鑄21世紀戰場利劍 美海軍研究新型電磁軌道炮

美海軍研究新型電磁軌道炮

美海軍研究新型電磁軌道炮

鑄21世紀戰場利劍---美海軍研究新型電磁軌道炮

電磁軌道炮是使用電磁加速技術發射彈丸的一種電能武器。在發射過程中，強大的電磁力（也稱洛侖茲力）使彈丸達到極高的初速度飛離炮管口，這種初速度比常規化學推進劑發射的彈丸的初速度要高得多，並且射程也要遠。因而，該型武器引起了美國海軍人員的關注。電磁炮在其未來武器的發展計劃中，已成為越來越重要的部分。

軌道炮工作原理

電磁軌道炮由兩根相當炮管長短的固定平行導軌和一個沿導軌軸線方向滑動的電樞組成，彈丸放置在電樞前面的導軌上形成閉合迴路。 導軌與電容器或旋轉電機構成的脈衝形成網絡相聯結。當發射彈丸時，脈衝形成網絡向一根導軌供電，經過電樞，流向另一根導軌。強大的電流流經兩平行導軌，在兩導軌間產生強大的、方向相反的線性磁場，並與電樞形成的第三個磁場相互作用，產生強大的電磁力。電磁力推動電樞和置於電樞前面的彈丸沿導軌加速運動，從而獲得很高的初速度，彈丸沿導軌向外運動直到從炮口末端發射出去。電樞和包裹彈丸的軟殼脫落，彈丸飛向目標。作用於導軌的電磁力僅持續幾毫秒，當彈丸離開炮口，剩餘能量或通過炮口分流器導向脈衝形成網絡，或是在空中形成電弧散放。

軌道報的研究由來已久

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公裡/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。

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，使炮彈不宜受到幹擾，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。

美海軍軌道報發展現狀

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。一是美國防部決定研究DDG-1000綜合電力系統艦，為新一代電能武器系統包括軌道炮的研究打開方便之門。因為軌道炮所需要的電力取決於發射彈丸的速率。綜合電力系統艦的額定電功率為80兆瓦，具有足夠的電力維持15-30兆瓦的軌道炮6-12發/分鐘的速度發射彈丸。同時軌道炮不需要火藥和其它含能爆炸物，從而提高了艦隻的安全，並減少後勤保障的費用。二是精確制導技術的發展推動電磁軌道炮的發展，美軍在制導、導航和控制系統技術應用的增加為發展體積更小、殺傷力更高且費用更小的彈丸提供了機會。這種趨勢僅從費用少、速度高的軌道炮的彈丸的發展中受益。三是炮管壽命的延長。德克薩斯大學先進技術學院為美陸軍研究的炮管壽命技術取得重大進展。電樞與導軌接觸面受兩種磨損現象的影響，限制了炮管的壽命：一種是刨削現象，另一種是平移現象。目前美國的技術人員完全了解了導致高速刨削的物理原因，找到解決該問題的材料。在炮口，當電樞從金屬與金屬的接觸轉變到電弧接觸時，相應的等離子會損壞軌道。目前德克薩斯大學高技術學院已經展示了成功處理平移問題的方法。

2001年11月，美海軍高技術研究所通過參數研究和建模活動取得了新型電磁軌道炮系統的主要性能參數：軌道炮是可以安裝在水面艦隻上，其重量相當於為155毫米高級火炮系統，能夠以63兆焦耳初始動能和2500米／秒（7.5馬赫）的初速度發射20公斤的彈丸。高速彈丸只需要6分鐘就達到200海裡以外的目標，並能以5馬赫的速度對目標實行動能碰撞。研究還估計了脈衝形成網絡（PFN）能夠產生彈丸所需要的初始動能和速度。

隨著美海軍啟動DDG-1000的研究的深入，美海軍計劃把電磁炮安裝到該平臺上去，並於2003年授予BAE系統公司武器系統分部一份合同，進行為期6個月的將軌道炮合成到新型驅逐艦上的研究。經過研究，BAE系統公司認為，擁有81兆瓦電能的DDG-1000綜合電力系統艦可以為兩門軌道炮提供足夠的電力。在艦隻以10-18節的速度航行時，軌道炮可以每分鐘發射10-12發炮彈。軌道炮的重量和體積都適合於安裝在水面艦隻上，目前合成工作面臨的主要工程問題只是軌道炮產生的熱能管理。

軌道炮研究史上一個重大裡程碑是美海軍2003年4月在蘇格蘭柯爾庫布裡郡成功完成90毫米口徑電磁炮如何發射高超音速彈藥的海上演示驗證試驗。此次試驗是美海軍海上系統司令部與英國奎奈蒂克公司電磁炮工廠共同完成，試驗使用的系統是一臺只有未來原型機1/8大小的樣機，但是以2500公裡/秒以上初速度（確切的速度仍是機密的）發射了彈丸。包括美海軍艦隊司令羅伯特•耐特上將及海軍研究局局長傑伊•科恩少將在內的諸多美國海軍高級官員到場觀看了此項擁有廣闊前景的技術驗證試驗。此次試驗是為海軍火力改革和轉變新一代艦炮海軍水面作戰艦艇的角色而發展的電能武器所邁出的關鍵一步。

美海軍海上系統司令部將在庫爾克布裡的試驗結果提交到美海軍海上研究顧問委員會電磁炮技術研究小組。該小組在2004年2月公布了一份評估報告。該報告認為電磁炮是一種具有潛力的轉型武器，並建議海軍啟動一項風險減少研究計劃確保該種武器適用於未來驅逐艦計劃。該小組還認為電磁炮是一種對200海裡以外目標實施致命打擊的革命性電磁炮作戰系統，並且同時具有增大彈藥儲量、提高發全、減少費用和後勤保障需求等優勢。放棄這項研究是一大錯誤。

2007年1月16日，美國海軍研究辦公室（ONR）在維吉尼亞州海軍水面作戰中心達爾格倫分部舉行新型電磁裝置交付儀式。美海軍沒有採用剪刀剪彩這一傳統的做法，而是打破慣例，用一門90毫米口徑的試驗型電磁炮發射1發高速炮彈穿透了儀式彩帶。這發炮彈在炮口的初始動能達到7.4兆焦耳，初速度達2146米／秒。但意義更為重大的是，這部新型電磁炮的交付再一次證實美海軍對高能電磁軌道炮充滿信心。美海軍將把這種電磁軌道炮作為轉型武器方案，通過發射投放高速彈丸對遠距離目標實施精確打擊來變革美海軍的海上攻擊行動。

達爾格倫分部的發射試驗裝置的交付僅是一個開端，美海軍的目標是研製能夠從離海岸300多海裡的戰艦上持續發射精確彈藥的戰術系統。儘管這種彈藥只含有少量或是幾乎不含有高爆材料，但通過彈丸的高速度碰撞能夠對目標造成毀壞。電磁軌道炮克服了常規大炮在射程短、飛行時間短和對殺傷力有限等方面的局限性。由於電磁炮彈沒有爆炸材料，從而消除了生產、運輸、處理和存儲炸藥的需求。此外，超遠的射程、極短的飛行時間和高殺傷性都極大地提升美海軍未來遠程作戰的攻擊力。通過使用極高電流產生強大的電磁力，美海軍未來的電磁軌道炮能以超過7馬赫的速度發射彈丸，彈丸首先迅速進入外大氣層空間，進行無阻力飛行，隨後再次進入大氣層以5馬赫以上的速度打擊目標。

美海軍軌道報未來計劃

美海軍研究辦公室努力推動電磁軌道炮的研究達到軍事使用階段，並計劃在2020-25年間裝備部隊。2005年8月，美海軍啟動一個名為「創新海軍樣機」的項目，並希望通過對這個過渡項目的投資，獲得相對成熟的技術，以便在未來4至8年裡轉入軌道炮的全面研究和發展。「創新海軍樣機」項目比傳統武器裝備要「奇異」得多，並存在高度的風險，它還在根本上偏離了既定需求和作戰概念。因此，這項研究沒有美海軍的高級領導人的批准是不可能發展的。

美海軍計劃對「創新海軍樣機」項目投入2.7億美元的資金，主要解決在四個方面的技術難題：發射裝置、彈丸、脈衝形成網絡和艦隻合成。美海軍研究辦公室在項目第一階段的主要研究工作集中在發射裝置和彈丸。研究的重點是先進密封發射裝置技術，以及電磁軌道炮系統的適合體積、重量，以便合成到艦隻，同時經受發射時產生的巨大電磁衝力。第二階段的研究工作是將發射裝置和彈丸合成，形成一整套的系統。在第一階段，美海軍將研究一種能夠進行多次發射的炮管。這種炮管能夠保持軌道的斥力。美海軍還將解決熱能管理問題，將炮口初始動能從目前8兆焦耳提升到32兆焦耳，最後達到64兆焦耳。在彈丸方面，美海軍需要研究提高軌道炮發射生存力（因為彈丸可能經受45000g的重力加速度，並且遇到潛在的電磁幹涉效應），解決高速制導飛行和殺傷力機制等問題。其它的重要研究項目還包括炮管幾何學、先進材料（包括合成材料）、密封技術和製造技術。

美海軍水面作戰中心達爾格倫分部的電磁發射裝置是支持「創新海軍樣機」項目的關鍵技術裝置。該裝置安裝了100兆焦耳的電容器（由通用原子公司研究）和經過整修的、由麥克斯威爾技術公司根據國防威脅減少局的指令從1986至1999年間研製的「綠色農場電子炮研究和發展裝置」上的90毫米發射炮管。電磁發射裝置在2006年10月開始試驗並試運行，並在2007年1月正式啟用。

為了支持「創新海軍樣機」項目，美海軍水面作戰中心達爾格倫分部在2008財年底前將加大存儲的電能、改良發射裝置和終端區以裝配一門32兆焦耳的初始動能的軌道炮。BAE系統公司武器系統分部已經根據一份540萬美元的合同設計和整修32兆焦耳的實驗發射裝置。該發射裝置預計在2007年6月底在美海軍水面作戰中心達爾格倫分部安裝完畢並進行試運行。據BAE系統公司稱，這個固定的實驗發射裝置的炮管採用層壓鋼板密封，用於炮管壽命的研究的。來自美國政府實驗室、工業部門和學術界的代表組成的一個委員會為研究活動提供支持。

美海軍研究辦公室計劃到2008財年第三季度末對32兆焦耳的軌道炮進行試驗。如果研究成果通過鑑定，研究將於2009年8月轉入第二階段，並計劃在2010財年底進行32兆焦耳發射裝置炮管的100發射擊展示和32兆焦耳先進炮管密封狀況展示。

在評估BAE系統公司、通用原力公司和諾思羅普格魯曼公司在2005年10月至2006年3月間進行的理論設計研究後，美海軍研究辦公室2006年6月選擇了BAE系統公司和通用原子公司對32焦耳軌道炮進行30個月的技術發展和初步設計的研究，為實戰部署64兆焦耳動能的戰術系統做準備。BAE系統公司已經獲得了930萬美元的合同，負責電磁軌道炮的樣炮技術和初步設計。通用原子公司獲得了960萬美元的合同，協同波音公司、L-3通信公司、SPARTA複合材料公司和傑克森工程公司，共同研究和發展電磁軌道炮發射裝置所需技術。另外由波音公司和Draper公司共同研究彈丸和綜合發射包的理論，包括綜合發射包炮管的動力學、飛行彈體和空氣熱力學特徵、殺傷力和發射生存力、制導和導航和控制。

至於高級脈衝力量研究工作由美陸軍負責進行，計劃在08財年進行展示。其它的研究工作還包括高能密度電容器和多次發射活動的熱能管理。

如果「創新海軍樣機」項目通過09年的評估，那麼第1階段的工作將於2011年結束，第2階段的工作將持續至2015財年。如果研究工作一切進展順利，海軍海上系統司令部可以在2015財年對電磁軌道炮進行全方位的研究和發展。64兆焦耳的電磁軌道炮的戰術系統的海上展示將會在2016財年進行，並能在2020-26年裝備。

作者：知遠