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电磁炮革命(上)-中国海军成'第一个吃螃蟹的人
送交者: 力挽狂澜 2018年02月25日22:53:08 于 [军事天地] 发送悄悄话

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  试验的电磁炮系统已经具备相当的集成度

  春节前夕,国内外多家媒体披露了我国正在武汉进行电磁炮的装舰试验,意味着我国成为了世界上首个在军舰上安装电磁炮系统的国家。根据社交媒体披露的照片,该电磁炮系统的试验平台为072II级登陆舰“海洋山”号,目视可见搭载平台为了相关测试做了不少改装。从照片上也可看出,电磁炮系统的集成程度较高,炮管口径极大,在舰体其他部位也安装了不少配套供能系统。

  这套电磁炮虽是试验装备,但相关技术有极大的应用潜力,其发射威力和低成本性也将会对制海和两栖作战产生巨大的影响。同时,一套成熟的电磁武器系统的问世,仍需中国在诸多关键子系统及其整合上做出巨大努力。

   在上世纪八十年代,美国海军曾经对舰炮是否有必要继续存在展开过一次大讨论,有相当一部分的人认为,在未来的海上作战中,舰对舰作战都在超视距范围内发生,舰炮所起到的作用微乎其微。不过,考虑到海军的存在并非全部是为了舰队作战,两栖火力掩护仍然是海军主力舰的主要任务之一;此外,大国海军的主力舰也时刻面临一些不对称威胁。因此,美军最终相信保留一门口径不大、射速较快的舰炮是非常必要的。

  然而,传统火炮在威力和发射距离的提升上却遇到了瓶颈。炮弹发射的原理实际上就是在炮管内产生某种推动力,以巨大的力量将炮弹从炮管内推出并飞往目标。对于传统火炮而言,它利用高能炸药爆炸来产生这股推动力,但炸药只能爆炸一次,能量来源衰减较快,并且传统的高能炸药性能提升空间已经相当有限。正是因为这个原因,各大国在九十年代陆续开展了新原理火炮(投射器)的研制工作,其中,电磁炮(又称电磁投射器)无疑是最具吸引力的一个选项。

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  电磁轨道炮发射原理

  中国目前开展试验的电磁炮属于电磁轨道炮,即依靠两侧轨道的驱动电流产生巨大磁场,同时限定炮弹前进的路线,来推动炮弹进行加速,最终在出膛时获得超高的速度和动能。

  相比于传统火炮,由于电磁炮的两侧导轨可以为炮弹在炮管运动的过程中持续灌注能量,因此理论上更容易获得超过传统火药的出膛动能(最高约为传统火炮的十倍),并且出膛速度可以根据需要进行调整。此外,电磁炮所需要的仅仅是电能,成本优势更为明显。根据美国海军的统计,火炮发射药产生的每焦耳动能需要10美元,而电磁炮只需要0.1美元。能以更低的成本达到超强的射程和毁伤能力,正是电磁炮最吸引人的一点。

  所谓量变产生质变。传统的舰炮射程较短,主要用作自卫,假使要对地打击、支援两栖作战,也必须在较近距离上,反倒对自身安全构成威胁;如果军舰想在较远距离上对岸上目标进行攻击,就必须使用昂贵的巡航导弹,有时也得不偿失。电磁炮的存在就让海军在对地打击、实时火力支援上有了一个完美的选择,它可以使舰队在距离岸边两百公里之外仍然具备低成本、大威力的打击方式——这样的能力是任何一支海军都梦寐以求的,更何况它还具备防空反导的潜力。

  当然,优越的技术自然有着它的高门槛,成熟可用的电磁炮需要在诸多技术领域有着深厚的积累,目前也仅有中美两国的电磁炮达到了工程样机测试的阶段。

  中国需要克服哪些难关?

  如果想要使炮弹在出膛时的动能达到传统火药的十倍,根据能量守恒定律,电磁炮就必须在炮管内对炮弹输送十倍于前者的动能。如果电磁炮在此基础上还要保持相当高的发射频率,就必然对舰上的发电、充电、放电速率有很高的要求。换句话说,此前在高能火药中储存的化学能,都将由瞬间释放的电能来替代。

  事实上,电磁炮的特点和最大技术难关正是在于其需要在很短的时间内具备极大的峰值功率。在电磁炮具体的使用上,如何分配、储存和释放电能,保障电能有效供应是比起电磁加速技术本身更核心的问题。目前主流的观点均认为,装备真正实用的电磁炮的军舰必须具备综合电力系统——其直接从舰船发动机中获得电能,并合理分配到舰船的推进系统、生活系统以及武器系统;该系统还可在不同的状态下实现不同的分配优先级,从而使军舰在战斗时能够保障电磁炮不断发射所需要的高电能。同时,采用综合电力系统的军舰显著增强了发电能力,不仅拥有了更多调配空间,主电力管线所承受的功率也比之前大得多,以便在同样的时间内传输给电磁炮系统更多的电力,从而提高电磁炮的射速和威力。

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  055的后续改进型号将有望采用综合电力系统

  在此基础上,当我们将目光返回到担负此次试验的舰体,就不难认识到其非常明显的探索性质,以及综合电力系统的重要性。由照片可知,此次上舰试验的电磁炮系统不仅仅包括电磁炮本身,还包括了发电、充电、转换器和放电系统,它们在不大的甲板上占据了很大空间。尽管我国在电磁炮的集成性上已经做得很好,但是如果将整个电磁炮系统安装在不具备综合电力系统的军舰上,其配套系统会额外占用不少宝贵的舰体空间。毕竟在真正用于战斗的军舰上,如同照片中的测试舰一般在船上堆积数百吨的各种物资和组件的做法显然是不可能的——使用综合电力系统的军舰就可以节省大量的组件和空间。

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  “海洋山”号舰体的甲板上几乎布满了炮身以外的配套试验设备

  由此可见,尽管我国的电磁炮能够上舰本身已说明其达到了世界先进水平,但是我们仍然需要在电磁炮技术以外发展出一套更全面的技术——综合电力系统,来完美契合电磁炮的使用。研发出成熟可靠的综合电力系统正是各海军强国科研部门努力的方向。

  技术是否会持续扩散?

  既然我国电磁炮已经实现了上舰的突破性进展,那么它是否有可能被安装到坦克、飞机等其他平台呢?

  以目前的科技水平,这可能很难做到。如上文所述,电磁炮系统不仅包括发射器本身,还有一系列的充电、放电、转化器等设备。以此次装舰的电磁炮系统为例,从军舰水线来分析,装备了电磁炮系统后的“海洋山”号几乎达到了满载排水量,按照072级的标准排水量和满载排水量计算(差值大约为一千吨),扣除其他装载的设备,整套试验用的电磁炮系统(包含配套设施)大约有三四百吨的重量。为了不影响舰体的重心和发射炮弹时军舰的稳定性,舰炮系统所占用的质量比例不宜过高,且应当尽量装备于较为宽大的舰体。现在看来,最适合这个条件的平台就是055级大型驱逐舰了。但考虑到舰体重心和电力系统所要求的严格条件,运用实战电磁炮系统的军舰必须全新设计建造,并且吨位庞大。

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  美国在陆地上实验的大型电磁炮

  不过,根据我国电磁技术专家马伟明院士的《电磁发射技术》一文,我国也有可能将电磁发射技术用于多种常规兵器,除了以舰载电磁炮为代表的大口径、大发射质量技术路径之外,小口径、大初速、大射程也是一种发展方向。虽然说以目前人类的科技水平,很难将数百吨的配套设备小型化到坦克、飞机可以搭载的水平,但是也可以考虑将电磁加速设备作为一种加速手段用于常规兵器中。

  电磁炮的本质是利用电磁产生的推动力加速目标物质,是一种加速的手段,如果我们围绕这一本质进行实用拓展,那么除去用于加速炮弹外,也可以运用于军队武器研发的方方面面,例如众所周知的电磁弹射器。考虑到高能火药在目前仍是非常强劲的主流弹药加速方式,如果可以在高能火药瞬间推动的基础上再辅以电磁加速,那么炮弹就可以产生更快的出膛速度,从而获取更远的射程。若将电磁加速设备整合在火炮、火箭发射器等传统发射装置上,就更方便对中远距离目标进行精确打击。同样,如果将电磁弹射用于各种导弹的发射,也有可能增加弹道导弹的射程。

  诚然,在军事方面的应用必然是电磁加速技术最尖端的一面,但是如果将此电磁加速/减速技术民用化,诸如轨道列车、火箭等等都是它可能的应用方向。军用技术的民用化有着丰富的历史,可以说,未来民众的生活出行方式也存在出现革命性变化的可能。届时,上班族的通勤时间会大大缩短,人们也可以在极短的时间完成长途旅行。如果这种革命性的技术持续扩散到民用部门,势必会促进新的科技革命,为人类开启一扇新的大门,其意义将比电磁炮本身深远得多。

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