電影裡的電磁炮在打外星人,而我們的電磁炮用來滅火

審核專家:羅會仟

中國科學院物理研究所副研究員

在《變形金剛2》電影中曾出現這樣一幕——美軍的戰艦上的一門電磁炮,在一陣電磁喧囂聲後,以巨大的威力轟擊金字塔頂端的敵方變形金剛。

來源丨電影劇照

來源丨電影劇照

這一幕曾經給熒幕前的我們帶來了很大的震撼,同時又有一些疑問在我們心頭油然而生,電磁軌道炮這種武器真實存在麼?它與我國2021年11月試射成功的消防用電磁炮又有什麼區別和聯繫呢?

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電氣時代新寵——電磁炮的前世今生

自從19世紀法拉第發現電磁感應定律之後,人們就開始嘗試著將這一科學原理應用到武器當中。在20世紀初,有人就提出過利用洛倫茲力發射大炮的假說,在第二次世界大戰期間,德國、法國等國家都嘗試研究過電磁炮武器。作為一種動能武器,其彈丸質量和出膛速度是衡量其威力的主要參數。二戰時期的德國就在實驗中做到過將10克的彈丸利用這一原理加速到1200米每秒的速度。

戰後的20世紀70年代,澳大利亞國立大學做到了將3克的彈丸加速到了6000米每秒。經過幾十年的發展時間,到了2010年時,美國所研製的電磁炮武器就做到了以五倍音速擊中200千米外的目標,其威力相當於常規武器的十倍。目前世界上有許多國家包括我國在內都在積極研究電磁炮,嘗試著去發掘它更大的潛能。

美國海軍特種作戰中心試射電磁炮的照片

來源丨維基百科

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電磁炮的產生——精益求精的能量運用

縱觀古今,每一次武器的發展,都伴隨著人們對更大威力的武器的需求——換言之,就是讓能量以更高的效率使用出來。

原始時期,我們的智人祖先從空手投擲長矛到發明了擲矛器;再之後人們製作弓箭和弩,用彈性形變將積攢的能量快速釋放;從中世紀到近現代常規武器的發展中,人類使用爆炸這一劇烈的化學反應發明了火藥武器,將大量的化學能用來催動大威力的武器,以追求更大的殺傷力。

現在最為常見的兩種火藥之一——黑火藥

來源丨維基百科

但以爆炸來催動武器,終有其力之不及之處,首先作為劇烈的熵增過程,爆炸的本身就帶有著劇烈、不好控制等因素,其次在爆炸過程中,有很大一部分能量都是以熱能的形式釋放,爆炸釋放出的能量只有很少一部分能轉化為炮彈的動能發射出去,這是這一過程本身性質所決定的,縱然我們如何改進提升它的效率,也是極其受限的。

來源丨維基百科

來源丨維基百科

所以,尋找一種更高效的能量轉化,並且釋放更大能量的方式,自然而然地成為了未來武器發展的目標。在科學家的上下求索當中,電磁炮進入了它們的視野當中。

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電磁炮的原理——電磁感應新的視野

電磁炮目前的類型目前主要分為三類——軌道炮、線圈炮、重接炮。

這一類武器最基本的原理,就是我們高中課本中的安培力公式:F=BIL,即通電的導體在磁場中會受到力的作用。利用這一原理將一個外殼導電的炮彈在固定磁場中加速後發射出去。

軌道炮也叫磁軌炮,以電流產生的洛倫茲力加速炮彈,使炮彈沿著平行的導軌移動併發射出去。

磁軌炮的運作概要圖

磁軌炮的運作概要圖

來源丨維基百科

線圈炮則是利用一組或者多組線圈,線圈在通電過程中產生磁場,這個磁場會對炮彈產生引力或者斥力,從而將炮彈加速。重接炮是一種特殊的線圈炮,其原理和線圈炮大致相同。

線圈炮的原理示意圖

來源丨維基百科

不同於傳統火炮,電磁炮的能量利用效率會更高,在理論上,電磁炮的初速度可以達到20-30馬赫,為了達到讓炮彈短時間內有如此高的初速度,目前普遍採用電容儲存電荷並在短時間內釋放的方法,並且在這一過程中的能量轉化主要為電能轉化為動能,能量損耗會很小,絕大多數的電能都會變成電磁炮彈恐怖的初速度的一部分。

在一些視訊演示中,我們可以看到電磁炮彈輕而易舉擊穿多層鋼板,這都是歸功於它本身可怕的動能,又由於其優秀的能量轉化效率,它在達到如此威力的同時,成本又遠低於傳統火炮。

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科幻電影中的電磁炮距離我們還有多遠

在一些科幻電影中,我們常常能看到電磁炮的身影,它巨大的威力往往能給我們很大的震撼,但是在現實裡,電磁炮真正的用途有哪些,它離我們的生活又有多遠呢?

首先,電磁炮最早作為一款武器概念被提出,其在戰場上具有一定的用途,但在實際中,電磁炮的主要應用方向卻並不像電影中那般高端大氣,我們開展電磁炮研究,更多是重視它廉價,高效等特點。相比於傳統火炮,它能用更少的成本,達到更大的打擊速度,發射的間隔也變得更少,對於炮體的維護也更加便捷,這才是其本質優勢。同時,受益於其更大的速度,電磁炮在未來,將更多的發展在穿甲、反導、防空等作戰領域中。

在2021年11月份,央視展示出的視訊中,農業用電磁炮等小型便攜電磁炮已經投入使用,可以用來進行消防、農業等方面的工作,這些都已經說明小型電磁炮已經開始走進民用領域,同時也在一步一步進入到我們的生活當中。

來源丨央視網

來源丨央視網

那麼,未來呢?人類從遠古時期開始仰望星空,近代開始我們開始接觸我們頭頂的無人深空,但由於載荷入軌過程中燃料和助燃劑始終佔據了荷載的一大部分,人們對星空的探索,始終像帶著枷鎖的舞蹈。

和電磁炮工作原理基本相同的電磁彈射發展迅速,目前我國已研發出採用電磁彈射方式的航母艦載機,我們或許可以想象,如果未來這一先進技術應用於航天領域,我們對星空探索的步伐將會加快。

本文經授權轉載自:數字北京科學中心 作者:北京科學中心

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不代表中科院高能所立場

編輯:席禹

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