更新时间：2023-04-07 22:33
轨道炮（英语：Railgun）也称电磁轨道炮、磁轨炮，是利用轨道电流间相互作用的安培力发射弹丸的发射装置，是电磁炮的一种。
轨道炮由两条连接着大电流源的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向可滑动的电枢组成。发射时，电流由一条导轨流经电枢，再由另一条导轨流回，而构成闭合回路，强大的电流流经两平行导轨时，在两导轨间产生强大的磁场，这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生强大的电磁力，该力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而获得高速度。
轨道炮的发展可追溯到第一次世界大战时期，最早的轨道炮概念是法国发明家福琼-维莱普勒（Louis Octave Fauchon-Villeplee）在法国都铎蓄电池公司帮助下申请的一种接触式的“能够推进弹丸发射的电子设备”的专利，随后世界多个国家注意到了其前景，纷纷开始了轨道炮的研制，但直到第二次世界大战结束后，轨道炮的研制工作受困于技术限制，进展缓慢。由于传统炸药等常规推动剂为动力的军用火炮发展瓶颈逐渐显现，其发射速度难以超过2公里/秒（5.9马赫），但轨道炮却很容易超过3公里/秒（8.8马赫），杀伤潜力巨大，因此很多国家意识到了其在军事和航天等领域的前景，对轨道炮的研究在上世纪80年代后期开始活跃，截止到2023年，中国、美国、俄罗斯、英国、日本、土耳其等多个国家都取得了一定的研究成果。
到19世纪中期，第二次工业革命逐渐拉开帷幕，人们对电磁领域的探索越来越活跃，几乎与英国物理学家查尔斯·惠斯通申请线性电动机的专利的同时，就有人意识到了电磁力也可以用于加速物体，挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰（Olaf Christian Bernhard Birkeland ）在19世纪末开始了对此的细致研究，并成功研制出了一部能够将500克弹丸加速到大约每秒50米的装置，这是最早的电磁线圈炮。但线圈炮的结构太过复杂，人们逐渐发现了一种结构更加简单的解决方法，那就是直接利用两条轨道在大电流通过时产生的电压。
亨利·都铎在1886年发明了世界上第一块商用化的铅酸蓄电池并创立了都铎蓄电池公司后，一直在不断探寻蓄电池的更多的应用场景。1917年，在都铎公司的支持下，法国发明家福琼-维莱普勒（Louis Octave Fauchon-Villeplee）研制出了一部小型的电磁轨道炮，在但当时未测量轨道电流和弹丸速度。1920年，福琼-维莱普勒发表了《电气火炮》一文，并获得了三个专利，这是世界上关于电磁轨道炮的最早的专利。该技术迅速引起了法国军方的注意，时任法国军备部副主任儒勒·路易·布勒东委托福琼-维莱普勒研制能够实用化的30毫米至50毫米口径轨道炮，但最终未能成功。1936年，南斯拉夫军方雇员也采用相似的方式进行了试验。同时，美国费城的电炮公司研发了用于火炮的电磁加速器，并据称普林斯顿大学也进行了相关研究工作，成功运用电磁力将物体推射。到第二次世界大战爆发前夕，各种电炮的专利达到了45项。
在第二次世界大战期间，德国和日本等国都曾研制过超电磁炮，1944年，德国亚希姆•汉斯勒博士和邦泽尔总检验师在马格德堡的训练场进行了10毫米口径线圈炮的试验，以装甲板为靶板，电源采用汽车蓄电池和电容器并采用发电机供电，然而试验失败了。同年，汉斯勒博士试验了直径20毫米、长2米的轨道炮（LM2型）。试验起初在柏林进行，后改到了位于巴伐利亚州的一条铁路隧道里。LM2型最终以每秒3×106米的最高加速度把10克重的铝制圆柱加速到了1080米每秒；铝柱在两段轨道连接后更达到了1210米每秒的超高速度。然而，随着德国的战败，汉斯勒博士的研究工作也中止了。二战后的德国的轨道炮相关研究技术被美国获得，1946年，美国陆军装备部委托装甲研究基金会专门评估了这些技术，但得出的结论是能源供应问题无法解决，轨道材料问题也不好解决，美国军方在当时暂时放弃了进一步研究工作。
美国军队放弃电磁炮和电磁发射技术之后，美国的研究工作主要以科研院所和商业化的形式进行，并出现了一些具有重大意义的新技术，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory, LANL）的博斯蒂克（Bostick）团队于1958年较早了提出“轨道炮”即“电磁炮”这个名词，并率先进行了等离子体电枢的轨道发射试验，这些技术为后来轨道炮的成熟化作出了铺垫。
到上世纪70年代末，澳大利亚国立大学的理查德•马歇尔博士及其同事制成了世界上最大的550兆焦单极发电机，并在其上试验了高电流密度的滑动接触，在所设计并建造的轨道炮系统上用等离子体代替金属衔铁，以此推动投射物，把3克聚炭酸脂加速到5.9千米/秒的速度，创造了用电磁加速器投射克级体的最高记录。德克萨斯大学电机中心也设计和制造了5兆焦、10兆焦等一系列单极发电机，利用美国的轨道发射装置将300克重的投射物加速到4.2千米/秒。
进入世纪80年代，多国的轨道炮研究获得重大突破，美国用5米长的轨道把2克重的弹丸加速到10千米/秒，接近第二宇宙速度（11.2千米/秒）。1982年，苏联把1.3克重的弹丸加速到5千米/秒。日本则研制了长达700米的50~100级多级轨道炮，把1克物体加速到近150千米/秒的超高速，用于研究高速撞击引发核聚变。1987年，法国和德国国防部共同创建了法德圣路易斯研究所 (ISL)，专注于轨道发射技术和电磁装甲技术领域的研究。1988年试射中国最早试验型电磁炮“303EMG”，采用电磁缩炮（前级）与轨道炮（主炮）相串级的全电磁轨道炮方案，成功将质量30.2 g的弹丸以3 km/s的初速射出，技术指标达到美、俄等国的同期水平。
1991年，美国国防部成立了“电磁轨道炮联合委员会”，协调军队、能源部、国防核能局及战略防御倡议机构分散进行的电磁轨道炮研究工作，开始将轨道炮的研究工作提升到一个全局的角度，此后，世界很多国家也开始以国家层面大力开展轨道炮的相关技术研究工作。
2001年11月，美海军高技术研究所通过参数研究和建模活动拟订未来新型轨道炮系统的主要性能参数：即轨道炮必须是可以安装在水面舰只上，其重量相当于155毫米高级火炮系统，能够以63兆焦耳初始动能和2500米/秒（7.5马赫）的初速度发射20公斤的弹丸。高速弹丸只需要6分钟就达到200海里以外的目标，并能以5马赫的速度对目标实行动能碰撞。
2003年4月，美海军在苏格兰柯尔库布里郡成功完成90毫米口径轨道炮发射高超音速弹药的海上演示验证试验。
2008年1月31日上午，美国海军在达尔格伦水面作战研究中心试验了一种当时号称“世界上威力最大的电磁轨道炮”。在此次试验中，炮弹出膛速度达到7倍音速，发射能量高达创纪录的10.68兆焦耳。2010 年，美国海军测试了BAE设计的用于舰载的紧凑型轨道炮，将3.2千克的炮弹加速到大约3,390 米/秒（12,200 公里/小时）大约10马赫的速度， 动能为18.4焦耳，再次刷新了世界纪录。
2017年年底，美国战略能力办公室发言人表示“目前美国的电磁炮不符合现有发展技术能力，因此会把着眼点放到传统火炮上”，并在2019年停止拨款，终止电磁炮的研发项目。
2018年2月，中国海军在海洋山号坦克登陆舰的进行了第一次轨道炮的上舰试验，“海洋山”号舰新增一个庞大的炮塔结构，前部甲板上放置了三个发电机组和控制系统的集装箱。
2010年，日本防卫省开始着手研发用于近程防御的小口径轨道炮系统。在2015年时，日本防卫装备厅就研发了16毫米的小口径轨道炮，在炮口采用弧形设计有效减少发射对炮口的烧蚀。2016年，防卫省在此前小口径轨道炮的研制基础上，开始实施40毫米口径的轨道炮的研发，目标是初速度达到2000米/秒，并达到120发以上的耐久性。目前，该项目已经进入后期。2018年，日本加速轨道炮的研发。2018年8月2日，日本防卫省正式对外宣告其正在研制轨道炮装置——“电磁加速系统”，该系统是电磁炮的技术试验原型机。该设备体积小，配套设施齐全，包括直线电磁推进加速器、功率转化器、脉冲式储能装置、电力分配控制、散热装置等子系统。从2010年—2016年该项目共投资10亿日元，可以以2000米/秒的速度发射10千克的炮弹。2019年11月，日本防卫省公布了在下北试验场试射分离弹的一些数据和分离时视频。根据日本媒体报道，在研究测试阶段，日本的轨道炮原型机的发射速度曾达到近2300米/秒。
2016年7月，俄罗斯工程师研制的轨道炮加速器在俄罗斯科学院高温联合研究所进行了首次测试，它能使物体达到第一宇宙速度。2017年1月进行的俄罗斯新型轨道炮测试中，采用一颗小塑料弹丸击穿铝板，速度为3千米/秒，达到了马赫数8以上的速度。
印度研究轨道炮可以追溯到1994年，并且当时就已取得初步成果。2017年11月，印度宣布其自主研发的电磁炮取得初步成功。该型电磁炮发射弹丸速度为马赫数6，可以将3～3.5克的弹丸加速到2000米/秒的速度。2022年10月，印度宣布成功研制出国产轨道炮，其炮口初始动能达到10兆焦耳。在发射中，弹丸速度超过2000米/秒。对重量为80、120、250和500克、口径从12毫米到45毫米的不同弹丸进行了测试。
英国轨道炮的研发特点是和美国紧密结合，从1997年开始，英国BAE系统公司就与美国合作开展轨道发射技术、脉冲电源技术、弹丸技术研究，并于2012年向美国海军交付了单发全尺寸轨道炮工程样机，并成功进行了射击实验，炮口动能达到32MJ的阶段性技术指标。2012年，BAE系统公司开始开发具有先进冷却机制的脉冲电源系统，保证炮管的可重复使用率。2014年7月，BAE系统公司在美国海军“米利诺基特”号高速联合舰上展示了工程样炮和发射用一体化弹丸。
1997年，法德圣路易斯研究所位于法国东部的工厂建造了轨道炮的全尺寸样机，定型为“飞马座”（Pegasus），并开发出了多型轨道发射器。其中，50mm圆形口径发射装置的效率高达29.9%，可以将质量为356.8g的电枢加速到2.24km/s；40mm方口径发射装置则可将质量为1kg的弹丸发射到2.0km/s以上的速度，并且发射效率超过25%。
在2017年度“法国武器装备总署创新论坛”上，该研究所提出了全功能车载轨道炮概念，并进行了实弹射击演示，这种小型炮弹的初速达到了120米/秒，该研究所认为该技术未来的第一个实际应用领域可能会是海军领域。现该研究所正牵头开展“应用轨道炮增强远程投掷效果”（PILUM）项目，旨在进一步研究轨道炮及其超高速射弹的可行性，并提供轨道炮作为远程火炮系统的概念验证，达到200公里的目标射程。该项目还汇集了法国、德国、波兰、比利时和意大利的系统集成商、国防系统厂商和中小企业等多方资源，以解决关键的科学和技术差距，推动轨道炮技术的快速发展。
土耳其在2008年开发出了该国第一种电磁轨道炮的概念模型，并于2014年开始进行样机研制阶段。2018年6月，土耳其进行了其首次轨道炮公开测试，一款名为“SAHI 209”的轨道炮发射了一发弹丸摧毁了一辆小汽车。2019年1月，土耳其再次进行了轨道炮测试，射穿了多层钢板和混凝土墙。
轨道炮在结构上由两条平行的金属导轨组成，导轨的一端连接电源，将导电弹丸插入轨道之间，就会组成闭合回路，电流由正极经过弹丸回到负极。通电导体周围会产生磁场，其方向遵循右手定律，示意图中的两条通电导轨之间的区域便会形成方向从下往上的磁场。通电的弹丸在磁场中受到洛伦兹力作用加速，就会向炮口端移动。
忽略电场，带电粒子在磁场中所受洛伦兹力为：
宏观体系下，弹丸所受洛伦兹力即为安培力，大小为：
其中L为导轨间隔。
毕奥-萨法尔定律给出，恒流导轨激发的磁场大小正比于电流：
经过一些简单的推导，我们便可以得到理想条件下弹丸加速度公式为：
其中，L'为单位长度导轨的电感，当弹丸向炮口移动时，电路的电感会增大；I为回路中的电流；m为弹丸的质量。
从该式可以看出，对导轨炮而言，无论是增大导体电流还是增长导轨长度都可以将弹丸增大到更高的速度。一般而言，要将弹丸加速到数千米每秒的速度，电流大小应在百万安培量级。
目前世界各国轨道炮发展过程中基本结构主要由以下几个关键部分组成：
发射装置按照研究进展，一般分为试验型发射装置、增强型发射装置和工程型发射装置，其中试验型发射装置由于电磁轨道炮的发射装置在工作过程中不仅承载MA级大电流，而且接触副之间有相对速度达数km/s的滑动电接触，这种极端的电、力、热冲击条件下的材料特性和结构特性数据皆为空白。了解发射过程、探索发射规律和积累材料基础数据，需要结构便于调整、材料易于更换、状态可以检测的试验型发射装置。试验型发射器的水平间接标志着电磁炮发射术的水平和发展。增强型发射装置是电枢加速过程中在轨道上叠加磁场，旨在提高电感梯度，使得轨道在承载同样电流的条件下电枢获得更大的加速度，是电磁轨，道炮的重要发展方向之一。外加磁场的方式有多种，基于效能考虑多数集在多轨的技术方案。与试验型发射装置不同，应用背景下的工程型发射装置侧重应用的可靠性、稳定性和灵活性，因此摆脱试验型发射器繁杂的结构，紧凑化和轻量化是其重要标志。
电磁发射在工作过程中最高功率达到GW级，常规电源无法支撑这样的瞬态功率需求，一般采用脉冲功率电源。脉冲功率技术是在较长的时间用相对较小的功率将电能储存起来，根据需要瞬态释放，实现能量在时间尺度上的压缩和功率的倍增，可以支撑电磁发射的需求。脉冲功率电源中，储能元件是核心元件，常见类型包括：电容储存静电能，电感储存磁能，电机储存惯性动能。
电磁轨道发射器一体C形固体电枢结构设计是电磁轨道发射器系统中核心技术之一，由于其技术敏感，没有公开的文章论述电枢结构参数与电磁发射应用要求的关系。国外针对一体C形电枢的相关机理和设计研究主要涉及到电枢载流容量、电枢与轨道接触压力、电枢磁锯效应等方面。
电磁轨道需要使用非常耐磨的材料来承受高速运动中的摩擦和磨损，这对材料的要求非常高。同时，射击还会产生大量的热量，需要妥善解决轨道散热问题，否则会影响性能和使用寿命。目前主要采用的方法是应用低温等离子体材料加上磁场的定向约束作用增升高速运动的电枢轨道接触面的电导率，从而提高电流在电枢-轨道接触面的电流扩散率，降低趋肤效应，降低烧蚀效果。
轨道炮在技术上相较于常规火炮具有明显的优势。首先，它的弹丸体积小、重量轻、结构简单。由于轨道炮的弹丸集成了推进和发射的装置，相比其他武器系统，其装药量更少，无需药筒和发射装置，体积仅为传统120毫米火炮炮弹的1/8，重量更是仅为传统火炮的1/10。此外，轨道炮的弹丸运输、后勤保障更加安全、可靠和方便，且可大幅提升军舰的载弹量。若安装在水面舰艇上，其可携带数百发轨道炮弹，远远超过目前可携带的数十枚导弹。
其次，轨道炮的弹丸速度快、射程远、精度高、威力大。由于轨道炮没有圆形炮管，弹丸飞行时空气阻力较小，因此发射稳定性好，速度甚至可达7倍音速，超越目前各国列装的所有巡航导弹。射程可达160公里，可与普通反舰巡航导弹媲美。此外，轨道炮发射过程均由计算机控制，弹头装备激光或其他制导装置，飞行速度超高使弹丸不易受干扰，因此具高精度打击能力。另外，该炮后坐力小，但威力极大，炮口动能达32兆焦，若弹丸直接撞击目标则可将其摧毁。
第三，轨道炮造价低，抗干扰性强。在根据目标的性质和距离进行射击时，可调节和选择适当的能量以调整弹丸的射程。从发射能量成本来看，常规火炮的发射药每兆焦能量的生产成本为10美元，而轨道炮的发射成本仅为0.1美元，更加经济实惠。与导弹相比，轨道炮更为优越，每发炮弹价格仅为2.5万美元，而1枚导弹将耗费50至150万美元，不仅造价昂贵，而且还需返回港口或依托补给舰进行补给。
轨道炮技术的技术难点主要包括轨道的抗烧蚀、超高速、远程弹丸、脉冲功率电源、材料和发射装置设计等方面。
一是轨道炮可以改变未来大口径火炮对目标的杀伤机理，相比传统大口径火炮，轨道炮在杀伤力、速度、贮弹量和费用等方面都更为优越，并将彻底改变未来大口径炮对目标的杀伤机理。轨道炮利用炮弹超高速撞击动能来实现毁伤目标的目的，无需爆炸装药和推进剂，大大降低了后勤保障成本，并能消除爆炸装药和推进剂带来的环境和安全问题。此外，轨道炮的弹药库可以更紧凑、更安全，并能携带更多炮弹。
二是轨道炮有可能成为未来500公里范围内精确打击的主要方式。目前，轰击地面目标主要有三种形式——火炮、远程导弹和飞机。然而，传统火炮的发射速度已经达到了极限，无法再提高。例如美国海军的127毫米舰炮试验证明，发射“增程制导弹药”（ERGM）的初速不到1000米/秒，需要依靠火箭助推和制导装置来提高效果，因此总成本远高于普通导弹。相比之下，轨道炮具备更高的打击速度和效费比，能在6分钟内完成500公里外岸上目标的打击任务，打击速度更快。
三是轨道炮有可能在攻防两端改变未来海战力量对抗平衡。在攻击方面，轨道炮的速度快，能有效压缩防御方的反应时间，灌顶攻击方式也让拦截变得更加困难。同时，轨道炮适合攻击掩体、工事和地下目标，可用于打击对方的战略设施。在防御方面，轨道炮能够扩大海上防空反弹道导弹的作战范围，缩短防御系统的反应时间，并可明显增强防御系统的综合拦截效果。如果配合使用制导技术，其单发拦截概率与舰空导弹相当，但发射弹数比舰空导弹多得多。
值得注意的是，轨道炮与电磁线圈炮不同，其弹丸或弹丸载体需要通电，是整个电系统的关键闭合回路，必须承受极大的电流，且发射时对轨道的直接烧蚀同样作用于弹丸上，因此其难以用于需要发射内部精密的卫星弹丸的航天发射领域。在上世纪80年代美国航空航天局 (NASA)针对电磁发射应用在航天领域就对轨道炮与电感线圈炮两者进行了分别研究，结论也主要是侧重在磁悬浮加速领域，也就是线圈炮，因为电磁线圈炮的弹丸在加速过程中不需要接触导轨，不存在导轨与弹丸之间的直接烧蚀，但NASA的研究最终止步于150千克级的弹丸发射，未获得实用化成果。在马伟明院士2016年的发表的国防科技大学学报中也提到，未来航天领域的的电磁发射应用前景也将在悬浮推进线圈技术上。