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电磁炮的发展

电磁炮的原理就是中学物理中提到的法拉第电磁感应定律,从某种意义上说电磁炮和电动机的原理是一致的,就是给位于磁场中的导线通电使其受到一个力的推动。最早发明了电磁炮的是挪威奥斯陆大学的克里斯廷·伯克兰教授,在1901年制造出了世界上首门电磁炮的原型,这个原型能够把10公斤的铁制炮弹加速到80~100米/秒,这还获得了世界上第一项电磁炮的专利。但随之而来的就是挪威人遇到了最大的难题,就是无法获得更大的脉冲电流,从而使得电磁炮的研究停顿下来,这个问题到现在还是困扰电磁炮运用的最大关键!

到上世纪60、70年代,西方科学家发现通过瞬间释放高速旋转飞轮所蕴藏的能量,或者采取足够大的电容器组,能够获得足够的脉冲电流,电磁炮的研究和发展步入了新的阶段。1984年,美国西屋公司用电磁炮成功地发射了一颗质量为317克的弹丸,其飞行速度达到了4200米/秒。一时间,电磁炮成了各个国家军事技术研究的热点,各国从上世80年代开始对电磁炮不断进行研究和开发,包括中国、美国、德国、日本、澳大利亚等国的科研机构及军工企业进行了大量的电磁发射试验,注意,在这个时期基本上还是处于实验室技术试验阶段。

电磁炮从结构上有导轨炮、线圈炮、重接炮,能量装置有单级发电机、等离子体电源、电容器组等,其中导轨炮和电容器组是最主流的组合方式,也是最接近实用的形态。


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电磁炮原理图


【电磁炮的优势】

电磁炮具有普通化学能量火炮所无法比拟的优势:炮弹的初速快,射程远,精度高,威力大。化学能火炮的飞行速度最高<2000米/秒,受发射药和身管的限制,这个速度基本上是目前化学能火炮的极限,而电磁炮炮弹弹丸的速度可达其3倍以上,美国在1981年就利用电磁发射技术获得了9300米/秒的初速。

巨大的速度又意味着巨大的动能,通过物理公式可以发现电磁炮弹的动能是同等质量普通炮弹的9倍以上!仅仅通过弹丸的直接撞击即可将目标彻底摧毁。而且极高的飞行速度又可以减少炮弹的飞行时间,使炮弹不易受到外界环境干扰(大气、G力、射控系统的误差),保证了炮弹的精度。

此外,电磁炮由于没有传统火炮的药室、后座等系统,因此结构重量上更轻,对配套设施的要求更简单,因此可以灵活的配置在舰艇、坦克等平台上。

电磁炮由于采用的是电磁力作为发射能量,不会产生强大的冲击波和烟雾、火光、声响,能够在战场上提供更好的隐蔽性。再者就是电磁炮可以根据目标的性质、距离、速度,调节、选择适当的能量来控制弹药的射程,从而提供更高的精度及更好的经济性。

由于电磁炮弹没有爆炸材料,从而消除了生产、运输、处理和存储炸药的需求,对后勤的简化将是非常明显的。而且在战时,弹药库被击中将不再成为最凶险的事情,舰艇平台的生存能力将大大增强。


【电磁炮的现状】

应该说目前美国在目前电磁炮研究领域是走在最前面的,其中又以美国海军最为热心。2003年4月和2005年7月,美国海军在苏格兰都进行了电磁轨道炮的海上试验,演示了电磁炮实弹射击。两次演示都是由美国海军研究院及水面战中心(NSWC)进行的,实验用的系统是一个只有原型机1/8大小的样机,该样机的最终发展型将(用于CGX和DDX的)能以7马赫(2500千米/秒)的速度发射电磁炮弹,射程达到为370海里。2005年10月,美国国会通过了总额为5650万的拨款,为海军、陆军及五角大楼未来研究院研发电磁炮提供支持。2006年7月,美国海军确定了电磁轨道炮的5年计划,力图在2011年演示炮口动能32兆焦耳电磁轨道炮。但这个输出功率仅为预期目标的一半。同时将对该舰炮可行性的核心指标,也就是检验发射台炮膛——封装双轨和移动电枢的保护罩的材料是否耐用以及是否能够在发射100枚炮弹后在进行更换。如果该目标实现,海军研究院将在2015年进行一个全尺寸电磁炮,即炮口动能64兆焦发射台的演示,并在2020年~2025年间实现电磁炮的实战应用。海军研究院已安排BAE公司和通用原子能来进行32焦耳电磁炮的研制,安排波音和德累博实验室进行电磁炮弹德研究。美国海军的最终目标是将所有攻击型舰艇上的舰炮都更换为电磁轨道炮,特别是在DDG-1000级系列以后的对陆攻击驱逐舰都应用了综合电力系统,该系统完全有能力产生90—100兆焦的脉冲功率。


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英国BAE系统公司将为美国海军研制的电磁炮的效果图



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DDX使用电磁炮的想象图



相对于美国海军,美国陆军也在积极德探索电磁炮在主战坦克上的应用。鉴于电磁炮无与伦比的动能炮弹,美国食品机械公司FMC从上世纪80年代开始就为美国国防高级研究局进行电磁炮方案研究。20多年过去了,虽然尚未见到具备实用价值的电磁炮,但美国陆军在“未来战斗系统”中仍然选择了电磁炮,并计划在2012年到达实战目标。而美国的小弟,英国陆军也计划于2020年装备配备电磁炮的主战坦克。

其他国家也没有停止对电磁炮的研究,包括中国。从1986年开始,中国工程物理研究院、中国科学院、南京理工大学等科研单位就进行了大量电磁炮试验和研究。从目前披露的数据看,有导轨炮和线圈炮,能量主要还是电容器组。


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南京理工大学进行电化炮研究


【电磁炮的关键技术】

电磁炮的发展经过了近30年的时间,但离实战应用还有相当大的距离,主要是还有多个关键技术尚未突破:

1、脉冲电源:

前面提到了,强大的脉冲电源是电磁炮弹获得足够动能的基础,因此这也就成了电磁炮的最关键技术之一。电磁炮电源问题的核心就是如何解决在有限的重量和体积内提供足够的能量这一难题。单极发电机曾一度被认为是最有可能的电源。单极发电机最早被用来在实验室里驱动电磁轨道炮,人们也曾一度设想用它来驱动某些车载电磁炮。但后来发现,单极发电机电源系统需要附加储能电感器和大功率断路开关,对平台的要求还是较高。

从80年代中期开始,储能电容器组成为可能的选择,但令人遗憾的是,迄今为止,性能最好的高能电容器储能密度也只有2.5兆焦/立方米。如果将这样的电容器组合起来提供32兆焦能量的话,电容器组将占据12.8立方米的空间,大概与俄罗斯T-62坦克的体积相当,这还未包括电磁炮其它部分所占的空间。即使电容器的储能密度提高储到7兆焦/立方米。能32兆焦的电容器组所占的体积也要4.6立方米,与现代坦克的整个动力系统所占体积相当。这样的体积,对舰艇而言问题不大,但要应用到地面装备上就存在着很大的困难。

补偿交流脉冲发电机(CPA)的发明为进一步提升能量密度提供了可能。CPA发电机是美国得克萨斯大学机电中心发明的,是目前公认的相对有实用价值的电磁炮电源。它采用飞轮以机械形式储存部分能量,其储能密度可高达135兆焦/立方米。目前该项技术获得了很大的突破,但离真正的实际运用还存在很大差距,各国主要的电磁炮储能系统还是采用了电容器组的方式。


2、轨道/炮管寿命

除了脉冲电源外,电磁炮的炮管部分也不是一门容易解决的技术。电磁炮的炮管与实验室里体积庞大的固定发射轨道的不同之处在于有严格的重量限制。与传统火炮身管材料不同,电磁轨道炮的炮管是复合材料,对轨道材料要求比较严格:轨道材料不仅要有足够的强度和刚度,还要具有承受300-400万安培强大的电流而不致损坏的性能。目前美国海军的要求是最终达到3000发寿命,第一阶段是100发。


3、弹丸

在美国和英国的共同支持下,电磁炮反装甲弹丸的研究在过去的3-4年内也取得了很大的进展。建造于英国苏格兰基库布莱特的90毫米口径电磁轨道炮已进行了尾翼稳定脱壳穿甲弹的发射试验。尽管试验不太理想,弹丸的炮口速度没超过1700米/秒,但弹丸却准确命中了2000米外的目标。而美国电磁炮发射的弹丸初速已高达4000米/秒。在解决了基本弹药问题后,还要解决的就是在弹头中配置制导装置,由于电磁炮在加速能力极强,因此对弹头中各类制导系统元器件的抗G要求非常高。同时,超高速飞行对制导系统的目标发现、捕获及跟踪处理能力要求都会远高于常规弹药。


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美国电磁炮试验系统


【电磁炮在海军应用的前景】

由于舰艇平台能够为电磁炮提供足够的安装空间,同时可以采用核动力等方式提供不间断的能量供应,因此电磁炮在海军舰艇的应有前景非常广阔:

对面火力投射

美国海军规划中为DDX装备的电磁炮,其炮弹能够以7.5马赫的速度发射,5分钟后击中200海里外的目标。如此高的速度和远的射程将是电磁炮引领舰炮武器革命的原因,它可以在6秒钟内击中水平范围的内的舰船,在6分钟内打击600海里内的固定和移动目标。配合其高精度及高杀伤力,将是海军舰艇对面火力投送能力的巨大飞跃,也是炮弹取代导弹的一个标识。而DDX的综合电力系统将使舰上的各种电能武器和传感器共享电力,并且如果战术态势允许的话,还可以使舰船发动机高速运转,提供充足的电力以满足电磁轨道炮所需的15-30兆瓦电能,保持每分钟6-12发的射速。在大规模装备电磁炮以后,海军对面火力投射能力将获得质的飞跃,其火力密度、反应时间、精度等都将有历史性的突破。


对空拦截

由于电磁炮作为动能武器的特点,其高速、高杀伤力、高精度的特点非常适用于对空目标的拦截。电磁炮弹丸的速度在大气中可达4~6千米/秒,是各种飞机和导弹速度的2~15倍,当以5千米/秒左右的速度射出时,可拦截速度在4马赫以下的战术导弹。当发射初速达到5~7千米/秒时,可在中段和末段对战略导弹实施有效拦截,而当速度为6~10千米/秒时,可直接命中300~1000千米高度的低轨卫星,而当速度超过12千米/秒时,可打击探测、跟踪、导航定位、预警、通信等轨道高度较高的卫星。也就是说,如果将电磁炮和宙斯盾系统相结合,将会为导弹防御系统提供更高速、更有杀伤力、反应时间更短的火力系统,而且对多目标的拦截能力也将进一步加强。

由于电磁炮的能量来源于电能,因此在安装了综合电力系统的舰艇上,武器系统将和主动力、指挥系统、传感器等子系统共享能量,舰艇平台的设计将越加灵活。而且由于电磁炮炮弹没有化学爆炸物,因此舰艇设计时可以将原有的弹药库结构取消,优化舰体防护,大大提高舰艇的战场生存能力。同时,也将大大简化武器系统的后勤保障工作。


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美国电磁炮系统3D示意图


“2007年1月16日,美国海军研究办公室(ONR)举行仪式,以1发高速炮弹穿透仪式彩带为标志,将一种新型电磁发射装置(EMLF)正式交付给NAVSEA海军作战中心(NSWC)Dahlgren分部。这种美国海军最大的EMLF,能够以7.4MJ初始动能使炮弹达2146米/秒的初速。”

电磁炮的应用将会是海军舰艇建造、作战方式、作战能力的重大变革,是海军进一步实现对陆威慑对空防御的关键技术,也必将是未来战场强有力的杀伤武器。海洋的争夺,永远是科技和综合国力的争夺。

作为铁血老兵我们相信,总有一天,我们能看见自己的电磁炮配备在飘扬着五星红旗的战舰上!



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