軌道炮(Rail Gun):或譯做磁軌炮、導軌炮,是電磁炮的一種。電磁炮是利用電磁力產生動能推進彈丸的一種先進的動能殺傷武器,與傳統的大炮將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同,電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力,其作用的時間要長得多,可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關注。自80年代初期以來,電磁炮在未來武器的發展計劃中,已成為越來越重要的部分。軌道炮由兩條平行的導軌組成,彈丸夾在兩條導軌之間。兩軌接入電源,電流經一導軌流向彈丸再流向另一導軌產生強磁場,磁場與電流相互作用,產生強大的洛倫茲力推動彈丸,達到很高的速度(理論上可以到達亞光速),軌道炮由法國人維勒魯伯於1920年發明。
電磁軌道炮是法國人維勒魯伯於1920年發明。二戰中,德國漢斯勒博士開展了對電磁軌道炮的全面研究。到1944年,他研製出長2米、口徑20毫米的軌道炮,能把重10克的圓柱體鋁彈丸加速到1.08千米/秒。1945年他又將2門軌道炮串聯起來,使炮彈初速度達到了1.21千米/秒。二戰期間,日本研究感應加速式電磁炮,並把2千克的彈丸加速到335米/秒。二戰之後相當長的一段時內,因材料和電力等關鍵問題無法從根本上解決,致使電磁軌道炮研究中斷了很久。
從70年代起,隨著一些技術難題相繼被解決,使得電磁炮的研製得以東山再起。1970年德國的哈布和齊默爾曼用單極線圈炮把1.3克的金屬環加速到490米/秒。1978年,澳大利亞國立大學物理學家理察·馬歇爾和約翰巴伯等人使用5米長的導軌炮,以可供1.6兆安電流的550兆焦耳雙層單極發電機為電源,取得了將質量3.3克的塑料彈丸以5900米/秒的高速發射成功的突破性進展。澳大利亞的成功進展,給各國電磁炮研製者以巨大的鼓舞。1978年,美國國防部先後成立了電磁炮發展研究顧問委員會和技術工作組,開始評估電磁炮技術現狀及應用潛力,並建議集中和協調國家的資金來發展電磁炮。20世紀80年代美國國防委員會得出「未來高性能武器必然以電能為基礎」的結論。1991年,美國防部成立了「電磁炮聯合委員會」,協調軍隊、能源部、國防原子能局及戰略防禦倡議機構分散進行的電炮研究工作。1992年,美國已把一門口徑90毫米、炮口動能9兆焦的電磁炮的樣炮推到尤馬靶場進行試驗。
變形金剛2中的軌道炮
電磁軌道炮有一些突出優點:一是彈丸速度快,精度高,射程遠,威力大。彈丸約能在6分鐘內飛行200海裡,初始速度達到2500米/秒,比普通槍彈的速度快2至3倍。帶有巨大動能的彈丸通過直接撞擊目標將其摧毀,威力極大。同時極高的飛行速度可以減少炮彈的飛行時間,使炮彈不易受到幹擾,保證了炮彈的精度。二是炮彈體積小,重量輕。電磁炮彈幾乎不使用推進劑,減少了裝藥量,所以炮彈的體積只是傳統120毫米火炮炮彈的八分之一,重量是其十分之一,這樣可顯著提高武器系統的攜彈量,減少後勤負擔。現在的艦船一次只能攜帶70枚制導飛彈,而電磁軌道炮彈則能輕易地一次裝載幾百枚。三是生存能力強。炮彈幾乎不裝填炸藥,又可減少炮彈在製造、運輸、儲存方面的安全隱患。
電流方向和運動方向
電磁炮聽起來很神秘,其實它的結構和原理很簡單.電磁炮是利用電磁力代替火藥爆炸力來加速彈丸的電磁發射系統,它主要由電源、高速開關、加速裝置和炮彈四部分組成.目前,國外所研製的電磁炮,根據結構和原理的不同,可分為以下幾種類型:
線圈炮線圈炮又稱交流同軸線圈炮。它是電磁炮的最早形式,由加速線圈和彈丸線圈構成。根據通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在炮管中,當它通入交變電流時,產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流。感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用,產生安培力,使彈丸加速運動並發射出去。一般普通實驗室做出的線圈炮不產生洛倫茲力,產生洛倫茲力的是單級同軸線圈炮,一般的線圈炮是給線圈通電使之中心有磁,將目標導體吸引至中心再由慣性所致而拋射出彈體,由於電容瞬間斷電,因而不會產生磁力將炮彈吸引回去,一般的小型線圈炮模型都是這樣的。
軌道炮軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去。它由兩條平行的長直導軌組成,導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸。當兩軌接入電源時,強大的電流從一導軌流入,經滑塊從另一導軌流回時,在兩導軌平面間產生強磁場,通電流的滑塊在安培力的作用下,彈丸會以很大的速度射出,這就是軌道炮的發射原理。質量越大動能越大,威力越大,耗能量越大。
重接炮重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發射裝置,沒有炮管,但要求彈丸在進入重接炮之前應有一定的初速度。其結構和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置,之間有間隙。長方形的「炮彈」在兩個矩形線圈產生的磁場中受到強磁場力的作用,穿過間隙在其中加速前進。重接炮是電磁炮的最新發展形式。
軌道炮試驗
電磁炮與常規火炮相比,有以下特點:
電磁炮利用電磁力所作的功作為發射能量,不會產生強大的衝擊波和瀰漫的煙霧,因而具有良好的隱蔽性。電磁炮可根據目標的性質和距離,調節、選擇適當的能量來調整彈丸的射程。
電磁炮沒有圓形炮管,彈丸體積小,重量輕,使其在飛行時的空氣阻力很小,因而電磁炮的發射穩定性好,初速度高,射程遠。由於電磁炮的發射過程全部由計算機控制,彈頭又裝有雷射制導或其他制導裝置,所以具有很高的射擊精度。
從發射能量的成本來看,常規火炮的發射藥產生每兆焦耳能量需10美元,而電磁炮只需0.1美元。而且電磁炮還可以省去火炮的藥筒和發射裝置,故而重量輕、體積小、結構簡單、運輸以及後勤保障等方面更為安全可靠和方便。
電磁炮作為發展中的高技術兵器,其軍事用途十分廣泛。
(一)用於天基反導系統:電磁炮由於初速度極高,可用於摧毀空間的低軌道衛星和飛彈,還可以攔截由艦隻和裝甲車發射的飛彈。因此,在美國的「星球大戰」計劃中,電磁軌道炮成為一項主要研究的任務。
(二)用於防空系統:美軍認為可用電磁炮代替高射武器和防空飛彈遂行防空任務。美國正在研製長7.5米、發射速度為500發/分、射程達幾十千米的電磁炮,準備替代艦上的「火神——方陣防空系統」。用它不僅能打擊臨空的各種飛機,還能在遠距離攔截空對艦飛彈。英國也正在積極研製用於裝甲車的防空電磁炮。
(三)用於反裝甲武器:美國的打靶試驗證明,電磁炮是對付坦克裝甲的有效手段。發射質量為50克、速度為3km/s的炮彈,可穿透25.4mm厚的裝甲。有關資料還報導,用一種電磁炮做試驗,完全可以穿透模擬的T-72、T-80坦克的裝甲厚度。由此可見,電磁炮具有很強的穿透能力,是非常優良的反裝甲武器。
(四)用於改裝常規火炮:隨著電磁發射技術的發展,在普通火炮的炮口加裝電磁加速系統,可大大提高火炮的射程。美國利用這一技術,已將火炮射程加大到150km。
(五)變殺人工具為交通工具,對於月球開發,採用軌道炮技術發射月基貨運飛船返回地球,將大大減少燃料消耗,飛船僅攜帶少量的調姿和變軌用的燃料。從而為月地貨運運輸提供一個廉價、可重複利用的發射平臺。
電磁軌道炮的炮管由兩條長約6米的平行導軌組成,之間通過一個光滑的轉子相連,電流從一條軌道流出,經過轉子後再由另一條軌道流回,這條迴路產生磁場推動轉子,進而再推動位於轉子前方的炮彈飛出軌道。
普通艦炮的射程只有20千米,而且準確度很差,巡航飛彈的有效射程雖然超過了300千米,但它們造價昂貴,而且一艘艦艇最多只能攜帶70枚,由於無法在海上裝卸,補充時還必須返回港口。電磁軌道炮則以射程遠、成本低、運輸以及補充便利等多項優勢而被美國國防部寄予厚望。電磁軌道炮甚至還被美國陸軍看成是2020年後陸軍戰車主要武器的候選技術方案。
不過電磁發射在技術上的研究工作可能還要持續20多年,因為目前還沒有哪艘軍艦能產生並且儲存開炮所需的電能。在過去,驅逐艦上90%的能量都用於供給推進系統。除此之外,面臨的挑戰還包括:確保準確命中目標的高精度控制技術,炮彈對巨大加速度的承受能力等。由於距離目標超過了300千米,所以這種炮不能像普通槍管一樣去瞄準,而需要空氣動力學的校正,炮彈到了空中也必須由來自衛星的指令對其運行方向進行修正。同時,炮彈在出膛時的加速度會達到地球重力加速度的45000倍,炮彈上攜帶的電子器件必須經受得住這種加速度。此外,要使轉子在炮管中高速運動也很困難。
目前,美國海軍正與英國國防部一道研製這種電磁軌道炮,他們準備把驅逐艦變成一個超長的機關槍,在一分鐘內就可以發射12發這種廉價的炮彈。位於英國柯爾庫布裡的一家工廠已經在2003年按1∶8的比例生產出了這種電磁軌道炮的樣品,並在試驗中射出了以6倍音速穩定飛行的炮彈。
經過多年的努力,用於電磁軌道炮的科學技術取得了相當大的進展,已經可以在軍事應用中進行實踐探索,並為研究電磁軌道炮作戰系統奠定了堅實的基礎。
2012年2月28日,美國軍方官員宣布,美海軍工程師在維吉尼亞州的達爾格倫對地作戰中心成功試射第一部由軍工企業製造的電磁軌道炮原型,將開發這種具有超遠射程新型武器的工作推進了一步。根據海軍公布的信息,炮彈初速可達每秒7000米至8000米,能夠打擊90公裡至180公裡外的目標。
2014年7月11日,美國海軍研究局(ONR)已經將兩套電磁軌道炮原型機安裝到「米利諾基特」號聯合高速船(JHSV)上,這艘船目前駐紮在聖地牙哥海軍基地內。截至目前,電磁軌道炮原型機已經在實驗室條件下成功進行了多次測試和發射。
2015年3月2日,美國海軍一種以7倍聲速發射炮彈的新式武器首次公開展出。研究人員將這種軌道炮描述為「星球大戰技術」。它能以7倍聲速發射炮彈,可穿透100英裡(約合160公裡)遠的混凝土。
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