電磁炮路在何方

向瓊長+陳和彬

據(jù)《財(cái)經(jīng)時(shí)報(bào)》網(wǎng)站報(bào)道，美軍近日決定放棄電磁炮項(xiàng)目，五角大樓將再花費(fèi)8億美元，將電磁炮的研制重點(diǎn)轉(zhuǎn)為防御性用途，同時(shí)用常規(guī)火炮來發(fā)射已經(jīng)為電磁炮研制的彈丸。2015年美國流行的軍事科幻小說《幽靈艦隊(duì)》中，“朱姆沃爾特”號(hào)用電磁炮把幾百千米外對手航母打成兩截的場景，看來永遠(yuǎn)無法成真了。

電磁炮又稱電磁軌道炮，是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)動(dòng)能殺傷武。20世紀(jì)80年代以來，美、德、法等軍事強(qiáng)國均將電磁炮作為一種殺手锏武器研究，其中美國研制電磁炮水平最高。

在研究水平“遙遙領(lǐng)先”的條件下，美軍為何忽然做出此決定？電磁炮的難度究竟在哪里？其出路在何方？美軍的決定，是否意味著電磁炮將從美軍未來的裝備藍(lán)圖中出局？

陸軍：食之無肉的“雞肋”項(xiàng)目

美國陸軍在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和先進(jìn)技術(shù)演示驗(yàn)證二類項(xiàng)目這三個(gè)領(lǐng)域中，均涉及了電磁炮的相關(guān)技術(shù)，并明確了以反坦克輕型車載電磁炮為研究重點(diǎn)，主要進(jìn)行了脈沖電源、發(fā)射器、彈藥和發(fā)射試驗(yàn)四個(gè)方面的研究論證。

從2008年開始，美國陸軍對電磁炮項(xiàng)目的投入不斷加大，其研究也取得了一些進(jìn)展，但是總體而言，電磁炮對于美國陸軍，仍然面臨著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。實(shí)際上，該項(xiàng)目正逐漸成為美國陸軍的“雞肋”項(xiàng)目。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，電磁炮脈沖電源的“減負(fù)”（縮小體積和降低重量）目標(biāo)難以完成，導(dǎo)致美國陸軍以反坦克為研究初衷的車載式電磁炮項(xiàng)目，不具備技術(shù)可行性。因此，美國陸軍決定終止對該項(xiàng)目的投資。在2012年，美國陸軍減小了演示規(guī)模，并進(jìn)行了一些終止合同的收尾工作。

海軍：成果與風(fēng)險(xiǎn)并存

與美國陸軍相比，海軍的電磁炮研發(fā)速度較快。一方面，美國海軍對電磁炮項(xiàng)目的投資力度較大， 2010年美國海軍對電磁炮的投資是陸軍電磁炮投資的5倍，到2011年這一差距進(jìn)一步擴(kuò)大到了10倍；另一方面，則因?yàn)榕炤d式電磁炮的開發(fā)難度比車載式輕型電磁炮小得多。

為了使電磁炮獲得足夠的電磁能來推射炮彈，電源必須在短時(shí)間內(nèi)釋放出非常高的電流?，F(xiàn)有技術(shù)條件下設(shè)計(jì)出來的電磁炮脈沖電源體積巨大，只能夠安裝在海軍艦船上，無法集成到輕型車輛平臺(tái)上。因此，相比于美國陸軍，美國海軍對電磁炮的研發(fā)興趣要大得多。

從2008年起，美國海軍電磁炮先后進(jìn)行了炮口動(dòng)能小于16兆焦、等于16兆焦和32兆焦實(shí)驗(yàn)室用發(fā)射器的演示，并進(jìn)行了發(fā)射器的壽命測試和艦船集成研究。2009年完成了樣炮的中期評估，制造并組裝了電磁發(fā)射設(shè)備所需的脈沖電源模塊。2010年，美國海軍啟動(dòng)了該項(xiàng)目階段的終期評估，并開始設(shè)計(jì)新一代的脈沖電源。

美國海軍電磁炮項(xiàng)目于2010年12月10日取得了重大突破，從一門試驗(yàn)型電磁炮發(fā)射了一枚矩形鋼制炮彈，創(chuàng)造了炮口動(dòng)能33兆焦的世界紀(jì)錄，使炮彈射程至少能達(dá)到204千米。該試驗(yàn)完成后，美國海軍還進(jìn)行了一次動(dòng)能32兆焦的試驗(yàn)發(fā)射，將重10.4千克的試驗(yàn)彈以2500米/秒的初速射出。美國海軍還在防空用途的電磁炮方面展開研究。通用原子公司研制的“閃擊者”電磁炮防空系統(tǒng)于2009年10月進(jìn)行了首次多發(fā)彈發(fā)射試驗(yàn)，又于2010年9月成功發(fā)射具有良好氣動(dòng)特性的炮彈，炮口初速馬赫數(shù)達(dá)到5，且彈丸飛行穩(wěn)定。

2011年，美國海軍完成了五項(xiàng)工作：一是發(fā)射器的材料、物理和熱特性研究；二是炮口動(dòng)能32兆焦的炮彈和發(fā)射器的研發(fā)；三是完成炮彈的殺傷威力研究；四是建模與仿真能力的開發(fā)；五是下一代脈沖電源的概念設(shè)計(jì)。

如果沒有此次暫停令，按照計(jì)劃，美國海軍預(yù)計(jì)將于將開始地面演示，2019年開始上艦演示，為2020年后的實(shí)際裝備奠定基礎(chǔ)。根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度要求，美國海軍計(jì)劃于2020年至2025年將電磁炮裝備部隊(duì)。

電磁炮的技術(shù)瓶頸

迄今為止，美國在電磁炮領(lǐng)域的研究不斷取得新的成果，電磁炮“走向戰(zhàn)場”看似離美軍越來越近。然而，電磁炮雖然原理簡單，但技術(shù)卻復(fù)雜?，F(xiàn)有電磁炮技術(shù)尚不成熟，其“實(shí)戰(zhàn)化”仍有很長的路要走。

目前，電磁炮的“實(shí)戰(zhàn)化”主要存在以下技術(shù)瓶頸：

需要更大容量的脈沖電源 從目前技術(shù)水平來說，發(fā)電機(jī)對脈沖電源的充電效率可達(dá)90%，但脈沖電源對炮口能量的轉(zhuǎn)換效率則很低，一般還在10%～20%之間，遠(yuǎn)低于電磁軌道炮50%的理論轉(zhuǎn)換效率，這便加大了對脈沖電源功率的要求。對于美國海軍而言，除了裝備綜合電力系統(tǒng)艦以外，還沒有哪種軍艦?zāi)芴峁╇姶排谒璧碾娔堋Ｔ谶^去，驅(qū)逐艦上90%的能量都用于供給推進(jìn)系統(tǒng)。以美國海軍裝備的64MJ電磁炮為例，即使脈沖電源對炮口能量的轉(zhuǎn)換效率提高到25%，也需要脈沖電源具備256MJ的容量，這在當(dāng)前來說是不小的挑戰(zhàn)。

美國陸軍曾于2004年啟動(dòng)了車載輕型電磁軌道炮演示項(xiàng)目，要求全車重不超過20噸。但是，由于對脈沖交流發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)估計(jì)不足，到2009年，電源樣機(jī)重量和體積規(guī)模依然無法滿足論證設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)致美陸軍工程樣機(jī)演示計(jì)劃擱淺。在2008財(cái)年，美國陸軍使用輕型懸臂式電磁炮在電磁場環(huán)境中進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，但是在試驗(yàn)中，脈沖電源產(chǎn)生了裂紋。

另外，電磁炮的電流回路需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅要考慮導(dǎo)軌電樞接口，高速導(dǎo)軌和易被磨損的炮口處軌道，還要考慮到電樞、彈托以及固體電樞融化后對導(dǎo)軌的影響。尤其是電磁炮發(fā)射時(shí)，導(dǎo)軌部分會(huì)因?yàn)殡娀》烹娛艿礁鼮閺?qiáng)烈的燒蝕，需要在射彈出炮口前衰減電流，這又會(huì)使電流回路更加復(fù)雜化。

需要更耐高溫和更高強(qiáng)度的導(dǎo)軌材料 電磁炮在發(fā)射過程中，按彈丸質(zhì)量10千克、初速2500米/秒的要求，電磁炮發(fā)射回路產(chǎn)生的電流相當(dāng)于強(qiáng)雷擊峰值電流的25倍，同時(shí)，電樞與導(dǎo)軌高速滑動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重刨削或燒蝕，平行軌道間還存在巨大的排斥力，這就要求制作電磁炮導(dǎo)軌的材料必須同時(shí)具備高導(dǎo)電性能和高強(qiáng)度抗摩擦和腐蝕。

現(xiàn)有材料中，銅、金、銀等高導(dǎo)電率材料的強(qiáng)度相對較低，合金鋼、鎢合金、鈦合金等高強(qiáng)度材料的導(dǎo)電率又不高，沒有同時(shí)滿足要求的材料，目前只能在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取多種材料分層復(fù)合的方式，但仍然無法完全滿足武器化的要求，這已成為制約電磁炮實(shí)用化的首要難題。

燒蝕問題是電磁軌道炮在試驗(yàn)階段屢屢碰壁的核心問題。為此，美國陸海軍降低了對電磁軌道炮的速度要求，改用固體電樞減少了等離子體的生成，從而減少導(dǎo)軌的燒蝕。同時(shí)，針對高速摩擦和電磁斥力，需要提高導(dǎo)軌的強(qiáng)度和剛度，因而需要研制耐高溫耐腐蝕的高強(qiáng)度新型材料。目前正在發(fā)展中的技術(shù)主要是炮口設(shè)計(jì)和炮口動(dòng)能管理，其中炮口部分的設(shè)計(jì)主要是研究如何將來自電源的電流轉(zhuǎn)換到炮膛內(nèi)。電磁炮與化學(xué)能炮不同，化學(xué)能炮可利用氣體在炮口產(chǎn)生較高的壓力，而電磁炮則必須管理剩余的電流（即電能）。因此，工作重點(diǎn)應(yīng)該集中在這一部分。

射彈形變和炮身姿態(tài)控制 電磁炮若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確打擊，必須采用制導(dǎo)彈丸。而要實(shí)現(xiàn)2500米/秒的高初速，就要對彈丸的發(fā)射過載能力提出更高的要求。即便是目前國際上最高水平的制導(dǎo)組件，其抗過載能力也遠(yuǎn)達(dá)不到要求。因此，制導(dǎo)器件的抗高過載，也成為電磁炮實(shí)用化必須解決的重要難題。對于出膛速度2500米/秒的高速射彈來說，彈丸將會(huì)面臨劇烈的加熱，并會(huì)產(chǎn)生微小的形變，從而會(huì)對飛行軌道產(chǎn)生較大影響。超遠(yuǎn)射程時(shí)，炮身本身的偏移也會(huì)對命中精度產(chǎn)生影響，這需要電磁軌道炮實(shí)現(xiàn)更精密的姿態(tài)控制，而這些是目前從未試驗(yàn)的部分。

此外，由于電磁炮通常距離目標(biāo)超過 300千米，電磁軌道炮不能像普通槍管一樣去瞄準(zhǔn)，而需要空氣動(dòng)力學(xué)的校正，炮彈到了空中必須由來自衛(wèi)星的指令對其運(yùn)行方一向進(jìn)行修正。同時(shí)，炮彈在出膛時(shí)的加速度會(huì)達(dá)到地球重力加速度的45000倍，炮彈上攜帶的電子器件要經(jīng)受得住這種加速度的挑戰(zhàn)。

炮管壽命問題 英國BAE系統(tǒng)公司還在考慮發(fā)射管與戰(zhàn)術(shù)型基座集成方面的相關(guān)技術(shù)，也就說，要求安裝在戰(zhàn)術(shù)型基座上的發(fā)射管要像火炮那樣，能夠進(jìn)行瞄準(zhǔn)和訓(xùn)練。上述所有的技術(shù)都具有很大的挑戰(zhàn)性，尤其在發(fā)射器方面，炮膛的壽命是最大的難題，因?yàn)樗坏枰鶕?jù)幾何學(xué)方面的知識(shí)進(jìn)行巧妙地設(shè)計(jì)，而且還需要利用材料科學(xué)方面的技術(shù)加以配合，實(shí)現(xiàn)起來絕非易事。

對于海軍來說，電磁炮炮管的壽命，即在整修之前電磁軌道炮的發(fā)射次數(shù)，也是一個(gè)重大的問題。這是因?yàn)?，海軍一旦將這種炮部署到海上，就要求它們必須具有較長的使用壽命，而不希望僅僅是為了整修電磁軌道炮就必須召回艦艇。炮管的壽命也就是武器系統(tǒng)內(nèi)部的軌道和部件的壽命，美國海軍一直在強(qiáng)調(diào)這點(diǎn)。為此，英國BAE系統(tǒng)公司正在努力解決這一問題，以使電磁軌道炮能夠盡可能多地發(fā)射炮彈。

炮彈研制很困難 負(fù)責(zé)研制工作的美國海軍少將內(nèi)文·卡爾（Nevin Carr）在國會(huì)聽證會(huì)上曾說過，“成本-效率曲線在彈丸動(dòng)能32兆焦處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。在這個(gè)拐點(diǎn)之后，加速度會(huì)導(dǎo)致這種炮彈的研制很困難。美國目前研制的最先進(jìn)的抗過載電子設(shè)備能抵御30000g的加速度，但再高就不行了，沒有電子設(shè)備就沒有制導(dǎo)，就沒有電磁炮之前想定中的種種優(yōu)勢。出于種種理由考慮，軌道炮研究的重點(diǎn)應(yīng)集中在20～32兆焦的范圍”。

這也就是說，目前在研的電磁炮彈丸炮口初速馬赫數(shù)7，射程90千米～180千米，這已經(jīng)根本無法和當(dāng)初計(jì)劃中64兆焦動(dòng)能，射程360千米相提并論了（480千米就更別提了）。這樣的電磁炮與“朱姆沃爾特”的155毫米艦炮相比已經(jīng)沒有什么優(yōu)勢了，后者射程也是180千米。

美國北卡羅萊納大學(xué)物理學(xué)家馬克·古布魯?shù)卤硎?，即使能源問題得到解決，電磁炮仍有很大的困難；現(xiàn)在美軍是在用質(zhì)量和速度/距離做交換，同時(shí)還要受到總能量的限制。電磁炮彈丸被做得非常輕，現(xiàn)在大概是23磅（1磅約等于0.45千克），而普通的5英寸（1英寸約等于2.54厘米）火炮彈丸是70磅，如此輕的炮彈將會(huì)在飛行中迅速失去動(dòng)能。無論在電源問題上取得多大的技術(shù)進(jìn)步，電磁炮炮最終要面對它的極限。說到底，沒有任何技術(shù)突破能夠打破物理法則，這就是電磁炮面對的最大問題。同時(shí)，電磁軌道炮發(fā)射后，彈丸失去動(dòng)力，且飛行速度快，機(jī)動(dòng)能力有限，彈道軌跡容易預(yù)測，隱身能力差，還會(huì)帶來暴露母艦位置的危險(xiǎn)。

由于電磁炮在研制中遇到的困難尚難以克服，美國五角大樓已決定取消了海軍的電磁軌道炮項(xiàng)目的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。一心追求絕對技術(shù)優(yōu)勢的軍方，在財(cái)政壓力下不得不再次低頭。

電磁炮曾被媒體連篇累犢地報(bào)道，甚至在好萊塢片中被描繪得神乎其神；如今，國防部的苛刻態(tài)度，是否意味著它們己從未來的裝備藍(lán)圖中出局呢？

在美軍龐大的武器研制清單中，還有數(shù)十種激光武器和電磁武器，它們部署的位置從陸地、空中一直延伸到太空。即便電磁炮真的胎死腹中，美國海軍新型艦艇的戰(zhàn)斗力因此受損，美軍開發(fā)類似“科幻”裝備的總體勢頭也不會(huì)削弱。在最理想的情況下，就算二者在預(yù)算中被砍掉，等到下一個(gè)財(cái)年來臨，它們依然有機(jī)會(huì)得到“再包裝”，進(jìn)而被釋放出來重返新武器研發(fā)序列。

電磁技術(shù)領(lǐng)域近年也處于一個(gè)快速推進(jìn)期，作為一種全新概念、全新技術(shù)的武器，電磁炮的發(fā)展不可能一蹴而就。雖然具體時(shí)間不易預(yù)測，但十余年內(nèi)，美國海軍擁有實(shí)用化的電磁艦炮還是完全有可能的。屆時(shí)，海戰(zhàn)的游戲規(guī)則或?qū)㈦S之改變。