2018年1月31日,一張來自武漢的照片顯示中國在一艘072型坦克登陸艦上安裝了一門形狀很奇怪的新炮,POP3隨即宣布這是「電磁炮」。從艦上的幾個貨櫃和登陸艦內部的充裕空間來看,這的確是一門需要很多附屬電力設備的設計,炮管上也有額外的環形外罩,應該是線圈,所以「電磁」兩個字並非不合理。
但是這門新炮並不是美國人做的或者我以前談的「電磁炮」(「Railgun」,嚴格來說應該翻譯成「軌道炮」),這是因為工作原理完全不一樣:Railgun的炮彈是線圈環路的一部分(所以磁場是垂直於軸向的),必須承載很高的電流,只有如此,才能提供足夠的加速度來達到Mach 7以上的初速(計劃中的性能,美軍的原型只做到Mach 5)。但是它的缺點也很嚴重:炮身雖然不必是密封的管狀(實際上只是兩條導軌,兼職做為電流的接頭;這也是Railgun名字的來源),卻必須承受極大的摩擦力和電流加熱,所以射速和炮身壽命都是難以克服的工程挑戰,以致去年有報導說美國海軍已經準備放棄。
武漢新炮卻有一個傳統的炮管,多出來的線圈是圍繞著炮管的環形,那麼電流環路只存在於炮管外,產生的磁場是沿著炮身的軸向。如此一來,炮彈要感受加速度,本身就必須自帶強磁場;這是有些奇怪的,因為永磁磁鐵並不便宜。或許中國的研究團隊有我目前沒有想像到的妙招,或許中方因為是稀土大國,所以可以這樣大量消費永磁磁鐵;不論這個經費問題如何解決,這種電磁加速方法的效率是不如Railgun的。
三年前我曾寫過專文評論電磁炮(參見前文《忽悠大眾的虛擬武器》),當時我對Railgun的負面意見來自兩個考慮:第一個是前面提到的炮身磨損問題,這是工程上的挑戰,中國的工程師想出工程上的解決方案(雖然還是有代價的)並非邏輯的不可能。但是第二個毛病,也就是高速動能彈在現代海戰中沒有意義,卻是物理+軍事的問題,很難想像這個武漢新炮能如何脫困。
我在這裡再詳細解釋一下:高速動能彈如果像百年前的戰艦巨炮一樣平射,因為海平面大氣密度高,阻力大,不管初速多高,有效射程還是不可能超過40公裡(這也剛好是地球曲率所造成的海面視界),而現代海戰一旦開打,就非常不可能讓敵我水面艦隻接近到這種距離。如果曲射,那麼面對能機動的目標,精度必然一塌糊塗,必須有雷達/紅外製導,炮彈的價錢一下子提高兩個數量級,接近飛彈了,可是破壞力、射程和航路靈活度卻都遠遠不如,定位十分尷尬。
至於用來近防反導,射速必須極高(~每分鐘10000發),口徑反而不重要。照片裡的炮顯然不是為這個目的設計的。事實上,即使是用環形線圈,電磁推動的艦炮射速永遠不會高於傳統火炮,所以天生就不適用於近防反導;雷射才是合適的新技術。
從照片來看,這個設計似乎有傳統的炮管,那麼最可能的,就是它基本上還是火炮,只不過加上電磁助推來增程減重。如前所述,它不適合對海和對空,那麼就應該是針對打擊固定的地面目標而設計的,可以採用相對簡單便宜得多的衛星制導來打擊點目標,或者靠完全無制導的自旋穩定來打擊面目標,只要口徑夠大,能裝載足夠的炸藥,性價比還可以接受。炮彈受發射藥和電磁線圈雙重加速,炮管的長度和厚度都可以減半,以往要10000噸的重巡洋艦才能搭載的8寸炮,現在3400噸的船就可以搞定,曲射(假設Mach 3初速)又有100公裡以上的射程,那麼我想用來在臺海戰役或者對任何美軍以外的敵對方岸上據點做為火力艦進行先期炮擊,還是可能有經濟效益的。
不過我覺得這種「電磁助推火炮」最好的應用,還是把口徑增加到400毫米,也就是二戰時代40000噸級戰列艦的火炮水平。由於電磁線圈的減重效應,10000噸出頭的055型仍然可能裝得下。除了發射200公裡射程的大型彈丸之外,還可以用來為小型飛彈助推(當然,加速度必須降低,否則有些零件承受不起)。照片中的武漢新炮似乎只有200毫米左右的口徑,但是它可能是第一代的原型,帶有技術驗證的意義,將來還是有向大型化發展的可能。
【後注一】最新的照片顯示炮管並不是圓的,而是一般軌道炮用的方形,那麼這個新炮就很可能是和美軍相似的軌道炮。中方的技術人員是怎麼解決炮身壽命和連發射速的問題,涉及工程細節,不是我所能猜測的。不論如何,正文裡假設這門炮有傳統圓形炮管的三個段落都與現實無關了;畢竟我完全沒有內線消息,一切分析都是基於常識和邏輯,當零碎的公開信息實在是太模糊的時候,就必然會走岔路。
這是我低估中國體系執行力的又一個例子(所以我其實是個白褲衩!):一年多前,我曾對朋友私下提起,我對北京冬季霧霾的整治持悲觀態度,因為當地的霧霾有一半不是來自工業廢氣或汽車排放,而是鄉下居民冬天取暖燒煤所致。美國在20世紀大富之後,才從燒木頭轉為天然氣或煤油取暖,像我家就燒柴油,在一月的油費就超過600美元,所以我覺得北京周邊的農村居民不可能都負擔得起這樣的轉換。結果只一年,中國就證明了它能夠達成歐美完全無法想像的任務(雖然有點瑕疵,沒有事前儲備足夠的天然氣)。
言歸正傳,即使中方研究人員能解決炮身摩擦的工程問題,電磁炮對海對空的無力應該仍然是正確的結論。現代艦炮的對海任務,主要是打擊近程的小型或非正規目標,電磁炮比起傳統火炮來說並沒有什麼長處。整體來說,我還是看不出電磁炮的戰術價值何在(對地打擊似乎是唯一的用處,但這是很低端的任務,無關最要緊的中美對抗)。希望中國的電磁炮計劃不是為先進而先進,在實際應用的效費比上有真正的優勢。
然而話說回來,純粹為先進而先進,有它超越戰術層面的意義。畢竟軌道炮是美軍花了大錢、做了許多宣傳,最後卻鎩羽而歸的研究項目;中方輕而易舉地超越了美國,在美軍整體實力仍然數倍於中國的今日,其嚇阻和宣傳價值遠超過任何閲兵,與新式核潛艇在同一個級別上(不過後者的實戰價值當然是更高得多)。
【後注二】我常看到吹噓電磁炮的文章說它最大的優勢是彈丸小,不佔地方,這是沒有物理常識的歪論。同樣的載荷要飛行到同樣的射程所用的能量與速度平方成正比;電磁炮所用的電來自燃油,其能量密度稍高於火箭彈的推進藥,但是正因為電磁炮彈丸速度較高,所以其所消耗的能源以體積和重量計都還是較多的。不過電磁炮最致命的缺陷,其實是在附加的裝備上,不但必須有極大功率的發電機,電磁炮本身的結構也遠比火炮龐大複雜,尤其是它的身管必須以較細的截面積來承受更高的摩擦生熱,又得要傳導極強大的電流,電阻生熱比摩擦還要嚴重,所以在散熱上先天就比火炮困難一到兩個數量級。當前最先進的大型火炮可以每分鐘發射十發,火箭炮的發射速率更高;電磁炮則即使再研發20年,頂多也只能做到幾分鐘一發,根本沒有實用性。我還沒有提到它身管的壽命,那基本是打十幾發就得換的。
三年多來,我已經寫了三篇有關電磁炮實戰效益的文章。一如我一生的原則,這些分析都只基於絕對客觀的事實與邏輯,對大眾流行的說法和心理的欲望,完全無視。我也知道一般人(包括許多成名的學術人員在內)沒有能力輕易放下主觀的偏見、專注在理性的思路上,所以也就難怪留言欄裡的質疑不斷,很多讀者面對鐵桶一樣密不透風的邏輯論述,仍然向其猛力衝撞,希望能打出一條裂縫。
事實上,我的分析涵蓋了空氣動力學、彈道學、電子技術、電力技術、商業宣傳、組織結構、以及軍事戰術和戰略上的考量,本身就很複雜;很多細節的討論,又零零星星地分散在留言欄裡,所以我想在此為大家做個總結,順便設身處地地為不願接受負面結論的讀者,指出有一絲可能的救贖方向。
首先開宗明義,這裡說的電磁炮就只是軌道炮;線圈發射裝置,如電磁彈射器,已知是實用的,但原理不同,不適合用來發射Mach 5及以上的高速彈丸。其次,因為工程問題能否解決,不是純依邏輯就可以事先預測的,所以我們忽略電磁炮身管發熱所帶來的射速和壽命問題,雖然它們很嚴重困難,我仍然假設工程人員能創造奇蹟,完美解決到與火炮同級的地步,那麼電磁炮做為艦炮,邏輯上就有三個可能的應用:對空反導、對海和對地。然而對空很明顯地完全不靠譜,我就不再多予著墨。
對海有長杆和傳統兩種可能的彈丸:前者的空氣阻力雖小,射程也不能超過40公裡,而且因為沒有高爆彈頭,只能打出一個小洞,除了對極小的快艇之外,欠缺有意義的破壞力,可以逕行忽略。後者以Mach 5初速發射時,平射射程不到15公裡,自由彈道曲射射程不超過55公裡,與現有火炮的性能沒有本質上的差別(中國現有的130艦炮,平射射程約為10公裡,曲射射程約為30公裡,但是射速和壽命遠優於電磁炮),都不能承擔現代海戰所需的遠距離打擊任務,只能用來對付近程的小型或非正規的目標。如果採用特別彈丸來增程,這些技術都同樣可以用在火炮上,而且因為電磁炮對彈丸質量和尺寸的限制極為嚴格,原本20千克級彈丸的裝藥量就只與120毫米迫擊炮相當,不像火炮一樣有餘裕可以視需要而增大口徑,任何新功能和新技術都會因佔用彈丸的質量和空間而進一步削減破壞力,對中大型敵艦完全失去實戰上的威脅。
所以電磁炮在海戰上的無用,最主要的限制因素其實還是炮口動能。上述的分析假設動能為32MJ,但是即使工程人員能創造第二個奇蹟,在解決身管射速和壽命問題的同時,能把炮口動能加倍成為64MJ,其最有效益的配置,仍然不是如美軍計劃的把炮口初速提升到Mach 7,而是把彈丸的質量加倍,那麼因為空氣阻力係數的減低,自由彈道射程可以增加到70公裡出頭,裝藥量也會提升到155火炮的水平,即6千克,終於對中型敵艦的上層建築有了威脅。但是在典型海戰距離已經開始超越1000公裡的今日,這樣的性能連作為輔助打擊手段都遠遠不足。有實際意義的最低性能水平,是相當於能有效損毀4000噸以下目標的中小型反艦飛彈,例如C-705。C-705的裝藥是130千克,對應著炮射彈丸質量不低於700千克,射程170公裡倒是不難以Mach5初速達成,但是這時的炮口動能必須超過1000MJ。由於電磁炮的能量轉換效率極低,這樣的炮口動能就算工程人員連創幾十個奇蹟而做到,一次發射的廢熱也足以摧毀整個電磁炮。如果想用130/6=22發64MJ的電磁炮彈來達成同樣的破壞力,那麼就算忽略廢熱問題,這時候每發炮彈都必須有C-705級別的制導系統,還得要加固以承受高g力,即使命中率是100%,總價錢也會超過C-705達20倍以上,何苦呢?
所以美國廠商的公關宣傳,都有一個隱性假設,就是電磁炮會專用在對陸攻擊上,換句話說,不是用來替代主戰艦艇的艦炮,而是由專門的火力艦(例如DDG-1000 Zumwalt)來搭載。對陸和對海的關鍵性差異,在於前者的目標一般是固定的,所以可以用簡單便宜的衛星制導。如前所述,電磁炮對彈丸質量和尺寸的限制極為嚴格,簡單的制導頭不但佔據較小的質量和空間,而且價錢便宜也使得電磁炮必須使用多發彈丸來彌補單發裝藥量不足的尷尬,得到若干緩解。然而傳統的火箭炮和飛彈也同樣得益於這個因素,所以兩相比較之下,炮射彈丸的效費比依舊低了超過一個數量級。例如美軍的JSOW滑翔彈,單價28萬美元,裝藥高達227千克(或者24個末敏彈),加裝一個10萬美元級的火箭助推器後,射程可以輕鬆超過250公裡,價錢卻仍在40萬美元以下。為Zumwalt的155炮研發的LRLAP(LongRange Land Attack Projectile)彈丸,射程190公裡,總重102千克,裝藥卻只有11千克,一次訂購2000枚時,總價是20億美元,相當於100萬美元的單價。它的炮口動能是47MJ,所以如果電磁炮發展到64MJ的地步,是可以發射這樣的彈丸的,射程也會進一步增加到250公裡的級別。問題是電磁炮的彈丸比火炮更貴(因為必須承受高電流),所以單價相對100萬美元只高不低,整體來說,依舊是以2.5倍以上的價錢來達到1/20的破壞力。中方的生產效率比美國高,彈藥價錢必然低於美軍的採購價,但是兩種彈丸的價錢比值卻沒有理由大幅變化;這是工程奇蹟也無法改變的事實。
什麼樣的工程奇蹟能改變上面的結論呢?電磁炮必須發展到128MJ的級別,這時可以加速90千克重(相當於傳統的8寸火炮)的彈丸到Mach 5,自由彈道射程達到100公裡,加上底排減阻(底排技術優於火箭助推,除了用藥少得多之外,基本沒有精度損失也是很重要的特點,而且當年Bull博士的三個新火炮技術中,底排的功效最大,所以後來被抄襲也最廣汎,技術相當成熟),無制導、無火箭助推、無滑翔的射程也可以有140公裡遠,與PHL-03的增程型簡易制導火箭炮彈類似,精度卻較高,價錢也較低,雖然尺寸仍然較小,整體的性價比還是可以勝出的。這個反轉是因為把火箭、制導頭、滑翔翼、控制翼等等部件塞進狹小的炮彈而且要承受高g力,是價錢飛漲的根本因素,所以電磁炮要和火箭炮競爭,必須能做到無制導,而要在無制導前提下還有可接受的精度,就不能用火箭助推或滑翔增程。
以上的討論都假設決策的根據純粹是作戰應用上的效費比,然而實際上軍事只是國與國之間角力的最終硬實力底線,以戰止戰的嚇阻才是最理想的結果,因此國防建設其實是國際大政略和大戰略的一部分,必須從世界整體的高度來統籌謀劃。這次中國把一個很不成熟、效費比很低的技術,急急忙忙地投入測試,固然可能是軍費寬裕了,海軍將領不經仔細論證就做出好高騖遠的決定,但是這與中國海軍的傳統完全相違,而且破例忽視正常程序,在樣機未達實戰性能指標的前提下,就裝上現役作戰艦艇來做海上測試,更暗示著決策來自遠高於海軍的層級。
如果我們考慮當前的國際環境,所有背景都支持這個腳本:首先美國國內早已達成共識,必須圍堵壓制中國的興起,在Obama治下積極試圖從中東脫身,以專注於亞太。Trump更是把仇中作為口頭禪,不惜透支美國財政,大幅增加軍費。中國在五年前已經明白認識到「韜光養晦」不再有任何意義,只能一方面積極建軍以嚇阻妄動,一方面主動出擊進行和平鬥爭。而電磁炮做為美軍常年高調提倡的下一代科幻武器,不但在宣傳和心理上有極大的象徵性意義,而且如果中國準備利用自己軍工數倍於美國的高效率,以軍備競賽來加速消磨對方國力,電磁炮也必然會是重點項目之一。這時實際工程上的可行性論證反而無關緊要,即使美軍自己已經充分認識到電磁炮的技術限制,也不可能頂著輿論和軍工界的利益來和Trump或國會講理;就如同冷戰末期美國的星戰計劃(Star Wars),蘇聯必然也有專家看出那是超越當時科技水平的空話,但是蘇聯的決策官僚仍然必須把它當真的來做應對。
如果電磁炮真如我所分析的,是心理戰、宣傳戰和軍備競賽的一部分,那麼我預期不論工程上的實際進展如何,它很快就會定型,並在兩三年後正式裝備055型的下一個改型055A。雖然這樣的電磁艦炮,在射速、壽命、費用和穩定性上都遠不如既有的火炮,而射程上的些許優勢又完全沒有戰術價值,但是055A這樣的現代防空巡洋/驅逐艦,原本就是完全以飛彈為主戰武器,艦炮就像現代戰機上的機炮一樣是可有可無的鷄肋,所以非常適合獎盃式(Trophy,在英文裡指只有炫耀價值的東西)裝備的服役。
與此同時,大陸對電磁炮的輿論報導必然會被科盲獨佔,出現天馬行空的諸般胡扯;這是因為有足夠智商能理解電磁炮在實戰應用上沒有價值的人,若是以為這是海軍的決定,就會懷疑自己的分析不夠專業深入;若是看出這有大戰略上的考量,更不敢戳穿明說,只能避重就輕、拐彎抹角地說不要過度解讀。我的讀者們看到這樣的文章時,給它會心的一笑吧。