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新战争之王:电磁炮前世今生与未来

热度149票  浏览491次 【共0条评论】【我要评论 时间:2011年1月29日 22:06

电磁轨道炮

结构原理示意图

电磁轨道炮发射装置与电容器

7兆焦电磁轨道炮射弹图像

32兆焦电磁轨道炮炮弹出炮口瞬间

●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。

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。但能源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”。

看未来:必将走入21世纪的主战场,迎来自己的春天

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。

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。

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。

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

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