未來戰(zhàn)場上的“飛鏢”——電磁炮

□ 陳效真

電磁炮概念是由法國人安德烈于20世紀(jì)20年代提出的，自70年代初開始，英國、加拿大和澳大利亞的科學(xué)家率先建立了電磁軌道炮模型，并通過試驗證明了電磁軌道炮在理論上的可行性，隨后世界各國尤其是美國持續(xù)地開展了研究。

電磁炮亦稱電磁發(fā)射器，它是靠電磁力給彈丸加速，然后再以高達(dá)每秒幾十千米的速度將彈丸從發(fā)射器中射出。電磁發(fā)射器由能源、加速器和開關(guān)三部分組成。能源要能發(fā)出峰值為上百兆焦的脈沖能量。而儲存能量的手段主要是靜電、電磁、電化學(xué)和機(jī)械4種方法。

電磁炮的分類

作為一種新式武器，電磁炮有著常規(guī)火炮無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：彈體速度高、射程遠(yuǎn)，可精確控制命中率高，穿甲威力大；彈體體積小、重量輕、無消極質(zhì)量，可增加攜彈量，便于實現(xiàn)自動供彈；彈體加速均勻，彈體質(zhì)量范圍大，可發(fā)射更復(fù)雜的彈體；火控系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)多變、可控性好、操作方便；性能優(yōu)良穩(wěn)定，成本低、運(yùn)輸和后勤保障容易；發(fā)射無煙霧、無聲響，隱蔽性好，不易發(fā)覺，生存力強(qiáng)；能源簡易無污染；直接命中動能殺傷，無需近炸引信破片殺傷。根據(jù)其發(fā)射裝置的不同可分為四類：

2008年1月31日，美國海軍進(jìn)行電磁炮發(fā)射試驗

軌道炮

電磁加速器的一種改型，是一臺線性直流電機(jī)，其原理是利用帶電流物體在磁場中受到的磁力作用加速物體。在強(qiáng)脈沖電流作用下可達(dá)到幾萬～幾兆g的加速度、炮口動能可達(dá)常規(guī)火炮的幾倍以上。

軌道炮適于發(fā)射質(zhì)量不大的彈丸，可達(dá)到較高的速度和發(fā)射率。其主要優(yōu)點(diǎn)是只需較短的炮管就可獲得很高的發(fā)射速度，結(jié)構(gòu)簡單，工藝問題較易解決；缺點(diǎn)是高溫等離子體電樞對軌道燒蝕嚴(yán)重，系統(tǒng)熱效率低，只有10%左右。

電磁炮彈以5倍音速擊中目標(biāo)

線圈炮

線圈炮又稱為質(zhì)量驅(qū)動器，它是一種用移動波加速質(zhì)量的交流線性同步電機(jī)。高壓電流被引進(jìn)線圈炮的靜止線圈中形成強(qiáng)大磁場，被發(fā)射物體上安裝的金屬感應(yīng)線圈由法拉第效應(yīng)感應(yīng)出電流，被發(fā)射物體線圈中的感應(yīng)電流與靜止線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場相互作用推動被發(fā)射物體前進(jìn)。

線圈炮可發(fā)射質(zhì)量較大的彈丸。其優(yōu)點(diǎn)在于它是一種無接觸發(fā)射，可以克服軌道炮面臨的導(dǎo)軌燒蝕問題；缺點(diǎn)是加速度只能達(dá)到100g～10000g。

連接炮

連接炮是一種無接觸的感應(yīng)式發(fā)射器，由兩個中間有間隙的共軸線圈組成。彈體呈矩形，加速力是彈體垂直線圈軸線通過間隙后磁力線重新連接的結(jié)果。當(dāng)彈體接近線圈時，線圈內(nèi)沒有電流；當(dāng)彈體運(yùn)動逐漸接近線圈時，彈體與線圈的耦合逐漸達(dá)到最大值，線圈內(nèi)的電流開始增加，耦合時最大值將持續(xù)一段時間，這段時間內(nèi)電流達(dá)到了峰值；當(dāng)彈體的尾邊開始掠過線圈孔徑時，兩個線圈的磁力線在彈體后面重新連接，磁力線的伸直使彈體產(chǎn)生了加速度，因為這一過程中彈體同兩個線圈之間負(fù)的互感被兩個線圈之間正的互感值所代替，這就相對增大了線圈的有效電感，這正是磁力線重接式電磁炮高效率和高加速度的原因所在。

連接炮的效率高于軌道炮，可達(dá)30%～50%，尤其在發(fā)射大彈丸時，其優(yōu)點(diǎn)更加突出。這是一種無管炮，沒有過熱和燒蝕問題，是未來天基超高速炮的發(fā)展形式。

高速攝像機(jī)拍下的電磁炮彈發(fā)射瞬間

電熱炮

這種電磁炮是利用電磁方法驅(qū)動一系列的等離子體環(huán)徑向聚爆，選擇合適的彈體形狀可使等離子體的一部分徑向動能推動彈體加速。

該炮的陰極和陽極呈盤狀，盤中心有可以通過彈體的圓孔，在彈體到達(dá)之前的某一時刻，有一個高壓脈沖加在陰陽兩極之間，這個脈沖使稀薄空氣弧光放電，產(chǎn)生等離子體環(huán)，并同磁場相互作用使其加速且等離子體不斷積累和壓縮。當(dāng)彈體前沿大致與陰極共線時，等離子環(huán)與彈體相碰撞，彈體被聚爆徑向動能和壓力推動加速。

這個系統(tǒng)可用來將質(zhì)量從幾克到幾千克的彈體加速到每秒10千米～100千米的高速。這種電磁炮的彈體可以用各種材料制成，發(fā)射器可以重復(fù)使用，由于彈體與發(fā)射器無直接接觸，因此使用壽命長。

電磁炮的應(yīng)用

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用電磁炮可采用軌道炮和線圈炮兩種發(fā)射方式。戰(zhàn)術(shù)電磁炮在大氣層內(nèi)使用，為避免燒蝕損壞，除采用抗燒蝕彈丸材料外，一般速度不宜超過每秒4千米，即便如此，也是火炮彈丸速度的2～3倍，作戰(zhàn)效果提高顯著。

陸軍應(yīng)用：陸軍應(yīng)用主要在于電磁炮彈丸高速運(yùn)動能帶來的穿甲能力。美國的實驗證明，重50克，初速度每秒3千米的彈丸能穿透25.4毫米的裝甲板。在另一項實驗中，彈丸穿透了模擬的蘇聯(lián)T-72和T-80坦克裝甲。經(jīng)計算表明，發(fā)展電磁坦克炮是可行的。

以色列正在研制化學(xué)與高溫等離子體發(fā)射混合的電熱炮，初速已達(dá)到每秒4千米。美國的電熱炮計劃目標(biāo)為以2千米的初速發(fā)射12千克重的大口徑炮彈。英國軍方正在研制利用炸藥泵的磁流體電機(jī)為40毫米～50毫米電磁軌道炮提供電力，安裝在裝甲車上作防空使用。由此可見，電磁炮不僅可用來作穿甲武器，陸軍應(yīng)用還包括防空和發(fā)展大口徑遠(yuǎn)程電磁炮及制導(dǎo)炮彈。美國國防部高級計劃局計劃研究155毫米口徑的電磁炮，發(fā)射帶有末端制導(dǎo)系統(tǒng)的彈丸，使射程達(dá)50千米，作遠(yuǎn)程炮使用。

海軍應(yīng)用：海軍目前面臨最嚴(yán)重的問題是在高性能反艦導(dǎo)彈攻擊下如何防衛(wèi)的問題。目前的小口徑速射火炮發(fā)展已趨于完善，但由于原理上的限制，其炮口動能不可能再有大的提高。用速射高速電磁炮代替小口徑火炮進(jìn)行防空反導(dǎo)，可以極大地增大防衛(wèi)半徑和殺傷概率。美國的計劃表明美國海軍對軌道炮用作艦空防御和對付掠海導(dǎo)彈非常重視。德克薩斯大學(xué)研制了以補(bǔ)償式脈沖發(fā)電機(jī)為電源的三管速射軌道炮，能以每秒60發(fā)的發(fā)射率發(fā)射80克重、速度達(dá)每秒2千米的彈丸，每個點(diǎn)射10發(fā)。由于艦艇本身體積大，載重力強(qiáng)，為安裝電磁炮提供了良好條件。

電磁炮發(fā)射裝置

海軍感興趣的另一項應(yīng)用是艦載電磁彈射裝置，作為航空母艦上的飛機(jī)彈射器。美國卡曼公司從1982年開始研究電磁彈射器代替蒸氣彈射器的可能性，認(rèn)為原理上是可行的。另外，用電磁發(fā)射裝置發(fā)射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和魚雷，可縮短反應(yīng)時間，減少對人員的可能傷害，降低發(fā)射時的紅外特征。

空軍應(yīng)用：電磁發(fā)射裝置可用來發(fā)射無人偵察機(jī)、滑翔運(yùn)輸機(jī)等。采用電磁加速器可以形成一種全新的野戰(zhàn)機(jī)場和短程起降方式。另外，美國空軍提出研制每分鐘能發(fā)射500發(fā)炮彈的電磁炮作為機(jī)載武器和防空武器。

戰(zhàn)略防御

用空基電磁炮攔截戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈主要有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：第一，用動能摧毀目標(biāo)效果比較可靠。分析表明，電磁炮發(fā)射的初速達(dá)每秒10千米～20千米的小炮彈，投送到目標(biāo)單位面積上的能量比強(qiáng)激光還大。這是由于能量轉(zhuǎn)換成激光束的效率一般只有5%，目標(biāo)吸收激光能量也只有10%，所以摧毀同一目標(biāo)，用電磁炮所需能量少。計算表明電磁炮彈丸只要具有幾兆焦耳的動能就有把握摧毀來襲導(dǎo)彈。第二，由于電磁炮采用射擊彈幕來攔截目標(biāo)，并可采用半主動制導(dǎo)炮彈，所以天基電磁炮反導(dǎo)平臺對火控系統(tǒng)的要求要比強(qiáng)激光武器簡單得多，容易實現(xiàn)。

以電磁發(fā)射裝置為基礎(chǔ)的空間動能武器系統(tǒng)可以發(fā)展成為空間平臺的自衛(wèi)手段，同時可以用來攻擊敵方的衛(wèi)星及空間站。

航天應(yīng)用

美國海軍展示被電磁炮打中的靶子

以軍事用途為目的的航天發(fā)射占所有航天發(fā)射的很大比重。美國航宇局及部分專家對電磁發(fā)射技術(shù)用于空間發(fā)射的可行性和能力作過研究和估價，詳細(xì)討論了以每秒8千米速度穿過大氣層的地面軌道炮發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)備要求和設(shè)計中應(yīng)考慮的因素。他們認(rèn)為目前的直流電磁軌道炮達(dá)到的加速度水平和發(fā)射高速彈丸的性能可以滿足空間發(fā)射的基本要求。研究認(rèn)為，用電磁發(fā)射器代替運(yùn)載火箭的第一級可以減少大量發(fā)射經(jīng)費(fèi)，有很高的效費(fèi)比。軌道發(fā)射系統(tǒng)可以建設(shè)在地面，也可以建造在航天器上，以大大降低成本。

另外一項應(yīng)用是可用單級電感加速器，以大電流在兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)磁場，其中一個在強(qiáng)流產(chǎn)生的高溫下氣化并高速噴出，以此為動力推動航天器修正軌道。這一技術(shù)方案還可用于空間和在其他星球上的太空發(fā)射。

電磁炮的未來

美國正研制一種天基電磁炮。這種炮全長45米，設(shè)計重量達(dá)25噸～150噸左右，能將重達(dá)1千克～2千克的炮彈以每秒5千米～25千米的速度射向2000千米以外的目標(biāo)。這種電磁炮能夠用于攔截洲際彈道導(dǎo)彈和中低軌道的衛(wèi)星。美國還在研制一種用于防空的電磁炮，這種炮長7.5米，發(fā)射炮彈速度可達(dá)每秒500發(fā)，可擊中幾十千米外的目標(biāo)。

電熱化學(xué)炮和電磁軌道炮技術(shù)在最近十多年來取得了重大進(jìn)展。美國電磁發(fā)射技術(shù)研究已從演示驗證階段進(jìn)入武器型號研制階段。美國于1993年6月研制出世界上第一門60毫米電熱化學(xué)炮，彈丸的炮口能量比固體發(fā)射藥火炮提高35%。

電磁軌道炮被美國陸軍看成是“2020年后陸軍”戰(zhàn)車主要武器的候選技術(shù)方案。2008年和2010年美國海軍相繼兩次進(jìn)行電磁炮的演示驗證。

電磁炮疾如流星、快似閃電，再加上自動控制就變成“智能卵石”，它將成為彈道導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)等高速飛行目標(biāo)的“克星”，還可作為防空、反坦克和炮兵武器使用，有廣泛的發(fā)展前景。電磁炮采用非常規(guī)發(fā)射機(jī)理，不以物理燃料作為發(fā)射能源，置身于從古至今的熱兵器之外，在速度、射程、精度、威力、效能、靈活性、安全性、生存能力和運(yùn)輸保障等諸多方面的優(yōu)勢，必將使其成為未來戰(zhàn)場上的一支閃亮的“飛鏢”。