洛伦兹力左手定则(左手定则判断安培力的方向)

在很多科幻题材的文学作品、影视剧和游戏中,诸如病毒、核战争、外星入侵、地球环境改变、超新星爆发等末世题材虽然带着一点杞人忧天,但有时搞不好真能在现实中找到影子,就比如这个新冠病毒。

这一类型的科幻通过描绘人类在极端环境下重构的社会模式、价值观,从不同的角度探讨了人性在各个方向上的可能极限,并对夹缝下发展的科技进行了大胆的设想,虽有不少类似题材的影视剧弄的很糟粕,但也不乏精典之作。

辐射系列、地铁系列就是末世题材中核末日的经典代表。

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《辐射(Fallout)》系列游戏作品首部于1997年发行,由传奇工作室黑岛开发,其原子朋克的复古主义背景受到上世纪50年代美国战后文化的影响,表达了对核动力技术承诺的希望与对核毁灭的潜伏恐惧共生的世界观。

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地铁系列包括《地铁2033》《地铁2034》《地铁2035》,由俄罗斯作家德米特里·格鲁霍夫斯基( Dmitry Glukhovsky)于2002年创作,讲述了全球核大屠杀之后,位于莫斯科地铁内最后的幸存者们从地下走上地表的故事,其中地铁2033详细构想了核末日条件下幸存的人类,在莫斯科地铁系统有限空间内发展出的派系及错综复杂的关系。感兴趣的可以看一看小说或者是直接玩玩游戏。

言归正传,在这两个末世题材里,有很多令人印象深刻的标志性产物,若辐射系列里的核子可乐、核动力装甲,地铁系列中的防毒面具、手握发电机。今天我们就来严肃的聊一聊其中的大杀器–电磁枪。

一说到电磁枪或者电磁炮,可能小伙伴们想到的就是精度高,威力大,无后座力,秒杀一切,马上要引起军事变革了,事实真的是这样的吗?从科研走入战场到底还要多久?

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地铁离去中米勒中校的电磁枪

电磁枪简单说来就是使用电磁力作为发射能量的枪,从原理上来区分的话,主要有线圈式和轨道式两种。

电磁线圈枪(coilgun)

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最古老的电磁枪是一种电磁线圈枪(coilgun),产生于1900年,是由当时的挪威皇家腓特烈大学的克里斯蒂安·伯克兰(Kristian Birkeland)教授提出并发明的,该装置将500克的弹丸加速到了50米/秒,并于1904年正式获得专利。

电磁线圈枪还有个很酷的名字叫做高斯枪(Gauss rifle),这个名字从何而来呢?名称“高斯”是指卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss),就是你上初中时听到的,他自创公式从1加到100秒杀你的那个数学王子,正是他对电磁枪的磁效应进行了数学描述。

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辐射系列中的电磁线圈枪或者叫高斯枪呈现出浓浓的核机械朋克风

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现实中的线圈枪,最显眼的就是铜线绕制的电磁线圈

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工作原理是这样的:线圈枪通常由沿枪管排列的一个或多个线圈组成,线圈通电后会产生轴向(飞行方向)磁场,铁-钴-镍等可磁化材料制成的金属棒被磁化后相当于一块磁铁,因为异性相吸向前飞行,线圈以精确的时间顺序被加电和关闭,从而使弹丸沿枪管不断的被吸出去。

怎么样?看起来是不是很酷很给力,不好意思,我要给你泼一盆冷水,就目前线圈枪所能达到的最大发射初速来说,还只能归为玩具。更不可能像辐射游戏里那样竟然还能发射等离子束。

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原因有2:

1、电控有极限:上图可以看出线圈通电后会趋于将磁化金属棒固定在线圈的中心,实际上,电磁线圈只有在金属棒进入的前半程做正向加速作用,过了中心点后要迅速断电,让金属棒以惯性飞向下一组电磁线圈。因而必须通过电控装置精确的控制各组线圈的通电时间,特别是在采取多组线圈串联时,随着弹丸速度的提升,这种控制的难度会不断加大。

2、磁场难提升:这种铜线绕制的线圈,想要获得更强的磁场,就必须进一步提高电流,但线圈本身有一个耐受极限,过大会导致线圈绝缘层击穿短路烧毁。

电磁轨道枪(coilgun)

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好吧,看起来这种线圈式的电磁枪有点小儿科,那我们来看看另外一种轨道式的究竟怎么样吧?

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是不是很霸气?别闹了,目前手持式大小的电磁枪在现实中无论是线圈式还是轨道式它就是个玩具。

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上图各式各样的电磁枪,就其规格和能量来说,达到常规手枪300米每秒以上的初速都很困难,事实上这种电磁枪的初速一般都在100米每秒以下。

轨道枪工作原理:

我们都知道,垂直于磁场方向运动的带电粒子会受到与其运动方向共面且垂直的作用力,就是著名的左手定则嘛,这种作用力就是洛伦兹力,其作用力的宏观表现是安培力。

轨道式电磁枪正是运用这种安培力来发射的弹体的。

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可以用左手比划一下哦

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3点决定了其可以成为武器级:

1、电流暴力:轨道式电磁枪的原理也决定了其供电通常采用暴力的电容式供电法,需要且可以在极短的时间将轨道上的电流提升至极限。

2、电控相对简单:轨道可以做的很长,即使加速到很高的速度,也不用担心线圈式遇到的交替电控问题。

3、复合弹体:发射的弹体可以为非磁性,只要导电即可,因此除弹体尾部衬垫提供导电功能外,弹头可以金属钨、甚至化学爆炸物复合弹体,部分弹体实验采用了强钕磁铁以增强磁斥力。

鉴于上述原因,轨道式被广泛采用,轨道式电磁枪也逐步发展成了武器级别的电磁炮。

发展历程:

轨道式原型的出现要稍晚于线圈式,最早由法国发明家安德烈·路易斯·奥克塔夫·法洪-维勒普勒(Andre Louis Octave Fauchon-Villeplee)于1917提出,二战期间,纳粹德国军械办公室的约阿希姆·汉斯勒(JoachimHänsler)提出了第一款理论上可行的电磁炮,但因为能源供应问题最终仅停留在初期实验阶段。从上世纪80年代开始,美国陆军研究实验室、海军研究实验室、DARPA等重新聚焦轨道炮武器的研发,把包括电磁轨道炮在内的定向能武器视为“第3次抵消战略”的关键。随后,轨道式电磁炮的研究不断取得进展,逐步从实验室走向靶场,开始实弹测试和舰载集成,而发射速度也逐渐开始向每秒2公里以上拓展。

2大军火商领衔轨道炮研发

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2010年前后,与美军合作的通用原子公司(general atomics)和BAE Systems公司的轨道炮方案受到了广泛的关注。

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通用原子公司成立于1955年,是美国国防企业通用动力(General Dynamics)的子公司,其开发的多任务轨道炮武器系统代号闪电”(Blitzer),单发发射能量达32兆焦耳,射弹飞行速度达到5马赫(约1.8公里每秒)。

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BAE的2016年试射

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2017年试射

BAE Systems 是一家全球性的军工企业,在美国,英国,瑞典和以色列均设有分公司。2010年12月10日,BAE系统公司开发的试验室轨道炮在美国海军水面作战中心达尔格伦分部成功试射,发射能量33兆焦耳。

根据其官方资料,在全速状态下,其安装在美国海军舰艇上的电磁轨道炮将能够以初始速度7.5马赫(2.8公里每秒)将重约18公斤重的炮弹发射100海里(约185公里)远,并以5马赫(约1.9公里每秒)的速度撞击目标。

技术细节及威力效能

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到底有多大的威力?

通用原子公司对轨道式电磁炮的评估是:精确间接射击、附带伤害小、高速长程,超限拒止,高效能,低成本、低负荷后勤保障。

超远射程、高超声速:1兆焦耳能量相当于1吨重的小汽车以时速160公里行驶,那很简单嘛,33兆焦耳的能量,你自己想象吧,从射程来说是常规火炮的10倍以上,美军最终实战配备目标是64兆焦耳级电磁炮,射程最远可达321公里,可让军舰在敌舰射程范围外发动攻击。

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轨道炮的射击原理决定了其理论上可以通过增加轨道长度、上轨电流等参数来无限制的提升威力。上图是著名的众筹游戏“星际公民”中虚构的一种世界之星宇宙电磁炮,出速达到9550公里每秒,最大射程为8 250公里,用电量相当于一个拥有580万居民的城市所需要的电力。

动能公式的威力

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E=mv^2/2,从这个公式你能看出什么,是的,速度的平方,通常,增加弹丸的速度要比增加弹丸的质量具有更高的效能,这也就是为什么电磁炮具有如此强大穿透性的原因,因而主要被用于反导和反装甲。

不服跑个分!

讲到这里有小伙伴们可能要说,化学能火炮也是很厉害的啊,二战时的德国就搞了个巨炮家族堪称毁灭者,好吧,那就比一比这两种火炮谁厉害吧?

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多拉大炮:身管长32.48米,全长42.9米,口径800毫米,火炮全重1329吨。其中的高爆弹重4.81吨,内装700公斤炸药。

单发能量相当于2928.8兆焦耳,射程47千米,每小时4发。单发效能比是:77千克*千米/兆焦耳。

电磁轨道炮:我们就用BAE公司的火炮来比一比:单发弹重18千克,发射能量33兆焦耳,射程185公里,每分钟10发。单发效能比是:101千克*千米/兆焦耳。

77对101,还不错,传统的化学能火炮初速大概在800米/秒(很少是1000米/秒)左右,要使传统炮弹的速度提高20%,就必须使火药的质量增加一倍,因此其效能有个明显的上限。

其实也不是神!

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看到这里,小伙伴们是不是很嗨了,不好意思,我又要泼冷水了,什么东西都有利有弊嘛,电磁炮只能是丰富武器库,别忘了还有激光哦,同时要取代传统火炮,嗯,作为一个老炮兵,我感情上不接受,真的,目前还差得远。

制约因素:

电源系统:根据有关数据,目前电磁炮的发射回路电流约为5兆瓦,相当于强雷击峰值电流的25倍,峰值电流会更高,轨道炮必须能够在极短的时间内释放超强的电流,因此对电源的控制提出了很高的要求,最常用的电源形式是电容器和强制器,威力越大,要求越高,同时对能源的要求也是海量的,没个航母、战列舰、核动力啥的,一般的小平台是搞不定的。

轨道强度:轨道炮同样符合牛顿第三运动学定律,由于其高加速度和极短的能量释放(毫秒级),后坐力相较于化学武器有过之而无不及,但为了保持安培力的稳定,也就是要保持轨道的稳定性,轨道必须要承受很高的应力且保持位置固定不产生形变,而目前这还有待于材料学的进一步突破。

火炮寿命:导轨和弹丸(或弹丸衬垫)必须由坚固的导电材料制成,弹丸在轨道内飞行的时候,由于大电流和摩擦,与轨道之间会产生电弧,导致轨道表面快速汽化和弹丸出现一定程度的消熔,同时也影响了电磁轨道炮的发射速度和寿命。

能量利用率不高:目前电磁炮的能量转化效率约为30%,也就是说算上单位时间射速和总输入能量,电磁炮和多拉谁厉害还真不好说。

那有小伙伴就要说了,怎么不用超导呢,超导不是很厉害吗,事实上关于在轨道和关键部件上使用超导材料的研究和方案早在1989年就有了,但目前尚无资料表明已经用上了,首先目前的超导都是低温条件下获得的,这与火炮射击高温高压正好相矛盾,其次,成本、材料强度、实战保障要求等方面也有很多障碍。

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总之,电磁炮基本物理原理简单而实际工作机制复杂,实际运行是一种集电磁、温度、应力3场和固、液、气、等离子四态于一身的瞬间非线性耦合过程(老复杂了),目前还有诸多问题需要解决,距离实战应用还有一定的时间,事实上即使有钱的老美现在也开始考虑折中方案了,就是用常规火炮来发射高超声速炮弹,所以大家都淡定一点。

你们都是弟弟!

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来了!该说说神一样存在的光速电磁炮了,同样运用的是洛伦兹力。

27公里长,能够把弹丸加速到光速的99.999999%,它就是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。对呀,这也算电磁炮!

大型强子对撞机(LHC)是世界上最大、能量最高的粒子对撞机,从1998年到2008年,历时10年,由超过10000名科学家、数百所大学和实验室以及100多个国家合作建造的,位于日内瓦附近的法瑞边界下方深达175米(574英尺)的隧道内,周长27公里。

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那为啥这个LHC就能把粒子加速到接近光速呢?这里面有2个原因:

首先用于加速的带电粒子如质子电子足够轻,与电磁枪中的射弹质量那就不是一个数量级的,质量轻加速也就比较容易了。

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其次,为了获得超强的磁场,LHC所有的电磁铁都是由覆铜铌钛超导材料做成的,总共安装了约10,000个超导磁体,使用的超导材料重达470吨,需要大约96吨超流氦4将磁体保持在1.9 K(-271.25°C)的工作温度下。

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LHC中的偶极磁体磁场强度最高可以达到7.7特斯拉,大约是地球磁场强度的15万倍,正因使用了如此之多的超导磁体,才能将带电粒子束缚在27公里长的圆圈内并将其加速到接近光速而不会撞击到真空管内壁。

吸星大法、威力巨大

在大型强子对撞机运行期间,CERN站点要从法国电网汲取大约200 兆瓦的电力,这大约是日内瓦市能源消耗的三分之一。

在进行撞击试验的过程中,以质子为例,每对质子的撞击能量为13 TeV,正因为如此巨大的撞击能量,才使LHC发现了被称为上帝粒子希格斯玻色子。

鉴于本片的主题,关于LHC也就不过多展开了,毕竟人家可是正儿八经搞研究的,又不是武器,后面我们专门开篇再聊吧。

关于末日科技的下一个话题,大家想聊点什么,欢迎留言!喜欢的话就关注一下喽

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