电磁炮前世今生与未来

来源：解放军报

电磁轨道炮结构原理示意图

 ●冷兵器时代，利用原始机械抛射物体，速度只有每秒几十米；
　　●热兵器时代，利用化学能的火炮可以使弹丸初速达到1.8千米/秒；
　　●目前，利用电能的电磁炮可将弹丸加速到2.5千米/秒，这还远非极限。且看海军装备研究院高级工程师张世英为您讲述——
　　【新闻提示】 去年底，美海军再次成功进行了电磁轨道炮（下文简称电磁炮）试验，标志着其发展电磁炮“三步走”计划已实现了第二步目标。它还传递了一个信息：在不久的将来，电磁发射技术将再次改写人类的兵器史、战争史。或许，传统火炮将走向终结。以电能为动力的电磁炮必将让“战争之王”焕然一新。
　　了不起：速度超过5倍音速，射程达200公里
　　去年12月中旬，美国海军成功试射了。法新社报道，其速度超过5倍音速，射程达200公里。而最抢眼之处是，其炮口动能创造了一个新高，达到33兆焦耳。一兆焦耳的能量相当于一辆一吨左右重的车以160公里的时速撞向一堵墙。
　　这一幕似曾相识。电影《变形金刚2》中有个情节，美军最后动用了一件神秘兵器，从战舰上发射了超高速炮弹，对金字塔顶的“大力神”予以毁灭性打击。该武器就是新概念动能武器——电磁炮。
    这种新型武器的动力来自电流，其作战原理是让“非爆炸性子弹”沿着弹道超音速冲向敌方目标。据美联社报道，装备新型电磁炮可以让美军舰队在更安全的海域射击敌方目标，且具有极大的破坏力。
    外行看热闹，内行看门道。这次试射，足以令已有600多岁高龄的传统火炮“坐卧不安”。
　　多年来，传统火炮一直在改进之中，但已没有多少潜力可挖掘，特别是两项重要指标——炮弹初速和炮口动能已近极限。由于它使用固体火药，受火药燃气的膨胀速度限制，其炮弹初速度在理论上很难超过2千米/秒。而随着新技术的发展，电磁炮轻而易举地将这一纪录改写：目前试验性电磁炮已可将弹丸加速到10.10千米/秒——这还远非电磁炮的真正实力。
　　其实，美国国防科学委员会早在25年前就“警告”传统火炮：未来的高性能武器，必然以电能为基础。
　　这个说法当然有原因。与传统火炮相比，电磁炮优势明显：
炮弹速度非常高。可以把弹丸加速到几十千米每秒的超高速，而且射程可与导弹相媲美。这样就大大缩短了炮弹飞行时间，提高了对运动目标的命中精度和摧毁能力。
　　能量成本低。常规化学炮的化学能转换效率大约只有20%左右，产生每兆焦耳能量需要10美元左右成本；而电磁炮只需要0.1美元左右，其电能与动能转换效率理论上最高可达50%。
炮管可以设计成方形、椭圆形等，并可采取灵活的炮弹结构形式，而且不像传统火炮发射时炮口火焰、噪音及后坐力那么大，炮兵阵地隐蔽性更好。
　　此外，电磁炮的炮弹尺寸和质量小，有利于增加弹药基数；电能也比火药更容易控制，使用更加安全可靠。
　　这足以令传统火炮相形见绌。可以预测，电磁炮将终结“传统火炮时代”，赋予“战争之王”新面貌。
　　人们更关注的不是电磁炮本身，而是随之而来的电能武器时代，这必将开启兵器历史的新纪元。

电磁轨道炮发射装置与电容器

    不新鲜：“孕育”发展百余年，历尽艰辛仍未“长成”
　　电磁炮不是“新生儿”，在动摇传统火炮地位的过程中，它已积攒了百余年气力。
　　事实上，电磁炮的结构和原理并不复杂，与传统火炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，它是利用电磁发射技术制成的一种动能杀伤武器。本文所说的电磁轨道炮只是电磁炮的一个分支，但发展最为迅速，所以人们通常简称电磁轨道炮为电磁炮。
　　电磁轨道炮通过给一对平行的长导轨注入脉冲电流，在导轨间产生磁场。导轨之间有一个可以沿轨道滑动的金属体，它通电后在轨道间磁场作用下不断加速，最后发射出去。
　　然而，原理简单却不代表研制和使用简单，电磁炮的研制已有100多年历史了，经历了比其他新生事物更艰难曲折的发展历程。
    且不提启蒙者和其他先驱，第一个明确提出电磁炮概念，并坚持长期试验的是挪威科学家伯克兰，他早在1901年就制成了第一个电磁线圈炮，把0.5公斤的炮弹加速到500米/秒。1903年，又把10公斤的物体加速到100米/秒。
　　他的这一小步，在当时已经相当了不起，让人看到了电磁炮光明的未来，激起更多科学家和军事家的兴趣。只是后来，伯克兰意识到无法获得理想的动力——强大的脉冲电源，不得不放弃了研究。
二战期间，德国和日本都曾积极研制电磁炮。特别是德国，迫切需要新式武器扭转战局。1945年，汉斯勒取得了炮弹初速1210米/秒的成果。战后，该电磁炮落在了美军手里。但动力供应问题和轨道材料问题仍不好解决，研究陷入困境。
　　上世纪80年代，美国提出了“星球大战”计划，其中电磁炮被指望用于摧毁对方的太空目标以及拦截弹道导弹。虽然随着“冷战”的结束，“星球大战”计划寿终正寝，然而电磁炮的研发计划和技术进展，却为日后美海军电磁炮的快速发展奠定了基础。
　　2004年，美国海军成功进行了电磁炮发射试验；2008年的试验以2500米/秒的速度发射了重约3公斤的炮弹，根据计算炮弹可击中370公里外的目标，而传统军舰火炮射程只有几十公里。
当然，关注电磁炮的不只是美国一家。俄、日、法、德、以等国家都在投入人力、物力和财力进行研究。可是，仍有不少技术难点需要解决，有些还是制约其实战化的关键。
　　一是如何能重复使用。高发射速度和炮口动能对轨道的损伤是致命的，要求其轨道材料必须有足够的强度和刚度，必须能承受强大电流。
　　二是高功率脉冲电源技术。高功率脉冲电源的主要功能是为发射装置提供能量，目前的主要技术瓶颈是小型化问题。
　　三是开关问题。在极短时间内把存储的能量释放出来，一个关键部件就是大功率开关。此外，还要考虑制导炮弹发射后，弹丸的稳定飞行、制导与控制的有效性等关键因素。
　　总之，电磁炮已经100多岁了，但至今还未“长成”。

7兆焦电磁轨道炮射弹图像

　　看未来：必将走入21世纪的主战场，迎来自己的春天
　　电磁炮以其独特的发射方式，在高初速、远射程和快速打击等方面显现出无可比拟的优势，可承担海上火力支援、陆上远程火力压制、反坦克（装甲）和打击临近空间作战平台等使命任务，其应用范围涉及到海、陆、空三军。
　　兵器的发展经历了从冷兵器向热兵器转变的过程，带来了革命性变化。而以电磁炮为代表的电能武器，将成为兵器发展史上又一革命性的里程碑。
　　在陆军方面，使用电磁炮作远程打击，即使只用3千米/秒的弹丸速度，也是常规火炮的2-3倍，可大大提高射程，把电磁炮作为坦克炮或反坦克炮前景都非常好。
　　在海军方面，舰载电磁炮可作为海上火力支援装备，承担对岸上目标的远程精确打击等战术使命，还可用电磁炮对付高性能反舰导弹，用以防空和对付掠海导弹。利用其弹丸质量小、速度高、射速快的特点，可以大大提高防空效能。
　　在航天发射方面，电磁炮可以替代运载火箭的第一级，发射卫星、航天飞机和星际探测器等。
　　此外，它还具有一些潜在的战略使用价值，如打击位于临近空间的作战平台目标等。
　　2001年11月，美国海军召开了电磁炮发展研讨会，制定了一个三步走计划：第一步（2005年前），研制炮口动能为8兆焦的样机；第二步（2005～2011年），研制炮口动能为32兆焦的样机，初速要大于2500米/秒；第三步，开展炮口动能为64兆焦的电磁炮型号样机研制工作，为在2020～2025年装备电磁炮铺平道路。
　　尽管曾经命运多舛，尽管前面的路途坎坷依然，电磁炮走入21世纪主战场的步伐已不可阻挡，它必将迎来自己的春天。

美国军方在2008年进行的电磁炮试验

    传统火炮VS电磁炮
　　炮弹初速度：火炮很难超过2千米/秒，电磁炮可达几十千米/秒
　　射程：火炮最远为185千米，电磁炮为370千米
　　炮口动能：火炮为20兆焦耳，电磁炮为32-64兆焦耳，产生每兆焦耳能量成本，火炮需要10美元，电磁炮需要0.1美元
　　能量转换效率：火炮化学能转换效率仅20%，电磁炮电能转换效率达50%
　　飞行速度对比
　　战斧巡航导弹 245米/秒
　　声音速度 340米/秒
　　一般步枪子弹 710米/秒
　　一般舰炮弹丸 900米/秒
　　电磁炮弹丸 2500米/秒