超導(dǎo)與２１世紀(jì)戰(zhàn)爭

趙　利　崔新華

艱難發(fā)現(xiàn)的こ導(dǎo)材料

今天，“超導(dǎo)”這個(gè)概念越來越多地走入人們的視野。超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船、超導(dǎo)量子干涉器……相繼問世。那么，究竟什么是超導(dǎo)體呢?

通常，物體或材料按其導(dǎo)電性能分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。所謂超導(dǎo)體是指那些在外界溫度降低至某一特定數(shù)值時(shí)，其電阻和體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度都突然變?yōu)榱愕膶?dǎo)體，超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使無損耗輸電成為可能。

一個(gè)世紀(jì)來，超導(dǎo)體的研究使4位科學(xué)家先后獲諾貝爾獎(jiǎng)。1911年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞的電阻在接近絕對(duì)零度的低溫時(shí)急劇下降以致完全消失，并在1913年一篇論文中首次提到“超導(dǎo)電性”一詞。由于這一成就，昂尼斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1933年，德國物理學(xué)家邁斯納等人又發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。1962年英國劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森提出，夾有薄絕緣層的兩塊超導(dǎo)體之間，即使不加電壓也可通過一定數(shù)值的直流隧道電流。這一現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。他也因此獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。

1986年，德國物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒發(fā)現(xiàn)一種氧化物材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比已往的超導(dǎo)材料高出12℃。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致超導(dǎo)研究的重大突破，柏諾茲和繆勒也因此獲1987年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。

超導(dǎo)技術(shù)是物理學(xué)的一項(xiàng)重大成就。超導(dǎo)技術(shù)的日益成熟及其在軍事上的廣泛運(yùn)用，將使21世紀(jì)戰(zhàn)場更加異彩紛呈。

前景廣闊的超導(dǎo)兵器

超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用收效最快的是超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、能耗小、效率高，可用作艦船、坦克、飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。

超導(dǎo)艦艇20世紀(jì)70年代以來，美、英、日等國積極開展超導(dǎo)技術(shù)在海軍艦艇方面應(yīng)用的研究，并已初見成效。美國試制了5.5兆瓦的超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，英國研制了480千瓦的超導(dǎo)電磁力推進(jìn)裝置，日本已制成了超導(dǎo)船?，F(xiàn)在國際上已有3艘超導(dǎo)電磁推進(jìn)船試驗(yàn)成功。超導(dǎo)電磁力推進(jìn)裝置是按照電磁原理設(shè)計(jì)的。在艦艇上安裝電磁鐵，在磁場和電流的相互作用下，海水向后運(yùn)動(dòng)。在海水的反作用力下，艦艇將獲得向前的推力。超導(dǎo)艦艇既不需要發(fā)動(dòng)機(jī)，也不需螺旋槳，能有效地消除噪音、降低紅外輻射，從而大大提高生存能力和快速機(jī)動(dòng)的突防能力。

超導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造大功率、小體積的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)提高飛機(jī)的作戰(zhàn)性能起到至關(guān)重要的作用。磁流體發(fā)電是一種高效發(fā)電方式，隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷突破，為大容量、小型化磁流體發(fā)電機(jī)的研制提供了條件。這種超導(dǎo)發(fā)電機(jī)實(shí)用化后，飛機(jī)可用它作能源，為空中指揮所和預(yù)警飛機(jī)的大型雷達(dá)、大型計(jì)算機(jī)、各種通信設(shè)備等非常耗電的裝備提供動(dòng)力。預(yù)計(jì)這種機(jī)載大功率超導(dǎo)發(fā)電機(jī)將是超導(dǎo)技術(shù)在軍事上最先得到應(yīng)用的項(xiàng)目之一。

超導(dǎo)坦克最近，美國陸軍設(shè)想了一種外廓尺寸和MI坦克相似的超導(dǎo)坦克，即電磁坦克。這種坦克為無炮塔式結(jié)構(gòu)，戰(zhàn)斗全重45噸，主要武器為105毫米電磁炮，彈丸基數(shù)為80發(fā)，裝彈采有自動(dòng)裝置，電磁炮的電源由6臺(tái)超導(dǎo)線圈制成的單極發(fā)動(dòng)機(jī)提供，車體中部的兩側(cè)為液氮容器，盛有冷卻超導(dǎo)電感線圈的液氮。高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，也給坦克的高技術(shù)化開辟了一條途徑。電磁炮的應(yīng)用，必將使陸戰(zhàn)王如虎添翼。

快速高效的超導(dǎo)通信

利用超導(dǎo)材料“約瑟夫森效應(yīng)”制成的儀器設(shè)備，具有靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)速度快和能耗小等特點(diǎn)，在軍事偵察、通信、電子對(duì)抗和指揮等方面，都大有用武之地。

超導(dǎo)有線電通信利用超導(dǎo)電線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量通信。研究試驗(yàn)表明，超導(dǎo)電線傳輸信息的速度，比光纖系統(tǒng)快得多，可以傳輸幾萬億分之一秒的脈沖。科學(xué)家們預(yù)言，未來高溫超導(dǎo)的遠(yuǎn)距離通信的容量將比光纜大幾百倍，能夠每秒傳輸相當(dāng)于1000部大英百科全書的信息量。同時(shí)，超導(dǎo)電線因?yàn)闊o損耗，可以省去每3～4千米就要設(shè)置的放大器。

超導(dǎo)無線電通信利用超導(dǎo)材料制作無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，不僅靈敏度高、帶寬寬，而且可減小天線的尺寸和重量，提高系統(tǒng)的生存能力。英國伯明翰大學(xué)制成的世界上第一臺(tái)超導(dǎo)無線電發(fā)射機(jī)，其發(fā)射距離與常規(guī)發(fā)射機(jī)相比增大10倍。超導(dǎo)材料也是制造通信衛(wèi)星的理想材料，它可以提高信息處理速度，并可使頻率響應(yīng)時(shí)間縮短一半。利用超導(dǎo)材料制造衛(wèi)星天線，其效率可提高90%。

指揮和控制現(xiàn)代軍事指揮和武器控制，需要高速地處理大量信息。采用具有零電阻特性的超導(dǎo)材料制作計(jì)算機(jī)，由于功能耗減小，電路產(chǎn)生的熱量可忽略不計(jì)，運(yùn)算速度大大提高，而且體積和重量可大幅減小。日本富士通公司研制成功的4位超導(dǎo)微處理機(jī)，與采用砷化鎵技術(shù)的同類處理機(jī)相比，速度快10倍，功耗只有后者的1/500。據(jù)稱，若采用超導(dǎo)材料制作計(jì)算機(jī)，目前的億次巨型計(jì)算機(jī)可制成只有微型個(gè)人計(jì)算機(jī)那么大。這種微型高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，必將大大提高軍事指揮效率，同時(shí)也可提高武器制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。

高度靈敏的超導(dǎo)探測

利用超導(dǎo)技術(shù)的探測器件，由于對(duì)磁場和電磁輻射極其敏感，其靈敏度比常規(guī)探測器件高上千倍，是軍事遙感偵察的理想設(shè)備。正是研制的主要有天基凝視紅外焦面陣列探測器、微波和毫米波探測器、磁探測器等。超導(dǎo)探測器不僅尺寸小、重量輕、作用距離遠(yuǎn)、探測靈敏度高，而且具備一般可見光和紅外探測系統(tǒng)所不具備的全天侯以及穿透煙云的探測能力，并能提供對(duì)低特征目標(biāo)的控測能力，可廣泛應(yīng)用于相控陣天線、反潛武器和水雷探測。

據(jù)悉，新一代超導(dǎo)雷達(dá)也正在研制中。其天線、發(fā)射機(jī)、收信機(jī)、穩(wěn)頻源、信號(hào)模擬器、濾波器等電子器件全部是采用高溫超導(dǎo)材料制作而成的，具有低功耗、低噪聲、寬頻帶、高靈敏度、高可靠性以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，用于雷達(dá)系統(tǒng)的超導(dǎo)電子器件，可使雷達(dá)頻譜擴(kuò)展166倍，作用距離提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可探測于微弱的信號(hào)。

展望未來，隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、超導(dǎo)材料的新突破，超導(dǎo)家族還會(huì)有更新更多的武器脫穎而出。它們?cè)谖磥淼膽?zhàn)場上將大顯神威?！?/p>

(原載《中國國防報(bào)》)