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來源：互聯網

軌道炮（英語：Railgun）也稱電磁軌道炮、磁軌炮，是利用軌道電流間相互作用的安培力發射彈丸的發射裝置，是電磁炮的一種。

軌道炮由兩條連接著大電流源的固定平行導軌和一個沿導軌軸線方向可滑動的電樞組成。發射時，電流由一條導軌流經電樞，再由另一條導軌流回，而構成閉合回路，強大的電流流經兩平行導軌時，在兩導軌間產生強大的磁場，這個磁場與流經電樞的電流相互作用，產生強大的電磁力，該力推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿導軌加速運動，從而獲得高速度。

軌道炮的發展可追溯到第一次世界大戰時期，最早的軌道炮概念是法國發明家福瓊-維萊普勒（Louis Octave Fauchon-Villeplee）在法國都鐸蓄電池公司幫助下申請的一種接觸式的“能夠推進彈丸發射的電子設備”的專利，隨后世界多個國家注意到了其前景，紛紛開始了軌道炮的研制，但直到第二次世界大戰結束后，軌道炮的研制工作受困于技術限制，進展緩慢。由于傳統炸藥等常規推動劑為動力的軍用火炮發展瓶頸逐漸顯現，其發射速度難以超過2公里/秒（5.9馬赫），但軌道炮卻很容易超過3公里/秒（8.8馬赫），殺傷潛力巨大，因此很多國家意識到了其在軍事和航天等領域的前景，對軌道炮的研究在上世紀80年代后期開始活躍，截止到2023年，中國、美國、俄羅斯、英國、日本、土耳其等多個國家都取得了一定的研究成果。

發展沿革

背景起源

到19世紀中期，第二次工業革命逐漸拉開帷幕，人們對電磁領域的探索越來越活躍，幾乎與英國物理學家查爾斯·惠斯通申請線性電動機的專利的同時，就有人意識到了電磁力也可以用于加速物體，挪威科學家克里斯蒂安·伯克蘭（Olaf Christian Bernhard Birkeland ）在19世紀末開始了對此的細致研究，并成功研制出了一部能夠將500克彈丸加速到大約每秒50米的裝置，這是最早的電磁線圈炮。但線圈炮的結構太過復雜，人們逐漸發現了一種結構更加簡單的解決方法，那就是直接利用兩條軌道在大電流通過時產生的電壓。

早期發展

亨利·都鐸在1886年發明了世界上第一塊商用化的鉛酸蓄電池并創立了都鐸蓄電池公司后，一直在不斷探尋蓄電池的更多的應用場景。1917年，在都鐸公司的支持下，法國發明家福瓊-維萊普勒（Louis Octave Fauchon-Villeplee）研制出了一部小型的電磁軌道炮，在但當時未測量軌道電流和彈丸速度。1920年，福瓊-維萊普勒發表了《電氣火炮》一文，并獲得了三個專利，這是世界上關于電磁軌道炮的最早的專利。該技術迅速引起了法國軍方的注意，時任法國軍備部副主任儒勒·路易·布勒東委托福瓊-維萊普勒研制能夠實用化的30毫米至50毫米口徑軌道炮，但最終未能成功。1936年，南斯拉夫軍方雇員也采用相似的方式進行了試驗。同時，美國費城的電炮公司研發了用于火炮的電磁加速器，并據稱普林斯頓大學也進行了相關研究工作，成功運用電磁力將物體推射。到第二次世界大戰爆發前夕，各種電炮的專利達到了45項。

在第二次世界大戰期間，德國和日本等國都曾研制過超電磁炮，1944年，德國亞希姆?漢斯勒博士和邦澤爾總檢驗師在馬格德堡的訓練場進行了10毫米口徑線圈炮的試驗，以裝甲板為靶板，電源采用汽車蓄電池和電容器并采用發電機供電，然而試驗失敗了。1944年，德國的漢斯勒博士研制出長2米、口徑20毫米的軌道炮，能把重10克的圓柱體鋁彈丸加速到1.08公里/秒；1945年他又將2門軌道炮串聯起來，使炮彈速達到了1.21公里/秒。隨著德國的戰敗，漢斯勒博士的研究工作也中止了。二戰后的德國的軌道炮相關研究技術被美國獲得，1946年，美國陸軍裝備部委托裝甲研究基金會專門評估了這些技術，但得出的結論是能源供應問題無法解決，軌道材料問題也不好解決，美國軍方在當時暫時放棄了進一步研究工作。

冷戰時期的發展

美國軍隊放棄電磁炮和電磁發射技術之后，美國的研究工作主要以科研院所和商業化的形式進行，并出現了一些具有重大意義的新技術，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory,LANL）的博斯蒂克（Bostick）團隊于1958年較早了提出“軌道炮”即“電磁炮”這個名詞，并率先進行了等離子體電樞的軌道發射試驗，這些技術為后來軌道炮的成熟化作出了鋪墊。

到上世紀70年代末，澳大利亞國立大學的理查德?馬歇爾博士及其同事制成了可供1.6兆安電流的550兆焦耳雙層單極發電機，并在其上試驗了高電流密度的滑動接觸，在所設計并建造的軌道炮系統上用等離子體代替金屬銜鐵，以此推動投射物，1978年，澳大利亞國立大學物理學家理查德·馬歇爾和約翰巴伯等人使用5米長的軌道炮，將質量3.3克的塑料彈丸以5900米/秒的高速發射成功，這一進展極大鼓舞了各國電磁炮研制者。德克薩斯大學電機中心也設計和制造了5兆焦、10兆焦等一系列單極發電機，利用美國的軌道發射裝置將300克重的投射物加速到4.2千米/秒。

進入世紀80年代，多國的軌道炮研究獲得重大突破，美國用5米長的軌道把2克重的彈丸加速到10千米/秒，接近第二宇宙速度（11.2千米/秒）。1982年，蘇聯把1.3克重的彈丸加速到5千米/秒。日本則研制了長達700米的50~100級多級軌道炮，把1克物體加速到近150千米/秒的超高速，用于研究高速撞擊引發核聚變。1987年，法國和德國國防部共同創建了法德圣路易斯研究所 (ISL)，專注于軌道發射技術和電磁裝甲技術領域的研究。1988年試射中國最早試驗型電磁炮“303EMG”，采用電磁箍[gū]縮炮（前級）與軌道炮（主炮）相串級的全電磁軌道炮方案，成功將質量30.2 g的彈丸以3 km/s的初速射出，技術指標達到美、俄等國的同期水平。

冷戰后的現代發展

美國

1991年，美國國防部成立了“電磁炮聯合委員會”，協調軍隊、能源部、國防核能局及戰略防御倡議機構分散進行的電炮研究工作。，開始將軌道炮的研究工作提升到一個全局的角度，此后，世界很多國家也開始以國家層面大力開展軌道炮的相關技術研究工作。

2001年11月，美海軍高技術研究所通過參數研究和建模活動擬訂未來新型軌道炮系統的主要性能參數：即軌道炮必須是可以安裝在水面艦只上，其重量相當于155毫米高級火炮系統，能夠以63兆焦耳初始動能和2500米/秒（7.5馬赫）的初速度發射20公斤的彈丸。高速彈丸只需要6分鐘就達到200海里以外的目標，并能以5馬赫的速度對目標實行動能碰撞。

2003年4月，美海軍在蘇格蘭柯爾庫布里郡成功完成90毫米口徑電磁炮發射高超音速彈藥的海上演示驗證試驗；美海軍海上系統司令部將該試驗結果提交到美海軍海上研究顧問委員會電磁炮技術研究小組，該小組于2004年2月公布了一份評估報告。

2008年1月31日上午，美國海軍在達爾格倫水面作戰研究中心試驗了一種當時號稱“世界上威力最大的電磁軌道炮”。在此次試驗中，炮彈出膛速度達到7倍音速，發射能量高達創紀錄的10.68兆焦耳。2010 年，美國海軍測試了BAE設計的用于艦載的緊湊型軌道炮，將3.2千克的炮彈加速到大約3,390 米/秒（12,200 公里/小時）大約10馬赫的速度，動能為18.4焦耳，再次刷新了世界紀錄。

2017年年底，美國戰略能力辦公室發言人表示“目前美國的電磁炮不符合現有發展技術能力，因此會把著眼點放到傳統火炮上”，并在2019年停止撥款，終止電磁炮的研發項目。

中國

2018年2月，中國海軍在海洋山號坦克登陸艦的進行了第一次軌道炮的上艦試驗，“海洋山”號艦新增一個龐大的炮塔結構，前部甲板上放置了三個發電機組和控制系統的集裝箱。

日本

2010年，日本防衛省開始著手研發用于近程防御的小口徑軌道炮系統。在2015年時，日本防衛裝備廳就研發了16毫米的小口徑軌道炮，在炮口采用弧形設計有效減少發射對炮口的燒蝕。2016年，防衛省在此前小口徑軌道炮的研制基礎上，開始實施40毫米口徑的軌道炮的研發，目標是初速度達到2000米/秒，并達到120發以上的耐久性。目前，該項目已經進入后期。2018年，日本加速軌道炮的研發。2018年8月2日，日本防衛省正式對外宣告其正在研制軌道炮裝置——“電磁加速系統”，該系統是電磁炮的技術試驗原型機。該設備體積小，配套設施齊全，包括直線電磁推進加速器、功率轉化器、脈沖式儲能裝置、電力分配控制、散熱裝置等子系統。從2010年—2016年該項目共投資10億日元，可以以2000米/秒的速度發射10千克的炮彈。2019年11月，日本防衛省公布了在下北試驗場試射分離彈的一些數據和分離時視頻。根據日本媒體報道，在研究測試階段，日本的軌道炮原型機的發射速度曾達到近2300米/秒。

俄羅斯

2016年7月，俄羅斯工程師研制的軌道炮加速器在俄羅斯科學院高溫聯合研究所進行了首次測試，它能使物體達到第一宇宙速度。2017年1月進行的俄羅斯新型軌道炮測試中，采用一顆小塑料彈丸擊穿鋁板，速度為3千米/秒，達到了馬赫數8以上的速度。

印度

印度研究軌道炮可以追溯到1994年，并且當時就已取得初步成果。2017年11月，印度宣布其自主研發的電磁炮取得初步成功。該型電磁炮發射彈丸速度為馬赫數6，可以將3～3.5克的彈丸加速到2000米/秒的速度。2022年10月，印度宣布成功研制出國產軌道炮，其炮口初始動能達到10兆焦耳。在發射中，彈丸速度超過2000米/秒。對重量為80、120、250和500克、口徑從12毫米到45毫米的不同彈丸進行了測試。

英國

英國軌道炮的研發特點是和美國緊密結合，從1997年開始，英國BAE系統公司就與美國合作開展軌道發射技術、脈沖電源技術、彈丸技術研究，并于2012年向美國海軍交付了單發全尺寸軌道炮工程樣機，并成功進行了射擊實驗，炮口動能達到32MJ的階段性技術指標。2012年，BAE系統公司開始開發具有先進冷卻機制的脈沖電源系統，保證炮管的可重復使用率。2014年7月，BAE系統公司在美國海軍“米利諾基特”號高速聯合艦上展示了工程樣炮和發射用一體化彈丸。

歐盟

1997年，法德圣路易斯研究所位于法國東部的工廠建造了軌道炮的全尺寸樣機，定型為“飛馬座”（Pegasus），并開發出了多型軌道發射器。其中，50mm圓形口徑發射裝置的效率高達29.9%，可以將質量為356.8g的電樞加速到2.24km/s；40mm方口徑發射裝置則可將質量為1kg的彈丸發射到2.0km/s以上的速度，并且發射效率超過25%。

在2017年度“法國武器裝備總署創新論壇”上，該研究所提出了全功能車載軌道炮概念，并進行了實彈射擊演示，這種小型炮彈的初速達到了120米/秒，該研究所認為該技術未來的第一個實際應用領域可能會是海軍領域。現該研究所正牽頭開展“應用軌道炮增強遠程投擲效果”（PILUM）項目，旨在進一步研究軌道炮及其超高速射彈的可行性，并提供軌道炮作為遠程火炮系統的概念驗證，達到200公里的目標射程。該項目還匯集了法國、德國、波蘭、比利時和意大利的系統集成商、國防系統廠商和中小企業等多方資源，以解決關鍵的科學和技術差距，推動軌道炮技術的快速發展。

土耳其

土耳其在2008年開發出了該國第一種電磁軌道炮的概念模型，并于2014年開始進行樣機研制階段。2018年6月，土耳其進行了其首次軌道炮公開測試，一款名為“SAHI 209”的軌道炮發射了一發彈丸摧毀了一輛小汽車。2019年1月，土耳其再次進行了軌道炮測試，射穿了多層鋼板和混凝土墻。

各國軌道炮對比

基本原理

軌道炮在結構上由兩條平行的金屬導軌組成，導軌的一端連接電源，將導電彈丸插入軌道之間，就會組成閉合回路，電流由正極經過彈丸回到負極。通電導體周圍會產生磁場，其方向遵循右手定律，示意圖中的兩條通電導軌之間的區域便會形成方向從下往上的磁場。通電的彈丸在磁場中受到洛倫茲力作用加速，就會向炮口端移動。

忽略電場，帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力為：

宏觀體系下，彈丸所受洛倫茲力即為安培力，大小為：

其中L為導軌間隔。

畢奧-薩法爾定律給出，恒流導軌激發的磁場大小正比于電流：

經過一些簡單的推導，我們便可以得到理想條件下彈丸加速度公式為：

其中，L'為單位長度導軌的電感，當彈丸向炮口移動時，電路的電感會增大；I為回路中的電流；m為彈丸的質量。

從該式可以看出，對導軌炮而言，無論是增大導體電流還是增長導軌長度都可以將彈丸增大到更高的速度。一般而言，要將彈丸加速到數千米每秒的速度，電流大小應在百萬安培量級。

基本結構

目前世界各國軌道炮發展過程中基本結構主要由以下幾個關鍵部分組成：

發射裝置

發射裝置按照研究進展，一般分為試驗型發射裝置、增強型發射裝置和工程型發射裝置，其中試驗型發射裝置由于電磁軌道炮的發射裝置在工作過程中不僅承載MA級大電流，而且接觸副之間有相對速度達數km/s的滑動電接觸，這種極端的電、力、熱沖擊條件下的材料特性和結構特性數據皆為空白。了解發射過程、探索發射規律和積累材料基礎數據，需要結構便于調整、材料易于更換、狀態可以檢測的試驗型發射裝置。試驗型發射器的水平間接標志著電磁炮發射術的水平和發展。增強型發射裝置是電樞加速過程中在軌道上疊加磁場，旨在提高電感梯度，使得軌道在承載同樣電流的條件下電樞獲得更大的加速度，是電磁軌，道炮的重要發展方向之一。外加磁場的方式有多種，基于效能考慮多數集在多軌的技術方案。與試驗型發射裝置不同，應用背景下的工程型發射裝置側重應用的可靠性、穩定性和靈活性，因此擺脫試驗型發射器繁雜的結構，緊湊化和輕量化是其重要標志。

儲能系統

電磁發射在工作過程中最高功率達到GW級，常規電源無法支撐這樣的瞬態功率需求，一般采用脈沖功率電源。脈沖功率技術是在較長的時間用相對較小的功率將電能儲存起來，根據需要瞬態釋放，實現能量在時間尺度上的壓縮和功率的倍增，可以支撐電磁發射的需求。脈沖功率電源中，儲能元件是核心元件，常見類型包括：電容儲存靜電能，電感儲存磁能，電機儲存慣性動能。

電樞結構

電磁軌道發射器一體C形固體電樞結構設計是電磁軌道發射器系統中核心技術之一，由于其技術敏感，沒有公開的文章論述電樞結構參數與電磁發射應用要求的關系。國外針對一體C形電樞的相關機理和設計研究主要涉及到電樞載流容量、電樞與軌道接觸壓力、電樞磁鋸效應等方面。

材料散熱系統

電磁軌道需要使用非常耐磨的材料來承受高速運動中的摩擦和磨損，這對材料的要求非常高。同時，射擊還會產生大量的熱量，需要妥善解決軌道散熱問題，否則會影響性能和使用壽命。目前主要采用的方法是應用低溫等離子體材料加上磁場的定向約束作用增升高速運動的電樞軌道接觸面的電導率，從而提高電流在電樞-軌道接觸面的電流擴散率，降低趨膚效應，降低燒蝕效果。

技術優勢

軌道炮在技術上相較于常規火炮具有明顯的優勢。首先，它的炮彈體積小，重量輕。炮彈幾乎不使用推進劑，減少了裝藥量，所以炮彈的體積只是傳統120毫米口徑火炮炮彈的八分之一，重量是其十分之一。此外，軌道炮的彈丸運輸、后勤保障更加安全、可靠和方便，且可大幅提升軍艦的載彈量。若安裝在水面艦艇上，其可攜帶數百發軌道炮彈，遠遠超過目前可攜帶的數十枚導彈。

其次，軌道炮的彈丸速度快、射程遠、精度高、威力大。由于軌道炮沒有圓形炮管，彈丸飛行時空氣阻力較小，因此發射穩定性好，速度甚至可達7倍音速，超越目前各國列裝的所有巡航導彈。射程可達160公里，可與普通反艦巡航導彈媲美。此外，軌道炮發射過程均由計算機控制，彈頭裝備激光或其他制導裝置，飛行速度超高使彈丸不易受干擾，因此具高精度打擊能力。另外，該炮后坐力小，但威力極大，炮口動能達32兆焦，若彈丸直接撞擊目標則可將其摧毀。

第三，軌道炮造價低，抗干擾性強。在根據目標的性質和距離進行射擊時，可調節和選擇適當的能量以調整彈丸的射程。從發射能量成本來看，常規火炮的發射藥每兆焦能量的生產成本為10美元，而軌道炮的發射成本僅為0.1美元，更加經濟實惠。與導彈相比，軌道炮更為優越，每發炮彈價格僅為2.5萬美元，而1枚導彈將耗費50至150萬美元，不僅造價昂貴，而且還需返回港口或依托補給艦進行補給。

技術難點

軌道炮技術的技術難點主要包括軌道的抗燒蝕、超高速、遠程彈丸、脈沖功率電源、材料和發射裝置設計等方面。

未來前景

一是軌道炮可以改變未來大口徑火炮對目標的殺傷機理，相比傳統大口徑火炮，軌道炮在殺傷力、速度、貯彈量和費用等方面都更為優越，并將徹底改變未來大口徑炮對目標的殺傷機理。軌道炮利用炮彈超高速撞擊動能來實現毀傷目標的目的，無需爆炸裝藥和推進劑，大大降低了后勤保障成本，并能消除爆炸裝藥和推進劑帶來的環境和安全問題。此外，軌道炮的彈藥庫可以更緊湊、更安全，并能攜帶更多炮彈。

二是軌道炮有可能成為未來500公里范圍內精確打擊的主要方式。目前，轟擊地面目標主要有三種形式——火炮、遠程導彈和飛機。然而，傳統火炮的發射速度已經達到了極限，無法再提高。例如美國海軍的127毫米艦炮試驗證明，發射“增程制導彈藥”（ERGM）的初速不到1000米/秒，需要依靠火箭助推和制導裝置來提高效果，因此總成本遠高于普通導彈。相比之下，軌道炮具備更高的打擊速度和效費比，能在6分鐘內完成500公里外岸上目標的打擊任務，打擊速度更快。

三是軌道炮有可能在攻防兩端改變未來海戰力量對抗平衡。在攻擊方面，軌道炮的速度快，能有效壓縮防御方的反應時間，灌頂攻擊方式也讓攔截變得更加困難。同時，軌道炮適合攻擊掩體、工事和地下目標，可用于打擊對方的戰略設施。在防御方面，軌道炮能夠擴大海上防空反彈道導彈的作戰范圍，縮短防御系統的反應時間，并可明顯增強防御系統的綜合攔截效果。如果配合使用制導技術，其單發攔截概率與艦空導彈相當，但發射彈數比艦空導彈多得多。

值得注意的是，軌道炮與電磁線圈炮不同，其彈丸或彈丸載體需要通電，是整個電系統的關鍵閉合回路，必須承受極大的電流，且發射時對軌道的直接燒蝕同樣作用于彈丸上，因此其難以用于需要發射內部精密的衛星彈丸的航天發射領域。在上世紀80年代美國航空航天局 (NASA)針對電磁發射應用在航天領域就對軌道炮與電感線圈炮兩者進行了分別研究，結論也主要是側重在磁懸浮加速領域，也就是線圈炮，因為電磁線圈炮的彈丸在加速過程中不需要接觸導軌，不存在導軌與彈丸之間的直接燒蝕，但NASA的研究最終止步于150千克級的彈丸發射，未獲得實用化成果。在馬偉明院士2016年的發表的國防科技大學學報中也提到，未來航天領域的的電磁發射應用前景也將在懸浮推進線圈技術上。

參考資料 >

是的，就是你所認為的那個電磁炮. 揚州大學物理科學與技術學院.2023-04-11

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英語：Railguns: All you need to know about the weapon that uses electromagnetic force.Interestingengineering.2023-04-11

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法德圣路易斯研究所披露電磁導軌炮.搜狐.2023-04-10

美國電磁軌道炮再獲新進展.新浪科技.2023-04-10

“絕密武器”從科幻電影走進現實.中國青年報.2023-04-09

電磁軌道炮研制獲新進展.新浪新聞.2023-04-09

停止研發電磁炮，美軍為何作此決定？ .中國軍網.2023-04-11