電磁軌道炮最新研究進(jìn)展及應(yīng)用展望

陳 帥，馬偃亳，趙婉瑜，唐曉燕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

電磁發(fā)射是一種利用電能替代傳統(tǒng)化學(xué)能完成發(fā)射的全新發(fā)射方式[1]，電磁軌道發(fā)射技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域都有著巨大的潛在優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景[2]。在信息化、電能化快速發(fā)展的大趨勢(shì)下，電磁軌道炮有著常規(guī)火炮無法比擬的優(yōu)勢(shì)，全電化更有利于發(fā)射過程的精準(zhǔn)控制，超高的發(fā)射初速令一眾常規(guī)兵器無法望其項(xiàng)背，更高的能量轉(zhuǎn)化效率以及更大的毀傷動(dòng)能使得電磁軌道炮成為了未來戰(zhàn)場(chǎng)最具潛力的新概念武器之一。

電磁軌道炮技術(shù)是美國(guó)海軍面向未來軍事需求而重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)之一，也是美國(guó)在“第三次抵消戰(zhàn)略”下重點(diǎn)研究的關(guān)鍵性、顛覆性和前沿性武器系統(tǒng)技術(shù)[3]。在美國(guó)電磁軌道炮技術(shù)發(fā)展的牽引下，世界多國(guó)紛紛開展了相關(guān)研究，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，當(dāng)前在初級(jí)能源、脈沖電源、超高速制導(dǎo)彈藥及武器系統(tǒng)集成等方面，還存在一定的問題，需在今后的發(fā)展過程中完成突破[4]。

未來，在電磁軌道發(fā)射技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)的支撐下，電磁炮將在要地防空反導(dǎo)、岸防及艦載等方面發(fā)揮重要作用，與其他常規(guī)兵器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同應(yīng)用，共同構(gòu)建更加完善的防御體系。

1 最新進(jìn)展

1.1 美國(guó)的最新進(jìn)展

當(dāng)前，美國(guó)電磁發(fā)射技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，代表了世界電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展的最高水平。2017年1月，美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)約翰·理查德森參觀了位于水面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部的電磁軌道炮樣機(jī)，如圖1所示。該樣機(jī)采用D型軌道，纖維纏繞身管，配有自動(dòng)供輸彈機(jī)。2017年3月，美國(guó)海軍開展了一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)美海軍研究署發(fā)布的信息，本次試驗(yàn)的主要技術(shù)指標(biāo)為：炮口動(dòng)能32 MJ，發(fā)射初速2.0 km/s，射速10發(fā)/min，身管壽命1 000發(fā)。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，美國(guó)海軍本次試驗(yàn)使用的射彈為制導(dǎo)彈藥，發(fā)射質(zhì)量約16 kg，射程達(dá)185 km。根據(jù)美國(guó)海軍規(guī)劃，未來電磁軌道炮將裝備到美國(guó)最先進(jìn)的朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦上[5]。

圖1 美海軍電磁軌道炮試驗(yàn)樣機(jī)

另外，美國(guó)通用原子公司還大力推進(jìn)電磁軌道炮用超高速?gòu)椝帲℉VP，Hypervelocity Projectile）的研究與應(yīng)用，如圖2所示。該彈藥采用低阻氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，具有良好的外彈道性能，利用一些通用模塊，可組成不同的一體化發(fā)射單元（Integrated Launch Package，ILP），不僅可用于電磁軌道炮，還可用于現(xiàn)役的127 mm艦炮、陸軍155 mm榴彈炮等武器裝備上，由127mm Mk45Mod4型艦炮發(fā)射，其射程可超過93 km，由電磁軌道炮發(fā)射，其射程可超過185 km。該彈藥具有性能好、成本低的特點(diǎn)，美海軍將加快HVP研發(fā)，使其可以更好的匹配未來作戰(zhàn)系統(tǒng)，形成更強(qiáng)大的戰(zhàn)斗力。

圖2 超高速射彈（HVP）

目前，美國(guó)電磁軌道炮項(xiàng)目承研方主要為BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司，二者分別牽頭開展?；完懟吞?hào)項(xiàng)目的研制。根據(jù)美國(guó)海軍計(jì)劃，電磁炮將在2025年裝備朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦。另外，2018年3月，通用原子公司與美國(guó)陸軍簽訂了為期三年的電磁炮研發(fā)合同，將根據(jù)陸軍需求開展技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步提高電磁炮綜合性能。

同時(shí)，通用原子公司還是美國(guó)海軍電磁軌道炮脈沖電源的承研方。脈沖電源是電磁軌道炮的直接能量來源，是軌道炮武器系統(tǒng)核心部分之一，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國(guó)海軍電磁軌道炮試驗(yàn)樣炮的脈沖電源總儲(chǔ)能達(dá)到了150 MJ，儲(chǔ)能密度達(dá)到1.25 MJ/m3以上。

圖3 美海軍脈沖電源

1.2 中國(guó)的最新進(jìn)展

在美國(guó)電磁發(fā)射技術(shù)取得重大進(jìn)展的同時(shí)，中國(guó)電磁發(fā)射技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，由中國(guó)海軍工程大學(xué)馬偉明院士技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電磁軌道炮安裝在了解放軍“海洋山”號(hào)大型坦克登陸艦（舷號(hào)936）上，如圖4所示。在炮塔后方的甲板上，還固定著幾個(gè)裝滿設(shè)備的集裝箱，據(jù)稱設(shè)備方艙中可能裝有電磁武器系統(tǒng)所需的大型電源。2018年初，936海洋山號(hào)登陸艦搭載中國(guó)電磁炮首次亮相，引發(fā)高度關(guān)注。而此后，搭載電磁炮海上試驗(yàn)樣機(jī)的“海洋山”號(hào)登陸艦多次開展海上試驗(yàn)。

圖4 安裝在“海洋山”號(hào)試驗(yàn)船上的電磁軌道炮

1.3 土耳其的最新進(jìn)展

2019年3月，土耳Aselsan公司曝光了其35 mm口徑的SAHI209BlockII電磁炮樣機(jī)裝載在卡車底盤上進(jìn)行陸上射擊試驗(yàn)的畫面，實(shí)物如圖5所示。公司宣稱其炮口動(dòng)能可達(dá)10 MJ，發(fā)射器口徑為35 mm、彈丸全重為1 kg，最大射程可達(dá)50 km。SAHI209第二階段樣炮的炮塔采用了一體化設(shè)計(jì)，具有水平旋轉(zhuǎn)和俯仰功能，總體布局與我國(guó)研制的艦載電磁炮類似，但是尺寸和體積要小得多。不過，作為一款安裝在拖車上的武器裝備，SAHI209第二階段樣炮的炮塔還是顯得太大。全部系統(tǒng)組成可以都裝載在一輛多軸拖車上，至少具備一定的機(jī)動(dòng)能力。因此，雖然SAHI209電磁炮目前是按照科研試驗(yàn)來研制的，但是從一開始也考慮到了實(shí)戰(zhàn)化機(jī)動(dòng)部署的要求。從其設(shè)計(jì)定位來看，采用35 mm小口徑，并不是針對(duì)于打擊或者壓制地面目標(biāo)，而是針對(duì)于防空作戰(zhàn)的需要。

圖5 SAHI209BlockII電磁炮樣機(jī)及彈藥

2 發(fā)展瓶頸與技術(shù)途徑

雖然電磁軌道炮有著常規(guī)武器難以企及的優(yōu)勢(shì)，但是，作為高新技術(shù)的一種，由于當(dāng)前技術(shù)水平的限制，它在發(fā)展過程中也存在很多的問題[6-9]。

首先，無論是艦載還是車載，電磁軌道炮武器系統(tǒng)都存在能源問題。當(dāng)前，世界各國(guó)都將研究的重點(diǎn)放在了大口徑電磁軌道炮上，炮口動(dòng)能達(dá)到了20 MJ以上，并且還有射速上的指標(biāo)要求，這樣就對(duì)電磁軌道炮的能源系統(tǒng)提出了非常高的要求。對(duì)于艦載電磁軌道炮而言，從艦船的承載能力上來說，必須有足夠大的可用空間，即使當(dāng)前最先進(jìn)的電容器脈沖電源技術(shù)，100 MJ以上的儲(chǔ)能，其總體積也要在70 m3以上。另外，對(duì)艦船的綜合電力系統(tǒng)也有著極高的要求，一般艦船的電力系統(tǒng)無法滿足電磁軌道炮連發(fā)時(shí)的初級(jí)能源需求。對(duì)于車載電磁軌道炮而言，能源問題也比較突出。車載電磁炮對(duì)于機(jī)動(dòng)性要求較高，而當(dāng)前電容器脈沖電源無論是體積還是重量對(duì)于車載而言都存在較大的問題。另外，車載電磁炮的初級(jí)能源問題也是一個(gè)制約其發(fā)展的重要問題，目前，可以大規(guī)模應(yīng)用的成熟技術(shù)選擇也非常有限。

針對(duì)初級(jí)儲(chǔ)能問題，對(duì)于艦船而言，只能通過提升其綜合電力系統(tǒng)來解決，而對(duì)于車載電磁炮系統(tǒng)而言，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，或許鋰電池與脈沖交流發(fā)電機(jī)是可供選擇的兩項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)。針對(duì)脈沖電源問題，小型化是電容器脈沖電源發(fā)展的必經(jīng)之路，其小型化程度對(duì)電磁軌道炮的應(yīng)用有直接的影響，另外，由于超導(dǎo)儲(chǔ)能有著較高的儲(chǔ)能密度和功率密度，或許在未來能夠成為電磁軌道炮脈沖電源的選項(xiàng)之一。

其次，對(duì)于大口徑電磁軌道炮來說，要想打得遠(yuǎn)打得準(zhǔn)，就要提高發(fā)射初速，并且精確制導(dǎo)，但是高初速就會(huì)產(chǎn)生高過載問題，當(dāng)前的制導(dǎo)組件抗過載能力無法滿足使用需求。另外，電磁軌道炮在發(fā)射過程中，內(nèi)膛會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)對(duì)制導(dǎo)組件產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于制導(dǎo)彈藥的抗過載問題，需要通過不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證逐步進(jìn)行解決。而對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)問題，需要開展強(qiáng)磁場(chǎng)屏蔽機(jī)理研究，并通過發(fā)射試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

再次，電磁軌道炮還存在發(fā)射器壽命問題。電磁軌道炮對(duì)軌道材料的要求較高，需要有較高的電導(dǎo)率，較高的抗拉強(qiáng)度，較好的高溫性能以及優(yōu)秀的耐摩擦磨損性能。尤其對(duì)于大口徑電磁軌道炮而言，其炮口動(dòng)能較大，峰值脈沖電流極大，內(nèi)膛環(huán)境極其惡劣。發(fā)射過程中的高速摩擦磨損、瞬態(tài)沖擊、高溫高熱以及局部刨蝕，都會(huì)對(duì)發(fā)射軌道的壽命產(chǎn)生不良影響，從而直接影響發(fā)射器壽命。針對(duì)發(fā)射軌道壽命問題，各國(guó)都在探尋性能更佳的新材料，以期更好的性能表現(xiàn)。

3 應(yīng)用前景展望

電磁軌道炮有著更快的發(fā)射初速，更遠(yuǎn)的射程，更高的毀傷效能，在信息化的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中，電磁軌道炮大有用武之地。當(dāng)前世界各國(guó)武器呈現(xiàn)出多樣化、高速化的發(fā)展趨勢(shì)，防御形勢(shì)日益嚴(yán)峻[10-13]，而面對(duì)高速目標(biāo)、厚壁類目標(biāo)，電磁軌道炮可以充分發(fā)揮其初速高、反應(yīng)快、打擊精度高的自身特點(diǎn)，大大提高防御系統(tǒng)的綜合防御能力。依托電磁發(fā)射技術(shù)自身的技術(shù)特點(diǎn)，電磁軌道炮將來可以應(yīng)用到以下幾個(gè)方面。

3.1 艦載遠(yuǎn)程打擊

當(dāng)前，海洋占據(jù)了全球大部分的面積，海洋資源的爭(zhēng)奪與領(lǐng)海安全的防護(hù)關(guān)系到每個(gè)國(guó)家的切身利益，而電磁炮有著更高的作戰(zhàn)效能，一旦規(guī)?；炤d，對(duì)海上侵略者將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的心理威懾，并可對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊，構(gòu)成防御體系的第一道防線。

3.2 岸防火力壓制

由于電磁軌道炮具有超遠(yuǎn)的射程這一優(yōu)勢(shì)，使其可以很好地發(fā)揮岸炮的作用。當(dāng)前，各國(guó)海軍日益強(qiáng)大，空中力量不斷發(fā)展，在這種背景下，將電磁軌道炮布局在沿海一帶將會(huì)產(chǎn)生良好的防御效果。岸防電磁軌道炮與艦載武器可以協(xié)同作戰(zhàn)，對(duì)來自海上的目標(biāo)進(jìn)行火力壓制，并對(duì)中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行打擊，形成聯(lián)動(dòng)防御體系。

3.3 要地防空反導(dǎo)

目前，高超聲速武器及厚壁武器發(fā)展迅猛，世界各國(guó)都面臨著較大的空中防御壓力。對(duì)于高超聲速武器而言，其防御有著較高的難度，不僅難在發(fā)現(xiàn)與跟蹤上，更難在打擊手段上。在這種形勢(shì)下，電磁軌道炮超高發(fā)射初速的優(yōu)點(diǎn)更加凸顯出來。對(duì)于超高聲速武器的防御，電磁軌道炮無疑有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，對(duì)于厚壁類武器的防御，也是世界各國(guó)面臨的一大難題。而電磁軌道炮可以通過發(fā)射含能彈藥，利用動(dòng)能毀傷的方式對(duì)厚壁類武器形成致命的打擊，這種毀傷效果是其他常規(guī)兵器無法企及的。

4 結(jié)束語

雖然電磁軌道發(fā)射技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，但是由于當(dāng)前技術(shù)水平的限制，部分關(guān)鍵技術(shù)尚需艱苦攻關(guān)，尤其是龐大的電源規(guī)模嚴(yán)重制約的電磁發(fā)射技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一旦電源技術(shù)取得重大突破，電磁軌道發(fā)射技術(shù)有著非常廣闊的應(yīng)用空間，屆時(shí)，無論是艦載還是車載，甚至是機(jī)載，系統(tǒng)集成難度都將大大降低。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信將來電磁軌道炮用制導(dǎo)彈藥可以取得很大的進(jìn)展，發(fā)射軌道壽命能夠大大提高，阻礙電磁軌道炮發(fā)展的技術(shù)瓶頸可以一一攻破，那么，將來電磁軌道炮將會(huì)帶來一場(chǎng)軍事技術(shù)的革命。