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兵器工业专业名词科普：全电坦克: wusaite 2019-8-3 20:47; 全电坦克伍赛特全电坦克（ All Electric Tank ）是采用电炮（包括电磁炮、电热炮和电热化学炮等）作为主要武器的、利用电传动作为驱动力传递手段的、采用电磁或电热原理装甲防护的和使用各种电子（或电气）部件提高坦克作战效能的新概念坦克。电炮以电为能源，能量转换效率高，可获得比常规固体发射药火炮更高的弹丸初速和能量，具有更强的毁伤能力。以电传动形式传递驱动力，传动效率高、性能好，可获得比常规坦克更高的机动性；采用电瓶供电传动时产生的噪声小，不容易暴露目标，特别适合作战使用；电源与用电器间仅以电线电缆连接，给坦克总体设计带来了极大的灵活性。电装甲的出现，改变了传统装甲防护的消极被动防护模式，为提高坦克生存能力创出了一条新的途径。英国陆军早在 1997 年年底前已进行了电磁炮弹的演示试验，以验证电磁炮的可行性，计划在 2002 年前完成新型电装甲和电传动技术演示，演示验证于 2005 年结束。美国防务武器专用局对陆军电热化学炮和电传动技术研究持支持态度，法国、日本等国家对电传动技术的研究均已取得了一定成果。参考文献《国防科技名词大典》总编委会 . 国防科技名词大典兵器 . 北京：航空工业出版社 , 2002.01:347. 伍赛特 . 燃料电池应用于坦克动力装置的前景展望 . 装备制造技术 ,2018(12):91-94.; 个人分类: 科普集锦|2869 次阅读|0 个评论

在高围岩强度输水隧洞开凿中应该使用轨道电磁炮技术: fanxiaoyingz 2019-2-20 00:47; 在高围岩强度输水隧洞开凿中应该使用轨道电磁炮技术秦岭输水隧洞已经开凿了 91.5公里，可谓成绩骄人。但是我们也注意到，其中全长 18.3公里的岭南TBM标段是制约引汉济渭全线贯通的“卡脖子”工程，该标段自2015年2月底试掘进以来， 17个月仅完成了 2.1公里的施工任务，月均进尺170米，施工进展十分缓慢。该地段最大的特点就是“硬”，岩石以石英岩和花岗岩为主，强度极大，好似钢板一块，刀具磨损量巨大，一个星期刀具更换数量达到123把。还有消息说，使用世界上最先进的强度最大的盾构机也不顶用，最后不得不使用钻爆法打通最后几公里，但是由于围岩硬度大难以钻探，隧洞长而且深洞内高温高湿不通风环境不利于作业，大大降低了钻爆法的掘进速度。由以上情况可以知道，超长度深埋高强度围岩隧洞的开凿，使用盾构机和钻爆法都不理想，速度很慢，岩石硬度大难以掘进。那么哪一种方法比较理想呢？这种情况又一次使我想起了使用 “电磁轨道炮”的飞爆法。我认为飞爆法是解决深埋、硬岩、大直径水工隧洞的最好方法。电磁炮听起来很神秘，其实它的结构和原理很简单．电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统，它利用电磁系统中电磁场的作用力，把炮弹的速度分次加速，主要部件由电源、高速开关、加速装置、炮弹、计算机控制系统五部分组成，弹头又装有激光制导或其他制导装置。电磁炮没有圆形炮管，弹丸体积小，重量轻，使其在飞行时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好，初速度高，射程远．由于电磁炮的发射过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度。电磁炮的加速作用的时间要比其它炸弹长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。电磁轨道炮有一些突出优点：一是弹丸速度快，精度高，射程远，威力大，目前其初始速度超过了 3000米/秒。从理论上讲，其速度可以超过第一宇宙速度。我们正是利用轨道电磁炮所发射的高速炮弹的能量，来钻透硬度很高的岩石，让炸药在岩石内部爆炸，从而提高开凿隧洞的速度。当然，这些能量最后几乎全部转化成为热能，使得岩石的温度瞬间达到熔点，从而让炮弹顺着熔化岩石进入围岩内部，然后引爆炮弹内的炸药，从而提高开凿隧洞的速度。所以高速度的炮弹有双层作用，一方面，其很高的能量熔化部分岩石，另一方面炮弹自身的高速度有钻探作用，能够钻进岩石，双层作用把带着炸药的炮弹钻进岩石深处，让炮弹从内部爆炸。对于这种轨道电磁炮，我曾经在《希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中》有所交代。目前看来，对付硬度很大的岩石，轨道电磁炮所发射的飞弹最为合适，飞弹法是未来最为理想的开凿超长度深埋高强度围岩水工隧洞的技术。当然，虽然轨道电磁炮的技术原理并不复杂，它就是电动机的原理，但是正真把炮弹加速到每秒钟 3000米以上则是一个高技术，现在各个国家竞争激烈，主要应用在军事上。实际上上，由于轨道电磁炮原理简单，所以不可能被军事独占，它的原理大量地应用在民用设备上，而用来制造开凿隧洞的设备也是完全可以的。我在《飞弹爆破法钻洞技术初探》和《希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中》已经阐述了飞弹法的诸多好处，这些好处促使我们区研究轨道电磁炮和飞弹。现在，我们来计算一下使用飞弹法所能够达到的开凿硬岩石的效果。尽管我们计算的方法比较简单，但是比较实用，不一定完全正确，但是大方向不会错。假设，我们拥有一个重量为 5公斤的飞弹，飞弹的长度是1米，飞行方向横截面尺寸为0.1米圆形，所以其截面积为3.142*0.05*0.05=0.007855平方米。由于飞弹的长度假设为1米，而其飞行速度为V，所以V的倒数就是飞弹作用于岩石上的时间，误差不会大。又假设，岩石的硬度很大，超过了70兆帕，甚至达到了300兆帕，计算以300兆帕为参数值。一般岩石的熔点在1200摄氏度，极端难熔的岩石的熔点是1600摄氏度，而钢铁的熔点是1500摄氏度，我们按照极其难熔化1600摄氏度为标准。一般常见的岩石比热容大约是2MJ/m3·℃，其含义是1立方米的岩石温度升高1摄氏度，需要吸收2兆焦耳的热能。那么按照这个比热容来计算，1立方米岩石从常温升高到1600摄氏度的熔点需要吸收1600*2=3200兆焦耳的能量。假定有3200兆焦耳的能量施加在一个正方形的岩石上，刚好可以融化1米长、1米高、1米宽的岩石。那么现在我们假设3200兆焦耳的能量施加在只有钻头那么大截面积的岩石上，而且瞬间就融化，那么它能够融化几米长呢？1/0.007855=127米长。反过来说如果融化1米长，截面积是0.007855平方米的岩石（飞弹穿透的截面积），只需要25.136兆焦耳能量即可。我们假设飞弹的动能全部转化为热能，当这个飞弹被加速到1000米每秒、1500米每秒、2000米每秒、2500米每秒、3000米每秒、3500米每秒、4000米每秒、4500米每秒、5000米每秒的时候，其动能、动量，冲量，作用于岩石的时间，冲量产生的力，飞弹给于岩石的压力，飞弹的能量能够融化的岩石的长度等指标分别计算如下表：速度作用时间动能动量作用力压力热熔化长度米秒兆焦耳兆牛顿兆帕斯卡米 v T=1/v W=m*v*v/2 Q=m*v F=Q/T P=F/0.007855 L=W/25.136 1000 0.001 2.5 5000 5 635 0.10 1500 0.000667 5.625 7500 11.25 1429 0.22 2000 0.0005 10 10000 20 2540 0.40 2500 0.0004 15.625 12500 31.25 3969 0.62 3000 0.000333 22.5 15000 45 5715 0.90 3500 0.000286 30.625 17500 61.25 7779 1.22 4000 0.00025 40 20000 80 10160 1.59 4500 0.000222 50.625 22500 101.25 12859 2.01 5000 0.0002 62.5 25000 125 15875 2.49 从以上的计算表可以看出：对于硬度为70兆帕以上的硬岩，速度为1000米每秒的飞弹就能够穿透，但是其产生的热量只能够让飞弹在岩石中前进10厘米长，很浅，无法埋设炸药，炸药的引爆效果必然很差，几乎只是岩石表层爆炸。如果要让飞弹钻进1米深，必须熔化前进接近1米，再依靠本身产生的强大压力钻进去一点，从而在1米甚至更深的地方引爆炸药，从上表可以看出，要达到这个效果应该把飞弹的速度加大到3000米每秒以上。当飞弹速度为3000米每秒时，它的动能转化的热能能够熔化大约0.9米深的岩石，而其强大的压力达到了5715兆帕，足以钻透钢板，可以再向前几十厘米。当然，这些能量加载在岩石上，岩石不仅能够熔化，而且能够变软，所以飞钻的钻探深度会超过1米。这个尺度符合我们的要求。因此，我们希望我们制造的轨道电磁炮能够把炮弹的速度提高到至少每秒3000米，即9马赫以上的速度。根据目前的资料，轨道电磁炮作为一种新式武器，各国正在加紧研制。但是如何控制加速装置，如何提高大质量的炮弹速度依然是一个难题。而我们水利工作者所要创造的是一种新式的开凿隧洞的方法。过去，我们的水工隧洞很少有大直径的，秦岭 98.3公里长的隧洞的直径只有8.1米，按照这个速度每年只能输送大约15亿立方水（秦岭隧洞的规划中明确提出，很显然这个经过了严格的核算）。但是根据谢才公式，隧洞直径越大，输水效率越高，水的流速越高，所以一般来说隧洞直径在20米比较合理，而一般的盾构机和钻爆法都很难做到这么大的直径。虽然每次发射需要消耗很大的电能，但是陆地上电能供应充足，实际上加速到3000米的用电量不足7度电，成本也超不过7元。而飞弹法由于速度快，远离岩爆区域，飞弹范围大，能够准确用药准确定位，所以是理想的硬岩水工隧洞开凿技术。; 个人分类: 气候生态|2098 次阅读|0 个评论

希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中: 热度 1 fanxiaoyingz 2018-3-25 00:15; 希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中目前开凿隧洞的方法大概有三种：一种是新奥法，新奥法的着眼点在于安全，其实就是分层分区以不同的节奏开凿隧洞，分别支护好后把中间分隔部分再开凿，形成一个隧洞整体。第二种是盾构机法，盾构机的原理是用强力把岩石撵碎，从出渣口排出，而把开凿和防护一起完成，这个方法很好地解决了人员和机器设备安全问题，也对掘进速度有很大提升，但是依然不适合现实需要。第三种开凿隧洞的方法是爆破法，爆破法就是在开凿面按照一定的规则打许多眼，打眼的目的是把炸药安放到岩石内部，然后连接各个引火线，一起起爆，从内部向外炸开岩体。爆破法的缺点非常明显，一个是工作人员必须去工作面，而工作面往往烟尘非常大，空气不新鲜，岩石和土体可能随时崩塌，二是工作人员必须钻孔打眼，钻孔打眼的时间非常长，非常费工；三是必须逐个安放检查炸药，还需要把各个连线连接起来，技术复杂；四是工作人员必须定期撤离，定期进去，必须执行严格的安全制度。以上四个步骤极大地减小了隧道的凿进速度，为此我在博文《飞弹爆破法钻洞技术初探》（ http://blog.sciencenet.cn/blog-117615-1091970.html ）中发明了一种“钻探飞弹”，使用该弹，可以把岩爆法施工中的几个步骤省略，省去了钻探、安放、布线和引爆四个环节。我们紧紧抓住了岩爆法施工必须把炸药放到岩石内部，从内部引爆的中心思想，发明了类似穿甲弹的“钻探飞弹”。但是，经过计算钻探飞弹的飞行速度应该大于每秒两千米最好，但是一时之间没有找到方法。为什么需要开凿速度比盾构法快几倍的新技术？因为中国是一个地势起伏很大的地方，有些必须的工程都需要长隧洞。中国目前必须修建的长隧洞有：中国去巴基斯坦的隧洞，可以避免攀爬 6000 米的克什米尔高原；中国去塔吉克斯坦的隧洞，可以避免攀爬 6000 米的帕米尔高原；从雅鲁藏布江到柴达木盆地的超长隧道，让清清流水滋润干旱的北方；从长江打隧洞到丹江口水库，以便于把长江的水用于南水北调。可以使用隧洞联通怒江、澜沧江和长江，使得这些河流的水互相调剂，防止洪闹灾害。甚至可以从武汉地区打一条长度为 800 公里的隧道，一直打到河北省。这样就能够让当地人直接抽取井水。总之，有了超长隧道，我们就可以干很多事情。经过研究，我觉得提高开凿速度的最好的办法还是岩爆法。我们不仅需要把目前的岩爆法中钻探、安放、布线和引爆四个工序集中到一起，而且要让飞弹的速度基本上达到瞬间击穿 2 米厚的岩石的程度。瞬间击穿 2 米厚的岩石需要多大的速度呢？穿甲弹初速可达 1500 ～ 1800 米 / 秒，可击穿 300 ～ 550 毫米的垂直均质装甲。由于岩石硬度和钢铁硬度不同，钢铁的硬度不仅有硬度，而且有韧性，不脆、而岩石的硬度大，容易脆裂， 1000 摄氏度度容易融化，所以估算 2000 米每秒的 “钻探飞弹”能够打进岩石，但是如果需要深入到 2 米以内爆炸，则需要 3000 米每秒以上的速度。那么如何获得这么大的速度呢？这个方法就是电磁炮的应用。据有关报道，从理论上讲电磁炮的速度可以超过第一宇宙速度（ 7.9 千米 / 秒）。其实，电磁炮的原理并不复杂，就是当电流经过磁场的时候会产生洛伦兹力，而洛伦兹力就可以加速机械运动。其实我们使用的发电机也是这个原理（反向），而我们使用的电动机则完全是这个原理。三相电的洛伦兹力可以把转子加速到 7000 转到几万转以上（专用的离心机转速超过 2 万转）。如果产生洛伦兹力的电磁感应线圈是沿着直线排列，而且在恰当的时间启动，那么就可以实现给炮弹的直线加速。在 1845 年，查尔斯·惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛射到 20 米远。此后，德国数学家柯比又提出了用电磁推进方法制造电气炮的设想。而第一个正式提出电磁发射／电磁炮概念并进行试验的是挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰。二战期间，在军事需求的刺激下，德国、日本都研制过电磁炮。上世纪 30 年代，德国的汉斯莱曾将 10 克弹丸用电磁炮加速到 1.2 公里／秒的初速。上世纪 70 年代，澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置，将 3 克重的塑料块（炮弹）加速到 6000 米／秒的速度。在 1980 年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮把质量为 300 克的炮弹加速到了每秒约 4 千米。用单极发电机供电的电磁炮，已能把 318 克重的炮弹加速到 4200 米／秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将 2 克重的炮弹加速到 11000 米／秒的速度。据我国媒体报道，我国在电磁炮方面也有很大的进展。那么，我们能不能把电磁炮技术应用于隧道开凿呢？我想完全是可以的。我们说，加快隧洞掘进速度的关键是把炸药快速打进岩石内部。进入 1 米也好，进入 2 米也好，最好进入 3 米，不能超过 3 米。然后让炸药从岩石里面引爆，这样爆炸的效果是很好的，它必然向着临空面这一面炸开松动。我们已经发现如果使用专用的炮架发射，可以避免工作人员面临危险区，可以避免工作人员进进出出，可以把爆破中的四个环节缩减为一个环节。更有甚者，利用这种爆破法，我们可以多次爆破一次清理渣土，这样凿岩过程就节省了人员进出的时间、钻眼的时间，安放炸药的时间、布线的时间，等待安全稳定的时间，和出渣的时间。这样，也许过去每天只能放两次炮仗，现在则每天可以放十次以上的炮仗，而且每一次炮仗的出渣量比原来多几倍。施工进度提高十倍。我在《飞弹爆破法钻洞技术初探》中虽然提出了把钻探、安放、布线和引爆四个环节合为一个的办法，是一个好办法。但是总是无法把飞弹的速度提高到 2000 米以上，如果没有这样高的速度，那也是不可能的。因为一个飞弹的动能和动量相差越大，其穿透能力越强，要更深地打进岩石内部，必须有更高的速度，否则炸药在岩石外面爆炸，岩石的稳定性不会被破坏。所以，这次电磁炮的消息有力地支援了我的关于飞弹爆破法钻洞技术设想。从理论上已经不存在加速隧洞开凿技术改革的障碍。如果再加上精确定位装置则很完美了。希望各方专家早日造出这样一个机器。这个机器必须能够开凿大口径的隧道，这个机器必须开凿速度快，效益好，成本低。; 个人分类: 气候生态|3131 次阅读|3 个评论

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