电磁炮原理

东湖珞珈 · 发表于 2012-9-21 00:06:16

前天放学后接儿子回家，路上就在谈这个RAILGUN

得大自在 · 发表于 2012-9-21 03:57:36

到此一游!

puber · 发表于 2012-9-27 17:59:47

这个东东出来后,感叹:
1. 地球真是显得太小了,300公里外,几分钟内"点穴"。
2. 只以破坏而不以占领为目的的战争成本又会降低好多,主要是电费,金属弹丸的成本就更不计了。昂贵的制导部分也没了。
3. 太空探测，监控系统更重要了。
4. 防守方的噩梦啊, 现有的防守技术都失效且成本太高, 科技不行的小国家更只有挨打的份了。
5. 这可是大国称霸的必备利器。

风牧雨 · 发表于 2012-10-6 18:42:39

能不能搞个什么座舱，人坐在里面，用那个电磁炮发射，嘿嘿，人间大炮。

冰蚁 · 发表于 2012-10-9 01:47:48

风牧雨发表于 2012-10-6 05:42 , \. m& q7 |/ @ ~
能不能搞个什么座舱，人坐在里面，用那个电磁炮发射，嘿嘿，人间大炮。

如果能搞成一个近地轨道飞行器的发射平台，会很有意思的吧。

MacArthur · 发表于 2012-10-9 02:41:29

冰蚁发表于 2012-10-8 12:47
* p$ L5 c: H, n& X6 x D5 w# a; k- Z如果能搞成一个近地轨道飞行器的发射平台，会很有意思的吧。

如果能挂到近地轨道上，就没必要用电磁发射了 -- 直接丢下去，光是势能转化动能也够喝一壶 -- 实际上这就是美国所谓“太空拐棍”计划：让悬浮在轨道上的可变轨空间站携带大量简单金属棒 - 贫铀或者钨棒，万一有事直接变轨到你头顶上往下丢棒棒。。。每一根丢下来都是十几吨级的当量，破坏力甚强。。。防不胜防，也根本没法防。。。

冰蚁 · 发表于 2012-10-9 04:27:07

MacArthur 发表于 2012-10-8 13:41
5 \) E, X0 M, e8 _5 u. _1 j7 q如果能挂到近地轨道上，就没必要用电磁发射了 -- 直接丢下去，光是势能转化动能也够喝一壶 -- 实际上这就 ...

我想的不是你说的这么个东西。我是针对上面说的人间大炮说的。

我们可以先不搞载人的，弄点货物/货船的发射。发到近地轨道，用机器人对接，拼装出大型物件；或者给空间站提供补给。

lycomm · 发表于 2012-10-12 00:13:19

我怎么感觉这些武器都是美帝用来对付TG的.

海阔 · 发表于 2012-11-5 18:18:14

似乎国内也在搞这玩意；看马院士的事迹；

wzhao126 · 发表于 2012-11-21 13:40:58

这个太牛B了，可惜这么先进的东西怎么都是美国人先搞出来的。

lycomm · 发表于 2012-12-9 15:30:17

山姆大叔不干别的，就研究武器和金融，堕落了，哎，堕落了。

seek · 发表于 2014-1-24 11:18:30

本帖最后由 seek 于 2014-1-26 17:05 编辑

还剩
5. 电磁炮带故障运行与维修
6. 电磁炮辅助设备
7. 电磁炮生产装备
8. 电磁炮耗能计算
9. 电磁炮工程经济学计算
10. 电磁炮工程实现
--------------------------------------------------------------继续施工------------------------------------

5. 电磁炮带故障运行与维修
   嗯，我们当然希望设备完全没有故障，不过这基本是不可能的，特别是当部署于炎热潮湿的海上盐雾加振动环境中，多数设备都会出现大大小小的故障，让我们先来看看故障的定义和分类，然后再谈谈如何避免故障和无法避免故障时应当如何应付的工程实际问题。这一部分主要是跟现场工程实践的实现相关，不是那些高校研究所里坐而论道闭门造车骗取国家经费的，估计对于编申请书忽悠评审砖家让国家冤大头买单没什么用或者对于东拼西凑攒论文发表没什么帮助，不感兴趣的读者可以直接跳过该部分。
   一、带故障运行的原因
（一）设备故障的定义
   机器设备是工业生产的物质手段，是生产力的重要组成部分。机器设备能否安全、正常运行直接关系到一个企业乃至部门、国家爱的经济发展。
对于机器设备故障的定义目前尚未有统一的说法，各种文献上的定义也都不尽相同。
按国标（GB3187-82）规定，给定层次级上的子分系统的故障是指该子分系统“丧失规定的功能”，或者说，给定层次级上的子分系统的输出与所预期的输出不相容。按我电子工业部部标（SJ-2166-82）的规定，在一般情况下，故障是指：
设备（系统）在规定的条件下，不能完成规定的功能；
   设备（系统）在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的上下限值之间；
设备（系统）在规定的应力范围内工作时，导致设备（系统）不能完成其功能的机械零件，结构件或元器件破裂、断裂，卡死等损坏状态。
（二）设备故障的分类
由于机器设备多种多样，因而故障的形式也有所不同，必须对其进行分类研究，以确定采用何种诊断方法，故障分类的形式主要有几种：
    一）、按故障存在的程度分类
   1）、暂时性故障  这类故障带有间断性，是在一定条件下，系统所产生的功能上的故障，通过调整系统参数或运行参数，不需要更换零部件又可恢复系统的正常功能；
      2）、永久性故障  这类故障是由某些零部件损坏而引起的，必须经过更换或修复后才能消除故障。这类故障还可分为完全丧失所应有的完全性故障及导致某些局部功能丧失的局部性故障。
   二）、按故障发生、发展的进程分类
   1）、突发性故障  出现故障前无明显征兆，难以靠早期试验或测试来预测。这类故障发生时间很短暂，一般带有破坏性，如转子的断裂，人员误操作引起设备的损毁等属于这一类故障；
   2）、渐发性故障  设备在使用过程中某些零部件因疲劳、腐蚀、磨损等使性能逐渐下降，最终超出所允许值而发生的故障。这类故障占有相当大的比重，具有一定的规律性，能通过早期状态监测和故障预备来预防。
   以上两种类别的故障虽有区别，但彼此之间也可转化，如零部件磨损到一定程度也会导致突然断裂而引起突发性故障，这一点在设备运行中应予注意。
   三）、按故障严重程度分类
   1）、破坏性故障  它既是突发性又是永久性的，故障发生后往往危及设备和人身安全；
   2）、非破坏性故障  一般它是渐发性的又是局部性的，故障发生后暂时不会危及设备和人身的安全。
   四）、按故障发生的原因分类
   1）、外因故障  因操作人员操作不当或条件恶化而造成的故障，如调节系统的误动作，设备的超速运行等；
   2）、内因故障  设备在运行过程中，因设计或生产方面存在的潜在隐患而造成的故障。如设备上的薄弱环节，制造商残余的局部应力和变形，材料的缺陷等都是潜在的因素。
   五）、按故障相关性分类
   1）、相关故障  也可称间接故障。这种故障是由设备其他部件引起的，如滑动轴承因断油而烧瓦的故障是因油路系统故障而引起的，这一点在故障诊断中应予注意；
2）、非相关故障  也可称直接故障。这是因零部件的本身直接因素引起的对设备进行故障诊断首先应诊断这类故障。
   六）、按故障发生的事情分类
   1）、早期故障  这种故障的产生可能是设计加工或材料上的缺陷，在设备投入运行初期暴露出来。或者是有些零部件如齿轮对及其他摩擦副需经过一段时期的“跑合”使工作情况逐渐改善。这种早期故障经过暴露，处理，完善后，故障率开始下降；
   2）、试用期故障  这是产品有些寿命期内发生的故障，这种故障是由于载荷即外因，运行条件等和系统特性即内因，零部件故障，结构损伤等，无法预知的偶然因素引起的。设备大部分的时间处于这种工作状态。这时的故障率基本上是恒定的。对这个时期的故障进行监视与诊断具有重要意义的；
   3）、后期故障也称为耗散期故障  它往往发生在设备的后期，由于设备长期使用，甚至超过设备的使用寿命后，因设备的零部件逐渐磨损，疲劳，老化等原因使系统功能退化，最好可能导致系统发生突发性的，危险性的，全局性的故障。这期间设备故障率是上升趋势，通过监测，诊断，发现失效零部件后应及时更换以避免发生事故。
   （三）设备故障管理
   故障管理是设备管理的核心内容之一，其目的是在于早期发现故障征兆，及时采取措施进行预防和维修。
   那么，故障管理究竟干些什么呢？俺个人认为分为三大阶段，以下纯属个人意见，概不负责
   一）、设计、制造和修理阶段的故障管理因素（工作负荷、工作环境、设备保养和操作技术）
   1）、在设计阶段就必须根据使用充分考虑避免或者减少故障发生的可能，或者设计时留有冗余应对故障发生
   2）、制造和修理阶段必须考虑到材料选择、加工质量、装配质量等因素，防止或者限制故障发生的可能
   二）、运行阶段的故障管理
   1）、故障诊断，根据状态检测得到的信息结合设备的工作原理、结构特点、运行参数及历史运行状况，对设备可能发生的故障进行分析预报，对设备已经或正在发生的故障进行分析判断以确定故障的性质、类别、程度部位及趋势，从而找出必要的对策。
   2）、在设备故障发生之前,运用适当的维修策略消除故障隐患和设备缺陷,使设备始终处于完好工作状态。
   三）、技术升级改造后的故障管理
   对常发生或多次重复出线的故障部位或零件重点监测，必要时对其进行系统技术改造，建立故障信息管理流程。

   上面这段话说得有些复杂，比较适合国内现在把简单变为复杂的学术风气潮流，下面用普通话翻译一下：
   故障就是非正常状态，包括不能正常工作，达不到期望性能或指标不满足，以及设备损坏等。
   故障分类有很多种，不同故障有不同的应对方法，就像牙坏了，有补牙、拔牙、根管治疗等等不同的治疗手段。
   在设计、运行维护、升级改造阶段，故障是可以进行预防和维修的。

   好了，从以上我们可以看出以下几点：
   一）、好的设计可以避免全部或者绝大多数故障的出现，所以说好的设计人员其实才是真正的人才，只不过善战者无赫赫之功，善医者无煌煌之名，比如扁鹊很有名气，但估计没几个人知道扁鹊还有大哥二哥，大哥二哥叫啥名也没流传于世。
   二）、设计时要考虑到制造和使用者的技术水平，如果打算让一帮扩招后的三本大学生来装配和操作，那么设计时就要考虑到制造和装配、使用过程中不需要操作者用到超过一元二次方程组水平的数学知识，因为文盲半文盲即使花钱买到了文凭也还是文盲半文盲，只不过是有文凭的文盲半文盲，感谢教育部的扩招让文盲也有了文凭。
   三）、现代的检测手段使得故障能够被监视甚至预报，在此基础上可以合理安排维修，使得设备尽量保持完好并且维持最大的出勤率。
   四）、有些故障并不要求停运，即有的故障允许设备继续运行一段时间，也就是带故障运行。

   其实带故障运行是很常见的事，原因如下
   一）、现在的设计者很多一辈子都没到过生产现场或者工程现场，很多人就是在学校直接到研究单位，然后就被圈养了，出去参观学习的机会都被不干活的领导及其随从给抢占了，真正需要出去开阔眼界交流的技术人员反而被排除在外。井底之蛙闭门造车设计出来的东西当然会有各种各样的问题，这样的后果请参考帝都地铁的设计，特别是换乘设计，先感谢国家。
   二）、不仅是没有机会见到国内外同行的产品技术，很多砖家既没吃过猪肉，也没见过猪跑，特长就是对自己想象中的猪进行所谓研究，而恰恰很多时候就是这些砖家把持了国家的科研经费拨款，由于这些砖家没搞过实际工作，本能地对于工程实践工作有厌恶抵制情绪，而倾向于把钱投向所谓的把简单变复杂的一些理论研究（其实很多时候就是天下文章一大抄，看你会抄不会抄），也就是大部分投向自己或者自己门生，而不愿意投钱给实干者去提高工业设计制造能力和水平。这种砖家设计出来的东西，永远都是理论上先进，实践上.......。
   三）、某些应用场合确实很恶劣，比如海军用的电磁炮，那是要装在舰艇上满世界各大洋跑的，必然就会遇到各种各样的环境条件，比如腐蚀性盐雾、高低温差、振动。出厂前试验不可能完全模拟实际现场，若考虑不周，出现各种故障问题也是可能的。
   四）、操作运行人员不按规程操作。中国人最大的特点就是聪明，而有时候人太聪明了就自作聪明习惯偷懒，一偷懒就容易出问题，一出问题就容易导致故障。
   五）、现在的实业环境，大家都知道啦，除了炒房和金融赚钱来得容易，实业利润率被压得死死的，大家被迫都偷工减料，有良心的厂家用差品牌的零件，没良心的厂家就直接用没品牌的零件了，做习惯了军品也一样，前段时间刚曝光了霉国军工商到华强北采购打磨芯片。用了品质差的元器件，那么整机故障率升高也就是正常现象了。

   废话了那么多，接下来瞎掰几句。
   电磁炮作为武器，与传统武器不同，电路部分为主体，分为强电和弱电部分。强电部分的特点是电流功率密度大、发射频率尽可能高、对散热结构设计要求高。弱电部分要求抗干扰性强、控制精确、可靠性高等等。看起来说得简单，其实每项做起来在工程上都是巨大的挑战。下面举例说明
   一）、超高电流/功率密度
   打个比方，一条普通公路，比如双向四车道，每分钟通行流量是100辆车。那么第一个问题，如果要把通行流量提升到200辆车怎么办？有的同学会说，很简单，把车道数增加到双向八车道就行了。恭喜这位同学小学算术基础扎实，答对了！接下来是第二个问题，如果要把通行流量提升到1000辆车怎么办？有的同学经过心算，举手回答说，把车道数增加到双向四十车道就行了！这个答案理论上似乎可以......但是有谁见过这么宽的公路吗？那么应该怎么办呢？一种方法是，另外再修几条公路，比如京津唐高速车满为患之后又要修第二条京津唐高速。但是随之而来的新问题是，怎么分配流量到各条路上，以便均衡负载？若不能正确分配流量，那么就可能出现一条路挤得跟帝都二环、三环、四环大停车场似的，另一条路却空空荡荡跟无人区似的。另一种方法是提高平均车速，比如不许马车、驴车上路，马和驴的孩子骡子也不能上路，再把自行车（人力的和电动的）、摩托车给禁止了，小排量的QQ夏利之类的也不准出现，再搞点私家车限行啥的，只发无限制通行证给公仆的大排量豪华车队，那么平均车速就提高了，单位时间内的流量自然也就提升了。第三种方法是采用行车电脑配合测距雷达，缩短前后车距，或者使用一些新技术，这样也能提高单位时间内的流量。
   同理，电流密度提升后也会遇到类似的问题，而且由于电流的趋肤效应、电阻热效应等，使得大电流密度时的情况更为复杂，远不是1+1=2这样简单叠加就可以解决的。通常而言，在材料没有突破前，加大电流密度是很困难的，只能迂回前进，比如使用分裂导线，或者降低温度使用超导，或者改换思路提升电压从而提升功率密度。当然提升电压也不是那么容易的，从低压到高压的实现跨度可不是线性的，不过可能有的人没法成功提升电压反而会欲盖弥彰吹嘘自己故意不提升电压的。
   二）、电流/功率控制
   由于发射的弹丸或者飞行器的重量和目标速度不同，以及加速过程运动方式不同，电流/功率是受控变化的。很显然，要把一架满油满弹的重型战斗机和一个小炮弹发射出去，在轨道上加速过程的加速度变化和最终出口速度、以及是否要考虑滑块减速回收等都是不同的，因此对于电流/功率的精确控制，包括每个时刻的大小控制和全过程总量的控制，都提出了极高的要求。
   三）、电磁兼容
   虽然电磁兼容的理论大家都知道，但是真做起来不是那么容易的，特别是遇到大电流剧烈变化的时候。比如电脑主板上的蛇形走线和接地层过孔处理，这个不是光靠理论就能算明白的，也要靠软件模拟和试验才能整清楚的，而且有时由于受限于设计者水平，挂一漏万，可能没考虑到某种极端情况下比如霉国放了个EMP时强电电路和弱电电路会受到什么影响。通常而言，EMC的手段有几种
   1）屏蔽，加个乌龟壳把内部设备保护起来，电屏蔽相对容易实现，磁屏蔽就比较难了。
   2）滤波，电子板上经常用铁氧体材料在频域上把不需要的频谱滤掉。
   3）接地，强制电路中的某点接地保持地电位，这样就得到了等电位体，使电荷能够导出。
   还有就是从设计时就考虑到受电磁干扰情况下，装置仍然能够正常工作，就是设计时采用各种措施，使得装置不那么娇气，比如采用先进的鲁棒性好的控制结构，可以减少对参数变化的敏感度，也可以减少降低对电磁屏蔽等的要求，大大节约成本，放宽工艺要求。
   四）、冗余/可靠性
   先拿个大家熟悉的AESA来说，一般都有上百个发射接收单元，坏几个无碍大局，这就是冗余。电磁炮由于结构原理不同，冗余相对来说就稍微难做点。这个就不具体说了，大家自己慢慢摸索吧，反正没钱的也烧不起，有钱的用的也不是自己的钱，国家的钱烧就烧吧。有悟性的，可能少烧几次，而悟性不够的，就持续烧下去吧，反正国家有钱，给你了就不花白不花好了。

   概括一下：
   一）、大容量必然带来工程上的挑战，并非是简单的线性叠加就可以解决的，在实验室里做一个小规模原理样机很简单，做一个全尺寸原型机就难多了。
   二）、不是在理想情况下能把载荷发射出去就算成功，首先要考虑到各种载荷本身特性的不同带来的对技术指标特性的不同需求，其次要考虑各种边界异常故障情况下的处理措施，如果只能在理想条件下才工作，遇到点恶劣条件就罢工，那就跟温室里的花朵一样，中看不中用。而且大容量的用电装置的行为对于所接入的电力系统有很大冲击，并不像我们日常生活开个灯关个灯对电网的影响可以忽略不计，特别是如果所接入的电网是舰上电网这个很特殊的小电网，潮流波动的影响非常巨大。实际上，对于俺们这种干工程的，做个理想条件下的样机从来都不是工作的重点内容，真正费劲的是设想模拟各种异常故障情况下如何保证设备能尽可能地发挥最大作用并保证自身和系统安全。当然，这些东西都属于技术秘密，如果没有亲自干过，没有大容量电力电子装置的实战经验和对电力系统的深刻了解，光靠看了几篇灌水paper就拍脑袋是拍不出来的，查论文是查不到干货的，抄是抄不会的（如果有得抄的话）。就像ABB的纯机械结构的VD4型断路器，国内研究仿造了多年，还是达不到同样技术水平，更不用说带有电路板和代码的控制器的装置了，比如说HVDC-Light，原因就是即便你抄了全套也还是知其然不知其所以然。有些情况下也没法抄，比如歼20为什么不能抄F22的气动布局？因为发动机不给力，即使抄了也没法达到同样的机动性，所以只能用先进的气动外形来弥补发动机的不足。跟大家想象的不同，越是基础薄弱有短板，越是需要有先进的理论和设计来支撑，才有可能不落后于对手，如果按部就班就知道抄，那永远都只能当跟屁虫。所以看一个人是否真有能力在工业基础薄弱的条件下做出世界领先的设计，可以先看看他的实践经历、亲自写的论文和专利是否有理论领先的可能，很难想像一个天天在高校研究所忙着申请项目搂钱挂名指导一堆研究生博士后的功成名就的获奖专业户能真有机会有精力去干实际工作，更不用谈能做出先进实用的设计了。
   三）、对于工业品的要求和样机是完全不一样的，不是搞个试验样机把个模型发射出去就OK了，就算不惜成本不计代价，至少弹射频率，故障率，大修周期神马的都合格，才能真的上舰，才谈得上成功。所以我们经常看到新闻这突破那成功的国家发奖鼓励表彰啥的，但是市场上迟迟不见真面目，或者好不容易出来了却毛病百出，为啥呢？就是因为工程化实用化这一步跨不过去。要是光看CCAV的各种评奖新闻，个个学霸获奖者都牛气冲天，中国早就成了世界唯一的超级强国了。国家把一堆奖和拨款发给早已经不亲自做科研光忙着把持拨款的学霸，真正干活的反倒要饿着肚子受剥削压榨，狗粮吃不到狗嘴里，这才是中国缺少创新动力只能走山寨之路的真正原因，但是山寨也不是那么容易的，光抄个CFM65核心机都花了多少年？
   这也就是为何以前钱学森回国后力主先集中力量搞火箭的原因，因为飞机是要重复使用的，以当时的工业基础条件是不合适的。这大概也是电磁炮号称成功，但是迟迟不装备入役的根本原因，成本绝对不是问题，对于国家而言，能用钱解决的问题都不是问题，大不了继续多印钞拉动经济增长就是了，但是总不能装上去了时不时出点故障，打一发要保养维修一两天甚至更长吧？特别是电磁弹射，紧急情况下要做到一分钟弹射至少一次的频率下连续可靠运行1小时，大修间隔无论如何不能少于一次例行训练、执勤周期吧？再次，总不能弹射一两次，就要维修工上去检修有无故障更换易损件吧？像霉国B2那样出动一次就要清洗重新喷涂料的做法，就算国家再有钱，总要费时费力吧，这样折腾哪受得了？

然后203 · 发表于 2014-1-24 12:32:27

据说可以用核磁共振设备发射动能蛋。
偶是在东野圭吾一小说改编的电影里看到的。

小书童 · 发表于 2014-1-25 09:43:54

MacArthur 发表于 2012-10-9 02:41 ) ?# b0 {3 R; o2 c9 F
如果能挂到近地轨道上，就没必要用电磁发射了 -- 直接丢下去，光是势能转化动能也够喝一壶 -- 实际上这就 ...

如果悬浮在空中，那么还是需要初始推力的啊，同时降低对方的反应时间，防止被攻击，然后，如果有一定动力的话，变轨精度可以降低很多，有个攻击覆盖面了。

seek · 发表于 2014-1-26 10:30:13

seek 发表于 2014-1-24 11:18 9 @% f0 X/ a1 b, u& X
还剩
4 X0 B7 V4 r/ Z( N0 O( Q3 \5. 电磁炮带故障运行与维修
: P6 D) I9 ]9 J0 {* c6. 电磁炮辅助设备

--------------------------------------------------------------继续施工------------------------------------

二、带故障运行
前面提到了由于各种各样的原因，包括教育、实体经济环境，设计者水平经验，国家科研经费投放方向等，我们得到的设备必然有这样那样的问题导致各种故障，这是正常的，也不必大惊小怪，当然这些问题都是小问题，只要继续烧钱，总有一天能完全解决的。不过我们先不等那一天了，先谈谈电磁炮的带故障运行。

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[科技前沿] 电磁炮原理

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