[去科技馆学科学]探秘不同大炮的能量来源

全民科学素质行动科学教育专栏

大炮是一种历史悠久的重型武器，随着科学技术的进步，根据能量来源不同，大炮经历了从人力抛石机到火炮，再到电磁炮的发展历程，其发射的炮弹的能量也越来越高。《义务教育小学科学课程标准》要求学生掌握“机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式”这样的科学概念。现在让我们通过中国科技馆“儿童科学乐园”展厅的展品“小球大冒险”，一起探秘不同发射方式中蕴含的科学原理，发现小球运动能量的来源。

人力发射的“炮”

炮，在中国古代是对所有种类投石机的泛称，最早的炮是人力抛石机，上方有一条被称为炮梢的杠杆架在木架上，一端用绳索拴住容纳石弹的皮套，另一端系着许多条绳索让人力拉拽。要发射时，由多人在远离投石器的地方一起牵拉连在横杆上的炮梢（见图1），另一边的石弹就会被抛射出去。

图1　人力抛石机

除了利用杠杆人力拉动发射，古代还发明出利用弹力发射的弹力抛石机（Ballista）、利用重力的配重式投石机。其中，弹力抛石机又称床弩、弩炮、射箭机，古希腊、古罗马时期即在使用，依靠弓弦的弹力进行抛射，除了发射大型箭也可以发射石弹，是机械弓弩的变种。而配重式投石机是一种大型重力抛石机，利用杠杆原理，一端装有重物，而另一端装有待发射的石弹，发射前须先将放置石弹的一端用绞盘、滑轮或直接用人力拉下，而附有重物的另一端也在此时上升，放好石弹后松开或砍断绳索，让重物这一端落下，石弹也顺势抛出，此种抛石机在中国被称作“回回炮”（见图2）。

图2　配重式投石机

无论哪种抛（投）石机，这些靠人力发射的“炮”，都是通过机械机构将人提供的机械能转化为石头的动能。

展品“小球大冒险”以小球的“冒险”历程为故事线，并将生活中可以见到的机械结构，如阿基米德螺旋、独轮车、钟表机构、过山车、水车、吊桥、空气炮、气缸等，与各种传递装置（机构）相结合，设计成一套机构精巧、元素丰富、故事性强、贴近生活、亲近儿童的机械传递类展项，由33套机械传动装置、轨道、小球、展台、保护罩构成。观众通过转手轮、手拨动、按压等方式操作装置，可启动相应的机械传动装置运动，使球在机械装置及轨道中进行垂直、水平、曲线等运动，完成机械能、势能、动能之间的转换，实现沿轨道滚动、越障、上升、下降的工作循环。

其中的“投石问路”环节就是一组弹力抛石机（见图3），观众转动手轮，带动凸轮转动，随后利用落差及弹簧产生的弹力带动连杆向上抛射小球，使它从低处到达高处的轨道，进入下一个互动环节。

图3　展品“投石问路”环节示意图

现在，让我们思考一下，这个展品的结构和前面叙述的古代的“炮”有什么异同点？

火 炮

中国古代四大发明之一的火药出现以后，人们发现火药燃烧爆炸后产生的高温高压气体具有很大的力量，可以用来推动、发射“炮弹”，于是“火炮”出现了。据目前史料记载，早在1163年，中国南宋军队发明了最早的火炮。其构造一般是金属管形结构，由身管、药室、炮尾等部分构成，多从前端装弹，可发射石弹、铅弹、铁弹和爆炸弹等，大多配有专用炮架或炮车。其作用原理是将发射药在膛内燃烧产生的化学能转换为弹丸的炮口动能以抛射弹丸。

展品“小球大冒险”中也有“大炮”提升机构（见图4），观众按压打气装置给空气炮充能，随后空气炮将球击飞至高处。这里的空气炮其实和火炮的原理是一样的，火炮利用火药燃烧产生高温高压气体然后在炮管内推动弹丸加速，而此处的空气炮则是让观众像自行车打气一样给空气炮的储气罐内加压，然后突然释放高压让它推动小球在空气炮管内加速飞出。所不同的是，火炮的气体能量来源于火药燃烧产生的化学能，展品因为安全要求，压缩气体的能量还是来源于人力提供的机械能。

图4　大炮提升机构示意图

电磁发射

常规的化学火炮由于原理上的限制，发射的炮弹所能达到的最大速度不超过千米每秒量级，从古至今经历了几百年的发展后已接近了理论极限。随着科学技术的发展，传统的化学发射器已不能满足人类对更高速度、更高效率的追求。为此，人们又发明了火箭，但火箭发射成本太高。于是，利用电磁力做功，将电能转化为发射物体的动能，即电磁推进技术近年得到了快速发展。

电磁炮是电磁发射器最早、最重要的军事应用。以目前接近实用化的轨道型电磁发射器为例，它由2条互相平行且被固定的金属轨道和高功率脉冲电源、电枢及发射体（如弹丸）等构成。电枢位于轨道之间，由导电物质构成，发射体位于电枢之前。

展品“电磁加速器”（见图5）就是通过电磁力实现加速小球的。展品由展台、轨道、加速线圈等组成，观众按下按钮接通电源后，加速线圈内产生磁场，磁场对金属小球施加一个固定方向的推力推动小球加速运动。小球每经过1次线圈，就会被加速1次，这样很快就会在轨道中达到很高的速度，可以想象如果这时在轨道上打开一个缺口，小球就会被高速发射出去。

图5　展品“电磁加速器”结构示意图

除了将较小质量物体加速到较高速度的电磁炮，电磁推进技术另一种应用是航空母舰上的电磁弹射器（见图6）。电磁弹射器的心脏是100多米长的感应电动机，它推动与飞机相连接的电枢一起运动。

图6　电磁弹射结构示意图

电磁弹射器一般由能量贮存、能量转换、弹射电动机、控制台4个子系统组成。与传统的蒸汽式弹射器相比，电磁弹射具有容积小、对舰上辅助系统要求低、效率高、重量轻、运行和维护费用低廉的好处，是未来航空母舰的核心技术之一。目前世界上开展航母电磁弹射研究的只有美国、中国、英国和俄罗斯，而建造了全航母尺寸实验设施的只有中美两国。

相对于其他发射方式，电磁发射能提供较大动能，能量转化率高，可将弹丸等有效载荷加速到化学发射方式难以达到的超高速度，且速度可任意调控，精度高，射程远，威力大，发射过程不易受到干扰。因此这种技术在军事武器、微小卫星发射等领域具有重要的应用前景。电磁发射技术还可用于“电磁列车”，这种列车直接使用现有火车铁轨作轨道发射器的轨道，车厢作发射体。这种列车比磁悬浮列车成本低，比传统列车运行速度高。理论和国内外的实验都证明电磁发射是可行的，电磁发射技术有着十分广阔的应用前景。