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海战新锐电磁轨道炮(上)

2015-08-17 09:19  来源: 科普中国

    电磁能武器,是利用电磁系统中电磁场的作用力,发射弹丸或作战平台(如舰载机、无人机)的武器系统。电磁能武器的技术原理并不复杂,完全可以用中学物理课本上的定理来阐述,自19世纪人类发现电磁感应定律后,就开始有科学家尝试使用电磁线圈来发射弹丸。但电磁炮很长时间内只存在于图纸上,直到近年来,随着新材料、新型电气设备性能的不断提高,电磁能武器的实用化进程才出现转机。

    传统化学能火炮的极限

    自火炮发明至今,人们都是依靠化学能——火药爆燃产生的能量来推动炮弹出膛。经过数百年的发展,传统火炮的性能已接近极限,继续改进,挖掘潜力变得越来越困难。

    火炮以火药为能量推动弹丸前进,但火药的爆速是有限的。一般的钝化硝化棉发射药,其燃速约3000〜4000米/秒,使用这种发射药的火炮,弹丸初速最高只能达到2000米/秒左右,再往上提速困难重重,发射药的效率急剧降低。此外,为了让炮弹的初速更高,火炮的膛压也日益提高,这使得火炮身管的制作工艺越来越复杂昂贵,身管烧蚀日益严重。以坦克主炮为例,上世纪70年代就已将初速提高到1800米/秒,时至今日,初速最高的坦克炮仍然是1800米/秒,只是弹丸比30年前重了一些,威力有所增加。而现代的海军舰炮,其弹道性能与30年前甚至二战时期的同口径舰炮相比也没有明显的改善,主要的区别就是,现代舰炮依靠火箭增程弹药、末制导技术等其他手段来提高舰炮的战斗力。

    电磁炮以电磁力推动炮弹前进,炮弹不受火药燃速的限制;以导轨和导体弹丸共同构成电流回路,省去了精密、昂贵、笨重的身管;以电能作为发射能源,省去了易燃易爆的发射药,弹药库更安全。美国海军认为,电磁炮理论上的初速完全可以达到第一宇宙速度(7900米/秒),如果用电磁能技术来发射重量类似于155毫米炮弹的弹丸,可以轻易达到1000米/秒的初速,且电磁炮身管寿命将是传统火炮的十余倍,炮塔旋转部分重量是传统火炮的1/2,炮口冲击波对舰体的震撼和破坏也会降低到“令新型战舰的设计师们感觉非常愉快”的程度。

    电磁炮的技术突破

    电磁炮是一个原理说起来简单,实现起来难,达到实战部署阶段更难的武器系统。

    早在19世纪20年代,研究电磁现象在欧洲就已形成热潮。1845年,曾有人绕制了一些线圈,利用线圈的电磁力将一根金属棒射出了近20米远。1901年,挪威物理学家伯克兰造出了世界上第一门电磁线圈炮,能把 10千克的弹体加速到100米/秒。上世纪70年代,澳大利亚国立大学试制了一门电磁炮,首次成功地将质量为3.3克的弹丸加速到5900米/秒,此后又经过改进,能将2.2克的弹丸加速到10千米/秒。

    这些试验性质的电磁发射装置,严格意义上说都不能称之为武器。要达到实战部署,电磁炮的体积和重量必须小到可以安装在作战平台(舰艇或坦克),射速和射击精度必须满足要求。但这些试验装置体积庞大不说,其电容往往需要充电数小时乃至1天才能储满一次发射所需的能量,显然无法达到实用水准。

    90年代之后,技术的发展逐渐克服了之前看起来几乎不可逾越的障碍。高效率、高能量储存密度的电容的出现,使得电磁炮身后不必拖带一个巨大的电容,电磁炮的发射机构体积也缩小到了接近传统127毫米舰炮炮塔的水准。上世纪90年代,美国军方首次将电磁炮当作一个可行的武器系统进行投资研发,开始研制机动型的速射型超高初速电磁炮,用于反弹道导弹,另研制初速不作太高要求(全功率发射时初速2500米/秒左右),但弹丸重量较大的舰载电磁炮。

    2005年,电磁炮的研制取得突破性进展。在2005年3月的未来炮兵年会(IQPC)上,美国得州大学费尔博士发表报告,称有关脉冲电源技术以及电容器技术已经成熟,只需要一个超大容积的电容器以满足陆军的需求。而海军可以首选脉冲交流发电机,不仅可以降低相关风险,还可以确保提供一个大容量弹仓。

    2008年初,美国海军电磁炮原理炮在实验室发射成功,该炮成功地将一个大质量弹丸加速到了2500米/秒以上的速度,已经接近实用化。

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