进一步研究表明，安培力的微观机制是洛伦兹力。高中物理讲过 运动电荷在磁场中要受到洛伦兹力的作用，而导线中电流实际上是大量自由电子定向运动形成的，这些电子都要受到与运动方向垂直的洛伦兹力而产生侧向运动。由于导体的约束作用，电子通过与金属金属晶格的碰撞将此力传给导线，从宏观上看就是通电导线在磁场中受安培力的作用，在微观上实际上是电子受洛伦兹力的作用。
（图片为gif请点击查看）
现在我们有一根载流导线我们从上面任取一电流元，由于电流元很小，所以把周围磁场看做匀强磁场。
根据洛伦兹力公式每个载流子的受力为 F=qv×B q为载流子电量、v为载流子漂移速度
这时电流元的受力则为 dF=nSdl(qv×B)（1） n是单位体积内带电粒子数 S为导体面积
由于导线中的电流强度等于单位时间流过导体截面S的电量 I=nqvS（2）
这时（2）代入（1）后得到dF=Idl×B
所以安培力是洛伦兹力的宏观表现
传统轨道炮
增强型轨道炮
在简单轨道炮中提到，许多性能优秀的简单轨道炮。他们的电感梯度非常相似，并且可以粗略的把简单轨道炮的电感梯度看成一个固定值。因此根据F=1/2L'*I^2 的话我们可以看出如果我们要得到更加强大的轨道炮就必须要拥有强大的电源。然而强大的电流作用下，不仅会对开关和传输导线增加一定压力，强大的电源还会增加预算成本。严重时会降低发射重复性甚至使得电枢、轨道等元件失效。同时也会增加轨道炮参数设计的复杂性。增强型轨道炮的出现实际上就是在降低电流的情况下得到同样的发射目的。
一般的增强型轨道炮有三种：串联增强型轨道炮、外场增强型轨道炮串联增强型轨道炮
串联增强型比较典型的结构就是叠层式和平面增匝式，这两种轨道炮我们可以将他们等效成两种不同绕法的线圈。它们都有一个共同的特点，每层和每匝的轨道电流同向。因为电流同向所以磁场叠加，因此达到了增强的目的。但是值得注意的是每根轨道间的关系都是串联的，所以这类的轨道炮的电感、阻抗都很大（相对其他轨道炮）。因此我认为它适合像电解电容、法拉电容、电池这类高阻抗的电源供电。
叠层式叠层式或许说大家都没怎么在业余界中见过，在专业界上我查找了较多的文献。也只是稍微提一提。我第一见到实物的时候是在NASA的轨道炮技术评估文献中。文献中提到用作发射高超音速飞机等的探索。为此他们还用法拉电容和mos做开关然后做了个简易的演示实验。
一般的叠层式由多层轨道和电枢组成。在结构上轨道与轨道间层叠，电枢与电枢间独立。在等效电路中它们都是在串联。
从图中可见这是一种较为复杂的结构。每一层的轨道和电枢间都要做绝缘，并且还要叠在一起，就好像一个单层多匝线圈一样。或许因为工艺的原因所以导致这种轨道炮暂时没有出现。然而它与简单轨道炮的优势最大还是在同口径的电感梯度上。假设三层轨道的截面积等于普通轨道炮的截面积，然后这时再假设它们的加速力相同。因为加速力等于JxB，设叠层式的轨道电流为I1。那么普通轨道炮的电流I将是叠层式的三倍 所以I1=I/3。
因为 F=1/2L’I^2=1/2L’（I/3）^2因为相等所以9L’=3^2L’
所以L’=N^2L’所以叠层式的电磁力F=1/2L’(NI)^2
因此如果同口径下通入和简单轨道炮相同的电流那么效果将会是简单轨道炮的N^2倍
平面增匝式
平面增匝式它一般分为主轨道和增强轨道。主轨道用作电枢加速，增强轨道则靠近主轨道绕在一平面上。然后通过串联使得两侧的增强轨道的电流方向与两侧主轨道的电流方向相同，以此达到增强目的。实际上它与叠层式的区别就在于电枢上，叠层式的轨道都用作加速发射多个电枢。而平面增匝式只有主轨道用作加速发射单个电枢。
电枢
电源
电感梯度
初速
为什么应用上那么偏爱轨道炮
业余与专业的不同
慢更未完 |
转播
淘帖
