最新強力武器——電磁炮 (組圖)

　　12月10日，高速攝像機拍下的電磁炮彈發射瞬間。美國在此次電磁炮發射試驗中取得突破性進展，射彈動能達到了前所未有的33MJ。　　最新試驗電磁炮射彈動能達到33MJ 　　美國海軍近日宣布成功進行了電磁軌道炮的試驗，這次試驗中炮彈速度達到了7倍音速，射彈的動能更是達到了前所未有的33MJ（3300萬焦耳），這是2008年美國海軍電磁軌道炮10MJ記錄後的另一個新紀錄，宣告了電磁炮這一先進技術距離實用又近了一步。美國海軍聲稱實用的電磁軌道炮將具備每分鐘 6-12發的射速，預計美國海軍水面艦艇將在2025年左右裝備電磁軌道炮。 　　自2005年以來，美國海軍為電磁軌道炮投入了2.11億美元的巨額研發經費。儘管電磁軌道炮的實際裝備還有待時日，但今日試驗的電磁軌道炮性能指標也相當驚人。根據《簡氏防務》報道，12月10日美國海軍試射的電磁軌道炮由BAE公司負責研製，本身為32MJ的原理驗證設備。在10日的兩次試射中這門電磁軌道炮將23磅（10.4千克）的射彈加速到2500米/秒左右，先後實現了33MJ和32MJ的實際發射，比2008年實現的10MJ動能大有提高。 　　根據計算，33MJ的動能可以將這枚射彈發射到至少110海里（203公里）外，讓海軍水手和陸戰隊員處於安全的距離上，同時超高速的射彈對防空和導彈防禦也具有重大的戰術價值。 　　美軍擬將電磁炮射程增至370公里 　　電磁軌道炮淘汰了傳統的發射裝葯，同時發射出膛的速度遠高於傳統的炮彈，電磁軌道炮的射彈也無需使用高爆彈頭，這還提高了海軍人員的安全性。對於 2~3馬赫的傳統炮彈來說，高爆彈頭的炸藥必不可少，而超高速的電磁軌道炮射彈本身具有極大的動能，美國海軍研究實驗室主任卡爾少將（Rear Adm. Nevin Carr）舉例說，1噸質量的車以100英里（160.9公里）的時速運動時具備的動能約為1MJ。如果說這個對比印象還不夠深刻的話，1千克TNT炸藥爆炸的能量約為4MJ，33MJ相當於8.25千克的TNT爆炸的能量。射彈在GPS修正INS制導時可以實現很高的制導精度，做到動能擊毀目標。 　　美國海軍預計正式裝備的電磁軌道炮射彈動能將達到64MJ甚至更高，射彈發射速度達到7.5馬赫，可以在6分鐘內飛行200海里或是更遠，最後以5 馬赫的速度擊毀地面固定目標。由於需要大量的電力供應，電磁軌道炮將裝備在未來的全電驅動戰艦上，DDG-1000大型驅逐艦可能是它的首選。不過現階段來看，電磁軌道炮要達到美國預定的目標還有很長的一段路要走，這其中需要克服的技術問題還有很多。 　　

電磁炮的結構原理示意圖。電磁炮的原理很簡單，難點在於工程實際應用方面。

　　電磁炮研究其實由來已久 　　儘管電磁軌道炮投入現役還遙遙無期，但電磁軌道炮並不是什麼新鮮的想法。19世紀法拉第發現電磁感應定律時，人們很自然就想到了電磁炮的概念，並做了早期研究，概念上電磁炮分為電磁軌道炮和電磁線圈炮兩種形式。電磁軌道炮由兩條平直導軌和導軌間的彈丸滑塊組成，當接通強電流時導軌間產生強磁場，通電滑塊在洛倫茲力作用下加速射出。電磁線圈炮則由通電加速線圈和永磁/電磁彈丸組成，通過洛倫茲力加速彈丸。 　　20世紀開始電磁炮實用化研究 　　20世紀是電磁炮從理論到實際大發展的年代，1901年挪威奧斯陸大學進行了最早的電磁投射試驗，不過使用的是線圈炮（CoilGun）。法國人 1919年申請了電磁軌道炮的專利，二戰中德國人則實現了最早的電磁軌道炮，它可將10克的射彈加速到1080米/秒，不過射彈在加速過程中就在高溫電弧和高速摩擦作用下融化了，後繼的設計中使用彈托推動射彈，盡量避免射彈的燒蝕和摩擦。 　　電磁軌道炮儘管原理上極其簡單，但工程上遇到了很多難題：通電導軌之間存在斥力，隨著電流的增大斥力同步增加，這需要研製高強度的材料；通電導軌和射彈無可避免的存在間隙，這引發了高溫電弧，對射彈導軌和絕緣體進行加熱，損害導軌；高速運動的射彈和導軌之間的摩擦加熱和強電流的加熱，也是工程上的極大障礙，這些難題導致早期電磁軌道炮甚至只有單發的壽命，直至今日也是令人頭疼的問題。電磁軌道炮還有對瞬時高能電流的需求，在很長時間也得不到解決，1957年美國空軍的科學家們直言不諱的指出電磁炮很難在近期獲得成功。 　　

　　澳大利亞馬歇爾博士在1977年的試驗中將電磁炮射彈的射速革命性的提高了5900米/秒，但此後他在國防高級研究計劃局（DARPA）負責項目研究時卻並不順利。

　　馬歇爾博士電磁炮研究獲新成果 　　電磁軌道炮的研究者們在低迷的氣氛中繼續前行，1977年澳大利亞國立大學的理查德?馬歇爾博士成功將3克的射彈加速到5900米/秒。不過即使取得電磁軌道炮的記錄，他也沒能得到進一步的預算，不得不轉赴美國，加入西屋電氣公司，並結識了對電磁炮興趣濃厚的亨利?菲爾（Harry D. Fair）。1981年菲爾加入國防高級研究計劃局（DARPA）負責電磁炮項目，但是這個計劃在10年內開發出大口徑的電磁炮的DARPA和美國陸軍聯合項目，由於預算和技術的障礙這個項目最終流產。 　　星球大戰計劃時期的電磁炮研究 　　1983年美國總統里根提出了被稱為「星球大戰」的戰略防禦倡議（SDI），針對天基激光的構想，菲爾的電磁炮團隊認為相比之下天基電磁軌道炮發射簡單的動能射彈，是更好的導彈防禦設計。SDI催生了每年得到16億美元預算的美國戰略防禦計劃局（SDIO）的誕生，菲爾被選定電磁發射部分的負責人，不過出於對強烈政治氣氛的擔憂，菲爾留在了DARPA，美國空軍前飛行員羅傑?萊納德取而代之。 　　SDIO電磁炮部分每年可以得到2000萬美元預算，在此催生下1985年電磁炮的發展連續出現了難以置信的好消息。西屋和沃特公司的團隊都實現了 5900米/秒的速度，更有其他的團隊實現了10千米/秒甚至15千米/秒的速度，不過馬歇爾博士詢問後發現他們號稱的射彈速度居然是來自計算機模擬的理論計算而不是實際測量。 　　1986年研究者們終於用高速相機實現了測量，測量的結果令人失望，射彈速度無一達到馬歇爾博士1977年的記錄，出膛的射彈甚至不是固體，計算機模擬中認定用於加速的很多能量實際上化為了炮口的電弧，更糟糕的是高溫電弧產生的等離子體腐蝕了它接觸到的一切，高速摩擦的射彈在導軌上划出明顯的擦痕，強磁場也扭彎了導軌，這些電磁軌道炮固有的工程難題導致電磁軌道炮壽命只有一發。

　　美國陸軍早前的電磁炮試驗。到了90年代，由於數個電磁炮項目研製受阻，包括美國陸軍在內的多個部門先後中止了電磁炮項目。

　　相比之下，天基電磁軌道炮的射彈部分發展要順利得多，其中包括射入大氣層內攔截的D-2射彈和大氣層外輕型射彈（LEAP）。1987年競爭對手勞倫斯-利弗莫國家實驗室的伍德（Wood）的X射線激光器試驗效果十分糟糕，總審計署對此也不滿，認為是基於政治目的誤導國家政策和預算流向，X射線激光器被淘汰，天基電磁軌道炮即將成為星球大戰的主要部分，前景似乎一片光明。不過伍德隨後提出了智能卵石（Brilliant Pebbles）的設計，經過精心的推銷，1988年7月里根總統同意了智能卵石的方案，而萊納德負責的電磁軌道炮則慘遭削減。 　　美軍90年代中止電磁炮研究 　　智能卵石時代電磁炮得到了300萬美元的預算，可惜這個提議從來沒有脫離紙面。與此同時，新一輪寒潮來襲，專家組會議上有人指出經歷了5年時間和5 億美元的投資，仍然沒有產生一門比1977年馬歇爾博士的電磁軌道炮性能更好的電磁炮，還有人認為電磁炮是一場騙局。1990年SDIO中止了電磁發射項目，1992年DARPA和1994年美國陸軍也先後中止了電磁炮項目。 　　

　　電磁炮目前還需要更大容量的脈衝電源，同時還需要更耐高溫和更高強度的導軌材料以解決最頭疼的能量和燒蝕問題。

電磁炮未來只能裝備全電驅動的DDG-1000戰艦上，而不能配備現役的美軍戰艦。

　　進入21世紀美國軍隊重燃了對電磁炮的熱情，美國陸軍和美國海軍都對電磁炮加強了投資。隨著科技水平的整體快速發展，電磁軌道炮的高功率脈衝電源、抗燒蝕發射軌道、電力調節控制等關鍵技術都有很大突破。目前美國在為新一代航母開發電磁彈射器，電磁彈射器從本質上說就是放大的電磁線圈炮，為電磁彈射器進行的電源研製也惠及海軍的電磁軌道炮。目前脈衝電源的兩個方向是脈衝補償交流發電機和高密度儲能電容技術，美國海軍以脈衝補償交流發電機為發展方向，脈衝電源還需要解決精確放電技術。 　　1.需要更大容量的脈衝電源 　　從目前技術水平來說，發電機對脈衝電源的充電效率可達90%，但脈衝電源對炮口能量的轉換效率則很低，一般還在10-20%之間，遠低於電磁軌道炮 50%的理論轉換效率，這更加大了對脈衝電源功率的要求。美國海軍的64MJ電磁軌道炮，即使屆時脈衝電源對炮口能量的轉換效率提高到25%，也需要脈衝電源具備256MJ的容量。 　　2.需要更耐高溫和更高強度的導軌材料 　　實用電磁軌道炮的發射軌道要實現100發以上的壽命，抗燒蝕技術也是急需解決的問題。燒蝕問題是電磁軌道炮在試驗階段屢屢碰壁的核心問題，早期為了追求高加速使用等離子體電樞。美國陸海軍對電磁軌道炮並不追求太高的速度，改用固體電樞減少了等離子體的生成。針對高速摩擦，和電磁斥力，需要提高導軌的強度和剛度，研製耐高溫耐腐蝕的高強度新型材料。　　3.電流迴路需進一步優化設計 　　此外不僅要考慮導軌電樞介面，高速導軌和易被磨損的炮口處軌道，還要考慮到電樞、彈托以及固體電樞融化後對導軌的影響，進行綜合設計。尤其是發射時炮口的導軌部分會因為電弧放電受到更為強烈的燒蝕，需要在射彈出炮口前衰減電流，但這又會使電流迴路複雜化。 　　4.射彈形變和炮身姿態控制 　　2500米/秒的高速射彈將面臨劇烈的加熱，會帶來微小的形變，會對飛行軌道產生很大影響。超遠射程時炮身本身的偏移也會對命中精度產生影響，這需要電磁軌道炮實現更精密的姿態控制，而這些是目前從未試驗的部分。 　　5.電磁炮無法配備現役戰艦 　　64MJ的電磁炮要實現每分鐘6-12發的射速，需要發電機功率高達15MW-30MW，而美國DDG51伯克級驅逐艦隻有3台 3000KW/3MW的發電機，未來的伯克3也只有4台3MW發電機，除了全電驅動的戰艦如DDG-1000，其他戰艦不可能使用64MJ動能射彈的大型電磁軌道炮。但是未來如果沒有意外的話，裝備電磁炮的將很可能只有屢遭削減的3艘DDG-1000驅逐艦。 　　電磁軌道炮的一體化發射裝置問題相對較少，2004年美國海軍的發射中已經驗證了一體化發射裝置可在炮口分離，分離後射彈也能保持穩定飛行。總而言之，目前電磁軌道炮在技術上仍存在諸多難題，其研製工作還要持續很長時間。 　　

　　美軍對電磁炮的進一步發展計劃。電磁炮擁有的快速反應和射程優勢將使它具備很強的對地支援能力，同時未來還可能發展為防空和反導利器。　　電磁炮射彈射程得到飛越性提高 　　不過雖然有如此多的難題，但電磁軌道炮仍然具有前所未有的性能優勢，它將改變海戰的面貌，堪稱飛機投入海戰之後的另一場革命。現代戰場上單件武器打擊能力的強弱主要取決於打擊射程、打擊時間和打擊精度，電磁軌道炮在前兩點上實現了革命性的提升。 　　目前海上主力艦炮的射程一般為20-30公里，如美國海軍主力艦炮MK 45的射程為13海里（24公里），炮彈動能約為10MJ。在面對有效射程達200-300公里的反艦導彈時，其火力投射只能處於絕對下風。電磁軌道炮具有極遠的打擊射程可在防區外攻擊，又有更短的打擊時間便於響應陸戰隊的火力召喚，同時廉價的成本實現了炮彈的價格導彈的威力，可以將海軍的對陸打擊能力提高了一個全新的水平。 　　電磁炮將極大增強對陸攻擊力 　　電磁軌道炮達到了遠高於MK45艦炮也高於岸基反艦導彈的射程，實現對傳統岸防火力的單向打擊能力。正如航空母艦橫空出世，憑藉艦載機具備單向打擊能力讓戰列艦退出歷史舞台一樣，電磁軌道炮的服役也將使各沿海國家數十年來苦心經營的岸防火力體系過時，其戰略價值如何高估也不過分。 　　具備防空與反導潛力 　　電磁軌道炮射彈具有極高的速度，還具有防空與反導的潛力。雖然從美國海軍的規劃看，最初部署的64MJ動能射彈的電磁軌道炮不會具備反導能力，但美國追求上升段和助推段攔截，後繼的電磁軌道炮具備反導能力幾乎是必然的。反導攔截彈的成本多數在動能殺傷攔截器（KKV）上，即使使用電磁軌道炮反導成本也無法大幅度降低，但軌道炮具備超高加速的特點，是實現助推段和上升段攔截的最佳選擇。 　　

　　電磁炮儘管未來擁有很大的發展潛力，但在可預見的時間內航母這類平台仍擁有無可替代的優勢。

　　電磁炮巨大的性能潛力，讓很多人相信未來電磁炮裝上全電戰艦後掀起的海戰革命或許會帶來大炮巨艦時代的回歸，將航母推下海上霸主的神壇。那我們這裡不妨就將其與航母進行一下對比。 　　首先是打擊距離，按照美軍的計劃在2025年將裝備的電磁炮射程可以達到370公里，而目前航母戰鬥群的戰鬥半徑已經能夠達到500-600公里，未來裝備F-35C後將擴展至1000公里，航母戰鬥群在打擊距離上將擁有明顯的優勢。 　　其次是探測距離，裝備電磁炮的全電戰艦即便擁有遠射程的電磁炮，但受地球曲率影響，其雷達探測和警戒距離仍然有限。而航母戰鬥群因為裝備有預警機，能夠實現更大的探測範圍，從而能夠實現先敵攻擊和對己方遠程炮彈和導彈進行中繼引導攻擊。 　　三是感測器支持，裝備電磁炮的全電戰艦由於電磁炮射彈遠射程的關係，它必然需要大量的感測器平台支持，這也是對它的一個巨大限制。而航母本來就是一個巨大感測器和感測器投放的平台，航母戰鬥群能夠在體系上支持起一個獨立的遠程作戰，而全電戰艦卻不能。這就猶如當年武庫艦與航母的對比一樣，最終武庫艦出局的一個很重要的原因就在於它本身需要太多感測器支持。 　　因而基於以上對比，在可預見的時間內，即便是在電磁炮裝備全電戰艦後，航母這類獨立的全面攻防作戰平台將依然是海上霸主。但是在幾十年後隨著技術的進一步發展，雙方的性能發展就很難預料了，屆時誰將是海上霸主也同樣是不可預測。就如同沒有人在CV-1蘭利號航母服役前就預料到埃塞克斯級航母的輝煌一樣。 　　

　　目前看來，儘管美軍電磁炮項目取得了突破性進展，但要克服的技術難題還有很多，電磁炮還遠未實現實用化，離美軍的預定目標仍然還有很長的一段路要走。不過縱觀在美國整個電磁炮的研製發展過程中，我們可以看見儘管美國在電磁炮研製上一波三折，但卻始終未徹底放棄研究，積累下的豐富經驗最終讓美國在新世紀的電磁炮研究上得到巨大突破，取得了對它國的絕對領先優勢。實際上放眼美國所有的國防武器研究項目，到處都充滿了項目上的折返，這本就是武器發展的必要之路，武器只有在反覆嘗試中，才能找到正確的道路，但美軍這種帶有先見性的預先研究，卻讓它始終處處搶佔先機。 　　對於中國來說，即便可以通過跟蹤外國技術的發展來節省時間和成本，但關鍵技術是買不來的，尤其是這類需要大量工程實際經驗積累的項目。中國也只有加強預研，才可能在電磁炮領域不再大幅落後。加拿大華人網 http://www.sinonet.net/
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