被誉为巨大变革的电磁炮受哪些局限制约,被誉

日期:2019-09-17编辑作者:军事资讯

  出品:科普中国

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图片 1 电磁轨道炮结构原理示意图

  作者:熊 伟 兵器知识

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图片 2 电磁轨道炮发射装置与电容器

  监制:光明网科普事业部

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图片 3 7兆焦电磁轨道炮射弹图像

  很多报道中都宣传,电磁炮是火炮发展史上的一次巨大变革,具有很多传统火炮无法比拟的优点——初速高、后坐力小、便宜、安全等等。那么,电磁炮这种装备是怎样的运作原理?又真的便宜么?

  电磁炮适合打什么?

图片 4 32兆焦电磁轨道炮炮弹出炮口瞬间

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  磁炮是火炮发展史上的一次巨大变革,具有很多传统火炮无法比拟的优点。把127毫米炮弹打出2000米/秒,最大射程超过100千米。技术难度大,作战效果却并不比现在的反舰导弹强。先进一些的火箭增程弹、炮射导弹,也能打这么远。大口径炮弹里面有炸药、引信,还得考虑电磁干扰。因此用电磁炮发射爆炸型的炮弹,代替大中口径舰炮,不合算。

  ●冷兵器时代,利用原始机械抛射物体,速度只有每秒几十米;

  936号登陆舰上装备的电磁炮(来源:兵器知识)

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  ●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;

  电磁炮的难点

  “密集阵”系统不仅是首款近防系统,也是美式近防系统核心理念。

  ●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。

  初速高的优点,能让电磁炮完全代替传统火炮吗?

  那就打没有炸药的炮弹,就像现代军舰上普遍装备的近防炮。美国“密集阵”20毫米近防炮,发射的穿甲弹重0.1千克,初速1113米/秒。这种炮最高射速3000发/分钟。要让电磁炮也以这样的射速持续射击,需要10.3兆瓦的供电。不过近防炮反导,不会那样持续射击。我们假设这门炮会向一个目标射击4秒,200发,然后转向下一个目标,每分钟能打5次。这样算下来,瞬时放电功率只需要75.6兆瓦。花些代价,得到一门火力性能与“密集阵”相当的舰炮,对驱逐舰来说还是不错的。

  且看海军装备研究院高级工程师张世英为您讲述——

  不一定。因为电磁炮要在瞬间产生一个强大、可控的磁场,这就带来不少工程技术难题。我们假想一门电磁炮,代替上面那种127毫米舰炮。炮弹还是31千克,初速还是762米/秒,射速60发/分钟,能量利用效率也和传统火炮一样,30%。

  如果把这门反导电磁炮的炮弹初速提高到2000米/秒,反导拦截成功率无疑会大大提高,有效射程也能提高一倍左右。瞬时放电功率要439兆瓦,这比航母上电磁弹射器的稍微大一点,难度不大。

  【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。

  算下来,需要一台30兆瓦的发电机给电磁炮供电,才能连续发射炮弹。可是要知道,现在万吨级驱逐舰的动力装置总功率,也不过80兆瓦左右。而且这是用来推动驱逐舰航行的,发电机的功率一般只有几兆瓦。

  因此和发射大口径炮弹相比,电磁炮更适合反导。搬到陆地上反装甲,2000米/秒也是威力十足。要知道现在最好的坦克炮穿甲弹,初速都还没到2000米/秒。当然,这需要进一步提高电磁炮的能量利用效率,减小它的体积和重量。

  了不起:速度超过5倍音速,射程达200公里

  不过舰炮,不需要时时刻刻都开炮。电磁炮本身也会有一个大型的储能装置,把电能先存起来,然后在几毫秒内放给炮管。因此我们再假设:这门舰炮一次射击只打10发炮弹,每分钟能打一次。这样,就只需要一组83千瓦时的电池,然后由一台5兆瓦的发电机组给它充电。

  电磁炮有多大威力?

  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。

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  有些报道说,电磁炮的优点之一是,“巨大动能的弹丸通过直接撞击目标将其摧毁,威力极大”。这个说法其实站不住脚。

  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。

  电磁炮打不同炮弹,所需要的供电设备(来源:兵器知识)

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  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。

  这些要求在驱逐舰上不难满足。但还有一个大问题——炮弹在炮管里运动20.6毫秒,电能要在这段时间里全部放给电磁炮,瞬时放电功率要达到1452兆瓦。航母的电磁弹射器,瞬时放电功率也不过400兆瓦。从400提高到1452,并非不可能。不过这样一门127毫米的电磁炮,作战能力还不如传统舰炮——每分钟只能打10发。

  LaWS舰载高能激光武器是“伯克”3最大亮点,但也可能是个败笔。

  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”。

  把炮弹初速提高到2000米/秒,最大射程能超过100千米。对驱逐舰的动力设备进行特殊设计,电源方面可以解决。但动能更高、时间更短,导致瞬时放电功率要达到26247兆瓦!这对电气设备可是一个极大的考验。

  美国在电磁炮试验中,已经让炮弹动能达到了33兆焦。美军现在M1坦克打的穿甲弹,炮口动能12兆焦。从这方面说,电磁炮足以超越坦克炮。但打军舰、打飞机,杀伤力就有问题了。首先,高速炮弹从目标上一穿而过,只留下个窟窿。这伤害对军舰来说基本没有,对飞机也不大。

  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。

  电磁炮便宜吗?便宜在哪?

  那好,在炮弹上采取一些特殊设计,碰到目标后立刻把自己的动能都转化成杀伤力。可33兆焦相当于多少TNT炸药爆炸呢?只有7.27千克。打飞机够了,因为它是贴着飞机“爆炸”,相当于把一枚反坦克地雷按到飞机上炸。可对付军舰,就没戏了。要知道一枚“鱼叉”反舰导弹,战斗部里的炸药也有97.5千克,扎到大型军舰里爆炸也未必能击沉它。

  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。

  电磁炮里,能量来自于汽油柴油、内燃机、发电机。如果电磁炮的能量利用效率和传统火炮一样,也是30%,那同样是把一发31千克的127毫米炮弹打到762米/秒,只需要2.4千克,也就是2.85升柴油,按现在的油价,18.5元。

  7.27千克炸药,和现在155毫米炮弹里装的差不多,因此这一发电磁炮弹的动能杀伤威力,也就相当于一发大口径榴弹。就算电磁炮进步的,炮弹动能达到330兆焦,那也才相当于一枚小型航空炸弹或中型反舰导弹的爆炸威力,算不上“极大”。

  这个说法当然有原因。与传统火炮相比,电磁炮优势明显:

  不过一发炮弹的成本,不能只算发射药、汽油,还得算上火炮的成本折旧。比如一根127毫米炮管,寿命一般是7000发,它的制造成本就得分摊到7000发炮弹上。电磁炮的“炮管”可比一根钢管贵。还有特殊的电磁加速、电能储备、快速放电等设备。这样算下来,电磁炮就不比传统火炮便宜了。

  有的报道中,把“炮弹体积小、重量轻、更安全”,也列为电磁炮弹的优点之一。电磁炮的炮弹本体上,确实不需要发射药了,体积重量会减小。但配套的特殊电气设备,也是有体积和重量的,不算到“炮弹”里,也得算到“炮”上。至于安全性,实心穿甲弹的弹头,当然比爆炸性的弹头更安全,但一艘军舰、坦克能只带穿甲弹吗?所以这方面的优点,并不像传说的那么高。

  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。

  即便是以后,电磁炮能大批生产了,也不能简单地只比炮弹。

  电磁炮,只能代替某些炮

  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%。

  因此总体来说,电磁炮适合发射小型穿甲弹,执行防空、反装甲等任务,代替近防炮、高炮、坦克炮。如要发射重量几十千克,带炸药的爆破弹,以及子母弹、燃烧弹等炮弹,电磁炮的优势就不大了。大中口径的传统火炮,将和小口径的电磁炮,一起在军舰、陆军共存。即便是彻底取消大中口径火箭,代替它们的也不会是电磁炮,而会是多种类型的导弹、巡飞弹、火箭炮、小型无人机。(本文图片来自网络)

  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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