中国电磁大炮一炮可以打掉一颗卫星

2016-11-30 by:CAE仿真在线来源:互联网

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速,使其达到打击目标所需的动能,与传统的火药推动的大炮,电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。

1组成结构

电磁炮利用电磁力(洛仑兹力)沿导轨发射炮弹的武器。它主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10~100兆焦耳能量的装置。当前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机,其中单极发电机是最有前途的能源。[1]

加速器是把电磁能量转换成炮弹动能,使炮弹达到高速的装置。主要有:使用低压直流单极发电机供电的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置,能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中,其中的一种是由两根铜轨和一个可在其中滑动的滑块组成。[1]

2发展沿革

发现原理

电磁炮原理示意图

19世纪,英国科学家法拉第发现了法拉第电磁感应定律,该定律表明磁场中的电荷和电流会受到洛仑兹力的作用,即位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动,同时,如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动,导线上也会产生电流。

20世纪初,有人提出利用洛仑兹力发射炮弹的设想。在两次世界大战中,法国、德国和日本都曾研究过电磁炮。第二次世界大战以后,其他国家也进行过这方面的研究。

实验应用

1845年,查尔斯·惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机,并用它把金属棒抛射到20米远。此后,德国数学家柯比又提出了用电磁推进方法制造"电气炮"的设想。

第一个正式提出电磁发射/电磁炮概念并进行试验的是挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰。他在1901年获得了"电火炮"专利。1920年,法国的福琼·维莱普勒发表了《电气火炮》文章。几乎同时,美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。二战期间,在军事需求的刺激下,德国、日本都研制过电磁炮。德国的汉斯莱曾将10克弹丸用电磁炮加速到1.2公里/秒的初速。

用电磁炮发射宇宙飞船的设想图

20世纪70年代初,澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置,将 3克重的塑料块(炮弹)加速到6000米/秒的速度。此后,澳、美科学家制造了不同类型的实验样机,并进行过多次发射实验。用单极发电机供电的电磁炮,已能把318克重的炮弹加速到4200米/秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将 2克重的炮弹加速到11000米/秒的速度。

20世纪70年代,澳大利亚国立大学的查里德·马歇尔博士运用新技术,把3克弹丸加速到了5.9公里/秒。这一成就从实验上证明了用电磁力把物体推进到超高速度是可行的。1978年公布实验情况后,引起了各国军方的特别关注,美国国防委员会得出"未来高性能武器必然以电能为基础"的结论。美国防部成立了"电磁炮联合委员会",协调军队、能源部、国防原子能局及战略防御倡议机构分散进行的电炮研究工作。

1980年,美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千米,而在真空中,这个速度还可提高到每秒8~10千米。

1992年,美国已把一门口径90毫米、炮口动能9兆焦的电磁炮样炮推到尤马靶场进行试验。电磁炮从实验室到靶场说明,电源小型化技术已有所突破。

高速发展:美国

电磁炮曾是冷战时代美国“星球大战”军备计划的重点项目,被视为对抗核弹的秘密武器。美国海军于2005年重新启动电磁炮研究,截止2010年投放2.11亿美元。

2010年12月6日,美国通用原子公司公司宣布,该公司研制的Blitzer防空型电磁轨道炮的样炮已经于9月在美国陆军杜格威试验场成功试射了空气动力学弹丸。该次试验是根据与海军研究办公室签订的合同进行的,成功演示了具有战术价值的电磁导轨发射装置、脉冲电源系统和弹丸的集成和能力。试验中使用的弹丸由波音公司研制,飞行速度达到5马赫,飞行加速度达到60000g,试验还演示了电枢分离和稳定飞行。

2010年12月12日,美国研发电磁轨道炮在海军试射中,将电磁炮以音速5倍的极速,击向200公里外目标,射程为海军常规武器的10倍。美军目标在8年内进行海上实测,并于2025年前正式配备于军舰上。该实验在弗吉尼亚州达尔格伦水面作战中心进行,先后两次试射电磁炮。电磁炮主要由两条轨道组成,炮身装在拖车大小的长方形枪管,轨道中间放着铝制20磅炮弹。电磁炮接上电源后,电流会通过两条轨道,从而生成强大推力,将铝弹以高速弹射。

美国试射电磁炮

两次试射所生成的能量,分别达33兆和32兆焦耳,打破于2008年创下的10兆焦耳纪录。1兆焦耳能量相当于1吨重汽车以时速160公里行驶。

除威力外,33兆焦耳下发射的炮弹射程较现时常规武器远10倍,亦是电磁炮一大优势。但美军最终实战配备目标是64兆焦耳级电磁炮,射程最远可达321公里,可让军舰在敌舰射程范围外发动攻击。

海军研究所所长卡尔表示,电磁炮优点众多,首先是射速快,不会像巡航导弹般出现目标移走或落空等问题,配合全球定位系统(GPS)更可进一步提高准绳度。此外,由于电磁炮毋须火药,既可提升船员安全,亦可令军舰携带炮弹数量增加10倍。

2014年1月15日,美国海军研究实验室负责人马修·库伦德少将介绍称,该项目已经完成了第一阶段(原型机研发阶段),已经研制了2套工业电磁轨道炮系统原型,项目已经进入第二阶段,海军及工业部门将测试在一分钟内进行多轮发射。库伦德对即将在白沙靶场进行导轨炮8连射测试结果充满信心。[2]

2014年4月10日,美国海军表示将启动电磁炮海上试射计划,利用电磁可发射音速七倍的高速轻型炮弹。[3] 该型电磁炮已在地面展开广泛试射,接下来将安装在美国海军快速舰“米利诺基特号”,并在2016年进行海上试射。[3]

美国海军研究部主任克隆德海军少将在一项军方科技圆桌会议上透露,“这已是真实的,不是科幻小说,你可以亲眼看它发射。”[3] 克隆德将在华盛顿附近举行的海空宇航科技博览会上表示电磁炮将协助加强美国的空防、巡航导弹防卫及弹道导弹防卫,同时还具有成本低廉的优点。[3]

美军电磁炮

中国

2013年11月20日出版的《简式防务周刊》报道称,卫星图象显示中国包头市西北方的一个所谓装甲设备与火炮测试中心,有两门火炮,它们分别长约26米和33.5米,这两门超级火炮各自被固定在混凝土基座上,这个混凝土基座曾与2010年9月至2012月12月期间现身,当时卫星图像首次捕捉到了这两门火炮的身影。[4]

而最新的卫星照片显示,这两门火炮2013年7月仍在原处。而在2011年拍摄的卫星照相中,尺寸更大的那门所谓火炮前方,有一系列似乎是靶标的物体。报道猜测,这显示该处正在对高速炮弹进行穿透力测试。[4]

中国工程院院士、海军工程大学教授马伟明领导的科研创新团队再次获奖:被授予国家科学技术进步奖创新团队奖。而基本上所有的媒体都将这次目光集中到了电磁弹射器上,其实在电磁领域中国已经获得重大突破。目光已经不仅仅局限于电子弹射器。中国目前还在试验电磁大炮就是其中另一项很重要的研究。

据英国简氏防务周刊报道卫星图像显示,中国在西北的大漠一个装甲设备和火炮的测试中心内,有两门个头巨大的火炮,分别长24米和33米。英国军事专家分析相信这是中国解放军正在西北大漠的测试新型超级火炮。该炮正在对高速的弹炮展开某种穿透力的测试,而中国军方历来对大口径远射程的火炮很有兴趣。中国大经在70年代以反弹道导弹的项目成立了640反导工程,中国曾经展开过先锋超级大炮的试验。理论上超级大炮可以展开远距离的拦阻射击,也可以对目标展开准轨度卫星的攻击。

3性能特点

电磁炮结构

电磁轨道炮是一种远程、高能、多任务的武器,其射速可达当前海军的舰炮的3倍。其射程可达100英里(约161千米)以上,以舰船上储存的电能为动力来源,利用电磁力(洛仑兹力)沿导轨将弹头加速到很高的速度发射出去。美国海军官员称,这是一种不太昂贵、具有高杀伤力和远程打击能力的攻击性武器。[2]

电磁轨道炮弹头重23磅(约10.43千克),可以从电磁导轨上发射,也可从海军127毫米甚至155毫米火炮系统发射。导轨炮采用指令制导,但在未来可能发展成自导式。[2]

除了在射程和毁伤力方面的优势,该炮还是一种相对廉价的海军火炮项目,每枚炮弹成本约25000美元。[2]

由于电磁轨道炮是一种具有高能量的武器,因此发热情况严重,需要有良好的冷却技术支持。电磁轨道炮并不仅仅是一个炮弹发射装置,而是由多个系统组成的。美国海军正在对多个冷却系统设计进行评估。[2]

(1)电磁推动力大,弹丸速度高。电磁发射的脉冲动力约为火炮发射力的10倍,所以用它发射的弹丸速度很高。一般火炮的射击速度约为0.8千米/秒,步枪子弹的射击速度为l千米/秒。而电磁炮可将3克重的弹丸加速到11千米/秒,将300克的弹丸加速到4千米/秒。有的专家甚至预言,将来的速度可达100千米/秒。速度对于天基反导弹系统来说尤为重要。因为拦截器速度越高,不仅拦截的效率高。而且可大大减少天基武器的数量。

(2)弹丸稳定性好。电磁炮弹丸在炮管中受到的推力是电磁力, 这种力量是非常均匀的,而电磁推力容易控制,所以弹丸稳定性好,这有利于提高命中精度。

(3)隐蔽性好。电磁炮在发射时不产生火焰和烟雾,也不产生冲击波,所以作战中比较隐蔽,不易被敌人发现。而且,它采用低级燃料作能源,而不是常规火药,这有利于发射阵地的安全。

(4)弹丸发射能量可调。可根据目标性质和射称大小可快速调节电磁力的大小,从而控制弹丸的发射能量。

(5) 比较经济。与常规武器比较,火炮发射药产生每焦耳能量需要10美元, 而电磁炮只需要0.1美元。如果与其他太空武器相比,电磁炮就更经济了。

4主要问题

将电磁炮作为一种新型航天发射装置,还需要解决以下几个问题:首先,那台实验电磁炮的加速度太大,人无法承受。这个问题只有一个解决方法,那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3倍重力加速度的长时间加速,满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算,为达到第一宇宙速度,约需1000千米)在技术上难以实现。

第二,如果把电磁炮水平安装在地面上,飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速,难以顺利达到环绕地球轨道,为此,用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅。

电磁炮原理

第三,电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大,这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比,要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术,但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度,约-269°C)才能发挥作用,这对于军事应用是个问题,因为会大大降低发射装置的灵活性,但作为固定使用的航天发射装置,基本上可以不必考虑这些,而且如果高温超导强磁体能够研制成功,对低温条件的要求也可放宽。

关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关,因为在磁场不够强的情况下,要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要,因为作为武器的电磁炮得严格限制长度,而作为发射工具,几千米甚至十几千米的炮身并不算问题,只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。此外,延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算,用5千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度,加速度是重力加速度的600倍,这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了,可人显然还是无法忍受,而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造。

最后,建造公里级长度,配备强磁场的加速轨道不会有技术困难,实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米,甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了对环道施工的精度要求极高外,各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。在建造宇宙电磁炮的基本技术方面,人们早已充分掌握了。真正的困难是,从来没谁把超级加速器放在高寒山区,而且青藏高原的交通条件布便利。

至于电磁炮的发射成本,如果不考虑产生强磁场的低温液体费用,仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已,日常维护成本也和同长度的高速地铁相仿,可以开口处一小段配备专职扫雪人员,或加个活动盖子就能解决。

5作战用途

电磁炮作为发展中的高技术兵器,被世界各国海军所相中,把它作为未来新式武器,其军事用途十分广泛:

(一)用于天基反导系统:电磁炮由于初速度极高,可用于摧毁空间的低轨道卫星和导弹,还可以拦截由舰只和装甲发射的导弹.因此,在美国的“星球大战”计划中,电磁轨道炮成为一项主要研究的任务。

(二)用于防空系统:由于电磁炮初速度高,射速也高。有美军军事专家认为可用电磁炮代替高射武器和防空导弹,执行防空任务。如美国正在研制一种电磁炮,其发射速度为500发/分,射程达几十千米的电磁炮,准备替代舰上的“密集阵防空系统”。用它不仅能打击临空的各种飞机,还能在远距离拦截空对舰导弹.英国也正在积极研制用于装甲车的防空电磁炮。

(三)用于反装甲武器:美国的打靶试验证明,电磁炮是对付坦克装甲的有效手段。发射质量为50克、速度为3km/s的炮弹,是非常优良的反装甲武器。

(四)用于改装常规火炮:随着电磁发射技术的发展,在普通火炮的炮口加装电磁加速系统,可大大提高火炮的射程。美国利用这一技术,已将火炮射程加大到150km。

(五)用于反坦克武器。由于电磁炮初速极高,所以,它的穿甲能力极强,能有效地穿过坦克装甲,成为反坦克厉器。美国曾进行过电磁炮打靶试验:电磁炮发射质量为50克、速度为3km/s的炮弹,可穿透25.4mm厚的装甲。有关资料还报道,用一种电磁炮做试验,完全可以穿透模拟的T-72、T-80坦克的装甲厚度。由此可见,电磁炮具有很强的穿透能力,是非常优良的反坦克武器。

(六)用于装备炮兵部队。电磁炮可望装备炮兵部队。美国海军陆战队也对电磁炮感兴趣。美国海军陆战队经常在海外执行作战任务,需要电磁炮这样的远程快速打击武器,对沿岸作战的士兵进行火力支援。美国陆军也在研发较小型的电磁炮用于陆战。

(七)用于装备海军舰艇。由于电磁炮具有的特点,它有望替代火炮,成为新型舰炮,装备海军舰艇。美国海军准备将电磁炮装备美国舰艇,美国的军事有专家认为,电磁炮有可能成为为未来美国海军新式武器。所以,美国前海军作战部长拉夫黑德上将称它为会带来“海军战法的革命。