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第4章 急速破袭——动能武器(2)

2.超高速、大动能。电炮能够驱动弹丸以高速飞行,速度可达2000~8000米/秒,对于小因此,降低了炮管易损性,无烟无声,比较安全。电炮几乎全部发射重量都是有效载荷,其主要能源一般是采用低级燃料的燃气轮机或柴油机,发射能量转换率相对较高,使得单位能量成本较低,加上弹丸价格便宜,因而整个系统的效费比较高。

3.性能优良和可控性好。普通火炮为达到不同的射程,需调节发射装药量,而电炮只要控制供电电流就可调节发射速度和射程。电炮加速度均匀,精度高。普通火炮由于点火药和发射药燃烧速度的微小变化,对弹丸运动速度会产生影响,严重地会引起迟发或突然发火。整个系统由计算机控制,操作简便、安全性好。

4.简化了后勤供应。由于电炮弹丸尺寸小、速度高、动能大,故可在坦克、舰船或飞机等作战平台上携带众多质量相对小的弹丸,有利于弹药储存。

5.结构不拘一格。电炮的口径形状可各式各样,因此发射的有效载荷形状不受限制。

电磁发射武器,其军事应用十分广泛。可以用作天基反导系统。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坦克装甲车辆发射的导弹。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。采用电磁炮把10克~1千克的弹丸加速到3~20千米/秒,可用于摧毁空间的卫星和导弹。也可以用作防空系统。用电磁炮代替高射武器和防空导弹遂行防空任务,发射许多重1~10克、速度为20千米/秒或更高速的小炮弹,在来袭导弹的前方形成弹幕。美国研制的长7.5米、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“火神—方阵防空系统”。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。发射1~2千克重的轻型制导炮弹,速度为10~20千米/秒,以击毁来袭导弹和中低轨道卫星。

可以用作反装甲武器。随着材料科学的发展,复合装甲、高强度陶瓷装甲、贫铀装甲的使用,以及爆炸反应装甲的出现,大大提高了装甲的抗毁能力,对破甲技术提出更高的要求。

二、飞速弹丸的发射者——电炮

正在研制中的电炮有电磁炮和电热炮。电磁炮完全依靠电磁能来发射弹丸。根据工作原理的不同,电磁炮又分为导轨炮、线圈炮和重接炮。电热炮是全部或部分地利用电能加热工质并产生等离子体来发射弹丸。根据工作原理的不同,电热炮又可分为纯电热炮和电热化学炮。目前,电热化学炮是发展最快、最有希望的电炮。

1.电热化学炮

电热炮是全部或部分地利用电能加热工质产生离子体来推进弹丸的发射装置。一般来说,电热发射有两个含义:一是使用特定的高功率脉冲电源向某些工质放电,把工质加热而转变成等离子体状态,利用含有热能和动能的等离子体直接推进弹丸运动;二是利用加热产生的等离子体再去加热其他更多质量的低分子量的第二工质,甚至直接加热发射药,使其化学反应变成热气体(含少量等离子体),借助这热气体的热膨胀做功来推进弹丸。因此,从工作方式上,电热炮可以分为两大类:用等离子体直接推进弹丸的,称为直热式电热炮或单热式电热炮;用电能产生的等离子体再加热其他更多质量轻质工质成气体面推进弹丸的,称为间热式电热炮或复热式电热炮。从能源和工作机理方面考虑,直热式电热炮是全部利用电能来推进弹丸的,它们是一类“纯”电热炮,故也称为纯电热炮;而绝大多数间热式电热炮,发射弹丸既使用电能又使用化学能(发射能量约20%来自电能,80%来自化学反应),因此它们是一类电热“化学”炮,因此也称为电热化学炮。在电热炮中用放电方法产生的等离子体多属低温等离子体,又称为电弧等离子体。所以,较早的电热炮又称为电弧炮、脉冲等离子体加速器或等离子体炮。

电热化学炮技术采用高温和高能等离子体来增强和控制固体发射药化学能的释放,可以使其性能提高到普通火炮望尘莫及的程度。使用精确点火可提高瞄准精度;采用温度补偿办法,可以在所有温度条件下发挥武器系统的最佳性能;使用先进发射药增强杀伤力,增大射程;使用低易损性发射药可实现稳定点火。

电热化学炮主要分系统有脉冲电源系统、弹药系统(包括发等离子体发生器、发射药和弹丸)、火炮系统(包括身管、炮尾和电源连接装置等)。点火脉冲电源系统由两个关键分系统组成,一个是高压充电器(直流到直流转换器),它从蓄电池母线获取能量,在电流恒定的情况下,可将电容器的最大电压充至数千伏;第二个主要的分系统是基于电容的脉冲成形网络,在接通开关后,点火脉冲电源系统的高电压、强电流将等离子体发生器中的第一工质转变成高温等离子体,并加热第二工质(发射药)形成高温高压含等离子体的燃气,用以发射弹丸。

电热炮的优点是可用常规火炮改装,能将质量较大的炮弹发射到2200~2500米/秒的高速。电热炮的炮弹速度比电磁炮的炮弹速度慢,而且可以控制,所以可发射制导炮弹。

同常规火炮一样,电热炮也是靠气体膨胀做功使弹丸获得高初速,不同的是其气体相对分子质量小,可吸引的功能少,弹丸功能小部分(20%以下)由电能提供,大部分由化学能提供。

美国于1993年6月已研制出世界上第一门60毫米电热化学炮,弹丸的炮口能量比固体发射药火炮提高35%。2004年8月,英国使用安装在“闪电”混合电驱动战车上的电热化学炮成功完成了发射试验。

2.电磁炮

(1)轨道炮。轨道炮,是完全依赖电能和电磁力加速弹丸的一种超高速发射装置。

一对平行的导轨和夹在其间可移动的电枢(弹丸)以及开关和电源等便组成了轨道炮。当其开关接通后,一股很大的电流从一根导轨经炮弹底部的电枢流向另一根导轨时,在两根导轨之间会形成一个强磁场,磁场与流经电枢的电流相互作用,产生强大的电磁力(洛伦兹力),推动载流电枢(弹丸)从导轨之间发射出去,从理论上讲,这种弹丸初速可达6000~8000米/秒。作用于导轨的电磁力仅持续几毫秒,当弹丸离开炮口后,剩余能量或通过炮口分流器导向脉冲形成网络,或是在空中形成电弧散放。电磁力的大小随着导轨炮的磁场强度和电流的大小而变化。电路长度是由弹丸大小决定的,它的变化不会很大,主要影响的因素是电流和磁场。

轨道炮,被美国陆军看成是2020年后陆军战车主要武器的候选技术方案,未来应用包括美国未来战斗系统、英/美战术侦察装甲战车/未来侦察骑兵车等车辆上,也可作为舰载武器。美国海军认为舰载轨道炮具有全天候、精确和长时间饱和火力能力,有助于提高舰船生命力,由于舰艇不需要储存爆炸药弹的弹药库,为简化及优化舰船结构提供了条件。

轨道炮尚有许多技术难题有待解决,其中包括电源技术、材料技术、超高速弹丸技术、熔化与磨损等。

(2)线圈炮。线圈炮主要由感应耦合的固定线圈和可动线圈以及储能器、开关等组成。许多个同口径同轴固定线圈相当于炮身,可动线圈相当于弹丸(实际上是弹丸上嵌有线圈)。当向炮管的第一个线圈输送强电流时形成磁场,弹丸上的线圈感应产生电流,固定线圈产生的磁场与可动线圈上的感应电流相互作用产生推力,推动可动弹丸线圈加速;当炮弹到达第二个线圈时,向第二个线圈供电,又推动炮弹前进,然后经第三个、第四个线圈……直至最后一个线圈,逐级把炮弹加速到很高的速度。加速弹丸的推力正比于固定线圈中的电流和弹丸线圈中的电流及固定与可动线圈的互感梯度。线圈炮的优点是炮弹与炮管(线圈)间没有摩擦,能发射较重的炮弹,电能转换成动能的效率较高,但供电结构比较复杂。

三、电炮的成长历程

科学家安培在1822年发现了通电导体在磁场中受力的现象并导出了定量公式,从而为电动机的产生奠定了理论基础,揭示了电和磁之间能够产生机械力这一新的动力源的重要性。1916年,科学家们开始提出用电磁能量推进弹丸的构想。在第一、二次世界大战期间和战后,法、德、美、日等国都曾进行过现代电磁发射系统(电磁炮)的研究,利用电磁力代替火药加速弹丸。但没能研制成功,因为当时技术水平的限制和缺乏储存大量电能的手段,有些国家甚至放弃了对这方面的研究。到了20世纪70年代,随着科学技术的发展,堪培拉澳大利亚国立大学试验了第一门电磁炮(轨道炮),将3克重的塑料块加速到6千米/秒的速度,显示了这种武器的潜力。从此,电磁发射技术在军事上的应用就成了人们的热门话题,并开始得到了长足发展。

1.电磁炮的发展

由于电磁发射原理简单,所有的电磁发射器(无论轨道型、线圈型或重接型)都是利用直流电动机原理工作的,即让带电的导体在磁场中受电磁力作用,以此将导体推进到超高速。所以,在电机技术诞生不久,就有人提出了用电磁力发射物体的设想。

查尔斯·惠斯通在1845年就制作出了世界上第一台磁阻直流电动机,并用它把金属棒抛射到20米远。自此以后,德国数学家柯比又设想用电磁推进方法制造“电气炮”。而挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰是第一个正式提出电磁发射(电磁炮)概念并进行试验的。他在1901年获得了“电火炮”专利。法国的福琼·维莱普勒在1920年发表了《电气火炮》文章。几乎同时,用于火炮的电磁加速器在美国费城的电炮公司被成功研制出来。在第二次世界大战期间,因为军事需求,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1.2千米/秒的初速。美国西屋电气公司在1946年建成了一个全尺寸的电磁飞机弹射器,并取名为“电拖”。由于受到当时的科学技术水平的限制,这些努力都因为遇到了无法解决的难题而遭受挫折,因此有人甚至断言,这种努力在实践中根本行不通。

随着脉冲功率技术的兴起和相关科学技术的发展,在20世纪70年代的时候,电磁发射技术取得了长足的进步。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5.9千米/秒。这一成就从试验上证明了用电磁力把物体推进到超高速度是可行的。他的成就1978年公布后,世界相关领域的科学家都振奋不已,并引起了各国军方的特别关注。许多国家纷纷建立实验室,投入大量人力财力进行研究。

20世纪80年代,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。自80年代中期起,美国FMC公司开始为DARPA进行电磁炮方案研究。当时该公司曾乐观地估计,1991年就能研制成功炮口动能为15兆焦(质量1千克的弹丸运动速度为1000米/秒,则弹丸的动能为1兆焦)的电磁坦克炮样炮。一年后,DARPA资助的另一项目也有类似的结论,该项目建议研制中的“坦克克星”坦克应配备炮口动能为11兆焦的电磁炮,并认为1992年即可进行电磁炮部件的可行性验证。人们还曾一度乐观地认为,到2000年装备电磁炮的坦克可投入使用。但事实并非人们想象的那么简单。

美国防部于1991年成立了“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磁炮研究工作。在1992年,在尤马靶场,美国把一门口径90毫米、炮口动能9兆焦的电磁炮样炮进行了试验。电磁炮从实验室状态到工程研制状态的过程说明,电源小型化技术已有所突破,电磁炮开始进入实用研究阶段。

依据1997年1月美国与英国签订的合作协议,两国合作从事电磁炮技术的成熟化研究。目前,美国正在研究电源技术,英国正在研究弹丸技术。与此同时,两国均在研究终点弹道和超高速弹丸技术。其中,美国研究的难点是电源和系统轨道技术等。就电源而言,首先是要研制一个“强”脉冲电源系统,其次需要减小电源系统的尺寸和质量。目前的电源可放在一辆坦克上,但数量级还远远不能达到要求。美国陆军提出的电磁炮发展目标是,具有与相同口径常规火炮一样的质量或比其稍轻;脉冲电源的目标是所占体积和质量在20吨级车辆承受范围之内,并具有高的杀伤力、大的总载荷和低易损性。轨道通常由厚铜条或其他导体材料制成,平行封装在火炮身管内。轨道的目标是火炮能发射100发或200发弹丸。研究人员正在研究一种新材料,用这种材料制成的轨道当电磁力通过时能够不被损坏。

1999年年底,美国陆军研究实验室制订了一项为期6年的电磁炮研制计划。该计划分为两个阶段,共6项合同,价值1.19亿美元。第一阶段主要研究脉冲电源、电磁发生器、弹丸技术及系统集成技术等;第二阶段于2003年开始,主要制造一门集成了第一阶段研制的脉冲电源和电磁发生器的试验样炮,该样炮长不能超过6米。2005年开始样炮演示,可提供使质量约3.5千克的动能弹丸加速到2.5千米/秒的脉冲电源。

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