鹰狮

电磁轨道炮和线圈炮的基本原理是法拉第电磁感应定律，利用电磁力将弹丸加速到所需的速度。但在具体的实现形式上，却有着不同的路径与不同的技术难点。

线圈炮

线圈炮是电磁炮的最早形式。将多个线圈组合起来，在将它们固定在一个轴上，称为驱动线圈。从原理图可以看到，这种模式中弹丸本身也是一个电磁线圈。它从轴的一端开始运动，控制系统给微观上的各线圈依次通电。弹丸线圈通过这些加速线圈时，在洛伦兹力作用下不断加速。线圈越多、电流越强，弹丸线圈的炮口初速就越大。

线圈炮有如下几个优点：弹丸线圈就像磁悬浮列车，是不与加速线圈相触碰的，所以也就不会受摩擦力的影响，电能利用效率较高，装置磨损较小。线圈炮不需要兆安级的电流，更易控制和实现。能实现的洛伦兹力也较大，能量利用效率高，可发射大质量物体。

但是，从实用的角度讲，线圈炮也存在不少问题。根据楞次定律，感应电流的磁场总要反抗产生感应电流。也就是说，在弹丸线圈经过加速线圈时，前半段是加速，后半段就是减速。如果想要一直加速，就需要在弹丸线圈经过加速线圈的后半段时，停止给加速线圈通电，或通反向电流。如此，只有交变电流可以做到。然而随着弹丸的不断加速，所需要的交变电流频率会越来越高，如何控制是一个非常严峻的问题。

另一方面，由于线圈材料存在电阻，当加速线圈中通有电流时，必然会有部分电能转化为热能，进一步提高电阻，这极大地降低能量利用效率。此情况下就必然需要冷却装置。如果使用超导材料线圈，就更需要让它保持在低温状态。而这样的冷却装置体积庞大，在舰艇上使用尚有难度。所以目前各国的电磁炮试验中，线圈炮是很少作为实用型号研究的。

但是，线圈炮原理也有其它实用途径。它可以用来投射初速慢、质量大的物体，诸如重型弹药、导弹、飞行器等。值得一提的是，美国“福特”号航母使用的电磁弹射装置就是线圈炮原理。

轨道炮是目前各国电磁炮实用化研究的主要形式。轨道炮利用的是另外一种电磁力——安培力。如原理图，在两条平行的长直轨道中间放入导电弹丸，从其中一条轨道通入电流，电流经过弹丸，再从另一轨道返回。在这过程中，两轨道之间会产生磁场，因此弹丸会受到安培力，电流越大，彈丸受力越大，轨道越长，炮口速度也就越大。

由于现在的各国的工学进展已经有能力为这种装置通入兆安级的脉冲电流，所以，轨道炮需要的轨道很可以比以往电磁炮短得多。

然而，轨道炮也有许多难点：由于轨道炮需要弹丸和轨道一直接触，所以摩擦力的存在必然会使一部分电能转化为摩擦热，降低了能量利用效率。同时，高速的弹丸会让电磁炮的轨道迅速磨损，从而限制轨道炮的身管寿命。所以轨道炮发射时也会发生火焰。弹丸速度越大，对轨道的磨损就越严重。

需要通入兆安级的脉冲电流时，由于电阻的存在会对轨道产生很严重的烧蚀。这就需要研发更耐烧蚀的材料。同时由于大量的发热，辐射出的能量很有可能被敌方探测到。

由于轨道炮发射的弹丸质量可能较小，导致其射程较近。现在美国试验的轨道炮弹丸大概弹重是11千克，而127毫米火炮是32千克，这样的质量差距显然不利于实际应用。

综上所述，轨道炮结构简单，并且通入的电流很大，可以短时间内将投射物加速到极大的速度。它的小型化比较容易，适合投射低质量的弹丸，以高速度直接打击目标物。

不过，就如传统火炮需要更换炮管一样，轨道炮轨道受使用寿命较短，弹丸在加速中也会受到烧蚀和磨损，需要开发更耐磨损和电流烧蚀的材料。所以目前轨道炮往往用于反导方面的研究。

重接炮

重接炮综合了线圈炮和轨道炮的优势。重接式发射装置的概念是由美国桑迪亚国家实验室的考恩等人于1986年提出的。1991年起，美国陆军实验室等单位进行了研究。

重接炮也可以被誉为一种特殊的线圈炮。它的基本原理是磁力线重接。

如原理图，重接炮的一级由上下两个线圈、弹丸、初始导轨组成，线圈的轴线与弹丸运动方向垂直。弹丸为非导磁的良导体，当弹丸以一定初速度进入两线圈间隙，并当其完全遮盖线圈口径时，给两线圈通电。此时两线圈产生磁场，由于磁通在短时间内无法穿过良导体，所以两线圈的磁场被封闭在各自内部。当弹丸往前移动时，其尾部不再遮盖两线圈之间的间隙。此时两线圈中的磁通重接，使得原来弯曲的磁感线逐渐拉直，从而推动弹丸向前前进，则两线圈磁场中储存的磁能逐渐转化为弹丸的动能。

重接炮有如下几个优点：弹丸与线圈无接触，无摩擦、无烧蚀且电热损失小。每单位长度传递给弹丸的能量多。弹丸在飞行中的稳定性好，不用担心俯仰和偏航的问题。发射效率较高，可以发射更大质量的弹丸。

尽管目前重接炮在理论和实践上还不成熟，但潜力巨大。

未来之炮的优势

从以上三种电磁炮形式的情况来看，电磁炮与传统火炮相比，理论优势是明显的。

◎多任务能力较强

传统火炮的射程和威力由其装药量决定，而电磁炮可以通过调整电流大小来控制，比传统火炮更为灵活。电磁炮可以提供拦截空中或地面威胁的火力，拦截各类导弹或飞行器；或作为进攻性武器提供打击能力，对抗地面或海上目标。

◎电磁炮的射程远、速度快

传统火炮利用火药急剧膨胀推动炮弹。由于气体膨胀速度有限，传统火炮的实战性能已经接近极限。目前最先进火炮的炮口初速不超过2千米/秒。而电能的效率远远大于火药的效率，电磁炮的炮口初速可以达到第一宇宙速度甚至更高。炮口初速决定射程和威力，所以，电磁炮比传统火炮的发展潜力大。

◎成本较低，运输与后勤便利

传统火炮弹药需要炮壳、发射药等零件，电磁炮却不需要。对于核动力舰艇而言，电磁炮与其核动力系统可以良好结合，成本也比火药低。并且电磁炮的弹丸相对传统火炮来说结构简单，批量生产后更便宜。若重接炮或线圈炮成熟，轨道的磨损问题不会特别严重，进一步降低了成本。

◎操作安全系数高

传统火炮发射时伴随着强烈的火焰、高温、烟雾和冲击波，这都威胁着操作人员的安全。电磁炮发射时的特征要小得多，有利于改善人员工作条件。并且由于其较远的射程，操作人员可以远离敌军发射，生存条件更好。

困难依旧

但是，电磁炮依然有许多技术难关，除了前面讨论过的烧蚀、冷却、供电等，还有一些复杂的因素。在得到有效解决之前，很难投入实用化。

◎冷却困难

电磁炮发射炮弹的过程可以理解为一个个电磁线圈组成的“接力比赛”，每个线圈产生的磁流和弹体产生的感应电流一步步将炮弹加速到满足发射要求的炮口初速。这一过程中，电能不可能完全转化为炮弹的动能，其中一部分会转变成热能（原理与电磁炉的涡流加热类似），这可能把炮弹和滑轨“焊接”在一起。这在目前还是无法完全解决的。

为了防止炮弹和滑轨焊接，需要在两者之间增加易蒸发介质，比如铝。介质蒸发形成离子气团，在炮弹和导轨电极之间起到“润滑”作用，使炮弹正常滑行。所以，电磁炮同样有较强的炮口焰，与之相伴的就是轨道烧蚀问题。除了电流产生的热量，高速飞行的炮弹也会摩擦生热，对轨道造成严重损耗。如果采用高效的冷却系统，可以缓解轨道烧蚀。但同时带来了系统设计的复杂和体积、重量的上升。线圈炮同样也存在冷却需求，大电流通过线圈时会产生高温，不及时冷却就会烧毁线圈。相比于传统火炮几百发乃至几千发的身管寿命，如果电磁炮在实战中需要频繁更换轨道，优势就很难体现。

◎弹丸的过载

电磁炮的弹丸初速高，承受的过载非常大，要求其自身结构、制导部件能够抵抗如此高的过载。目前，已知最先进的抗过载电子设备能抵抗的加速度，可能还不能适应未来电磁炮高速弹丸的加速度水准。这可能会限制电磁炮使用制导弹药的潜力。现代的电磁轨道炮本质上是动能武器。如果无法直接命中目标，那么即使炮弹动能再大，也无法对远距离目标造成有效的杀伤。以目前的技术水平，也还无法在如此高速炮弹上实现精确制导，这一点对于电磁炮在空军的实际应用会更加致命。

◎能量转化率

另一方面，目前电磁炮的能量转化效率还太低。美国的试验炮电能转换效率刚刚到达30%左右。在实验室条件下，电磁炮的能源转换效率也不过勉强达到50%，大部分能量都被转化为热能浪费了。如果能够提高能源转换效率，在降低对发电功率要求的同时，也能缩小储能装置的体积，并且降低对轨道和线圈冷却的设计压力，进一步实现平台的小型化。

最后一个困难是研制成本高。对此美国海军海洋系统司令部司令威廉·希拉瑞德曾表示：因为电磁炮需要巨大的能量，海军起码要30年后才能开始考虑取消战舰上的常规火炮。但美国电磁炮炮弹的研发却进展顺利，在用127毫米传统火炮发射电磁炮炮弹的试验中，弹丸速度可达马赫数3，虽低于电磁炮的马赫数7，但这仍比现有的传统火炮炮弹快一倍。未来，美国海军考虑利用这个成果，把这种炮弹列装到舰艇传统火炮上。