美国下一代超级武器——电磁轨道炮(Railgun)

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所属分类:环球经济

大国运作离不开先进武器。提起美军的先进武器,大多数人最先想到的是联合攻击战斗机。的确,例如F-35,其垂直起降技能、态势感知头盔、一分钟连射181发的四管加特林机炮,样样酷炫无比。紧随其后的,可能是无人机、导弹核潜艇

至于炮,早在第二次世界大战后,它们就逐渐成了战场上的过气物件,因为它们的射程和精度越来越无法适应新时代的作战需求。但这个没落家族中,很可能将诞生一个被寄予延续美国超级大国运祚厚望的超级武器。

电磁轨道炮,英文名railgun,无论名字还是外观都不怎么高级。其工作原理——安培力代替火药,中国学生更是在高中物理课上就已掌握。它何以配得上超级武器之称?

railgun

华尔街日报记者巴恩斯(Julian E. Barnes)的一次弗吉尼亚州达尔格伦之行也许能带你感受一下它的威力:

日期不便透露的某日,巴恩斯获准进入美国海军一处绝密设施。一座混凝土掩体内警笛大作,包括美国副国务卿在内的高级官员们挤到一块显示屏前,一睹工程师们测试一种据称所向披靡的武器,它便是电磁轨道炮。

从它射出的约11千克重弹丸(下图左侧所示)能穿透七层钢板,同时留下直径约10多厘米的洞。

railgun power

美国副国务卿沃克说,这种武器犹如战地流星,可以威慑飞机、导弹、坦克等一切东西,而且几乎没有什么能够阻挡它。

美国海军研究办公室负责人温特尔上将(Adm. Mat Winter)说,电磁轨道炮将改变美国海军的作战方式。

无敌威力从何而来?

唯快不破”的武学法则也适用于现代武器——当一颗弹丸以高达每秒数公里的速度呼啸而出,它拥有的炮口动能是无以伦比的。

电磁轨道炮依靠电磁导轨抛射弹丸,不需要火药或其他炸药。普通枪炮中,弹丸在火药点燃片刻后便失去了加速度。而电磁轨道炮的弹丸在通过近10米长的炮管的过程中不断加速,最终以7,200公里/小时(约六倍音速)离开炮口。

railgun canshu

一炮两用,既是矛也是盾

美国海军研发电磁轨道炮的初衷是制造一种进攻性武器,使其能够洞穿敌方舰壁,摧毁坦克,或将恐怖分子的营地夷为平地。但五角大楼的一些官员注意到了它的另一种潜能——在不到10年的将来拦截敌方导弹

从广义上讲,美军未来的挑战将是在海军船只和陆军部队双双裁减的情况下保持其全球部署。预算固定不变但开支不断上升,为防范入侵在必要的地方保有足够军力正变得愈发困难。

美国海军从10年前就开始研发电磁轨道炮,已经在该项目上花费了超过5亿美元。五角大楼正继续投资8亿美元用于开发其防御功能,以及使其高科技弹丸能够适配于现役炮种。这是五角大楼所有项目中投资最高的一笔。

智能弹丸,价格便宜备弹足

要想以一颗弹丸击落一枚导弹,单靠快是肯定不行的。你可能不曾想到,电磁轨道炮的弹丸进化为智能弹丸所依靠的是普通消费者每天都在使用的一项技术——全球定位系统(GPS)制导。这还得感谢智能手机行业的繁荣,使得相关软硬件技术迅猛提升。

美国官员们说,电磁轨道炮制导系统的研发即将完成,只是弹丸内的电路必须加固,才能够承受能将大多数微型电子元件化为碎片的引力。

电磁轨道炮弹丸迷你的身材也是一大优势。美军一艘典型驱逐舰最多可以装载96枚导弹(无论是用于进攻的巡航导弹还是用于防御的截击导弹)。而一艘配备电磁轨道炮的舰艇有可能备弹1,000枚。这使得在执行拦截导弹或攻击敌军任务的舰艇能以更快的频率开火,并能长时作战。

如果说让电磁轨道炮具备拦截导弹的能力还有至少10年的路要走。那其弹丸能更快能投入使用。钨制弹头比许多钢铁都坚硬,并且每枚的成本很可能在2.5万美元至5万美元之间,相比造价1,000万美元一枚的现役拦截导弹便宜太多。

测试证明,以火药大炮发射时,这种弹丸的炮口速度低于电磁轨道炮,但仍然能够达到4,500公里/小时,这使得现役大炮的射程和威力显著提升。

如果你觉得以上对电磁轨道炮的威力描述还不够直观,那这么说吧,它比多次拯救了地球的擎天柱还厉害一点点——因为在电影《变形金刚2》里,它仅用一发弹丸就搞定了狂派BOSS“大力神”。

延伸阅读:

  1. 通用原子能公司General Atomics:核武器+电磁炮+无人机
  2. 洛克希德马丁公司
  3. 雷神公司(雷声公司)
  4. 诺斯罗普格鲁曼公司

文章来源:华尔街日报

作者:李晓

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      一艘大型驱逐舰获得了300公里外敌军指挥部的位置坐标,不过它并没有发射价值一百万美元的战斧巡航导弹来摧毁目标,而是从炮管的超导电磁轨道中发射出一枚长约1米,重约20千克的炮弹,这种炮弹的动力来源既非火药,也不是燃料,而是来自军舰发动机为大炮注入的电能,炮弹以超过7倍音速的速度脱膛而出,它那令人难以置信的速度使它拥有足够的动能让目标在瞬间灰飞烟灭。
      电磁轨道炮的炮管由两条长约6米的平行导轨组成,之间通过一个光滑的转子相连,电流从一条轨道流出,经过转子后再由另一条轨道流回,这条回路产生磁场推动转子,进而再推动位于转子前方的炮弹飞出轨道。
      普通舰炮的射程只有20千米,而且准确度很差,巡航导弹的有效射程虽然超过了300千米,但它们造价昂贵,而且一艘舰艇最多只能携带70枚,由于无法在海上装卸,补充时还必须返回港口。电磁轨道炮则以射程远、成本低、运输以及补充便利等多项优势而被美国国防部寄予厚望。电磁轨道炮甚至还被美国陆军看成是2020年后陆军战车主要武器的候选技术方案。
      不过电磁发射在技术上的研究工作可能还要持续20多年,因为目前还没有哪艘军舰能产生并且储存开炮所需的电能。在过去,驱逐舰上90%的能量都用于供给推进系统。除此之外,面临的挑战还包括:确保准确命中目标的高精度控制技术,炮弹对巨大加速度的承受能力等。由于距离目标超过了300千米,所以这种炮不能像普通枪管一样去瞄准,而需要空气动力学的校正,炮弹到了空中也必须由来自卫星的指令对其运行方向进行修正。同时,炮弹在出膛时的加速度会达到地球重力加速度的45000倍,炮弹上携带的电子器件必须经受得住这种加速度。此外,要使转子在炮管中高速运动也很困难。
      目前,美国海军正与英国国防部一道研制这种电磁轨道炮,他们准备把驱逐舰变成一个超长的机关枪,在一分钟内就可以发射12发这种廉价的炮弹。位于英国柯尔库布里的一家工厂已经在2003年按1∶8的比例生产出了这种电磁轨道炮的样品,并在试验中射出了以6倍音速稳定飞行的炮弹。不过据美国海军海洋系统司令部的罗杰·麦金尼斯上校估计,美国的电磁轨道炮最早也要到2015年才能交付使用。[1]
      经过多年的努力,用于电磁轨道炮的科学技术取得了相当大的进展,已经可以在军事应用中进行实践探索,并为研究电磁轨道炮作战系统奠定了坚实的基础。
      一是美国防部决定研究DDG-1000综合电力系统舰,为新一代电能武器系统包括轨道炮的研究打开方便之门。因为轨道炮所需要的电力取决于发射弹丸的速率。综合电力系统舰的额定电功率为80兆瓦,具有足够的电力维持15-30兆瓦的轨道炮6-12发/分钟的速度发射弹丸。同时轨道炮不需要火药和其它含能爆炸物,从而提高了舰只的安全,并减少后勤保障的费用。二是精确制导技术的发展推动电磁轨道炮的发展,美军在制导、导航和控制系统技术应用的增加为发展体积更小、杀伤力更高且费用更小的弹丸提供了机会。这种趋势仅从费用少、速度高的轨道炮的弹丸的发展中受益。三是炮管寿命的延长。德克萨斯大学先进技术学院为美陆军研究的炮管寿命技术取得重大进展。电枢与导轨接触面受两种磨损现象的影响,限制了炮管的寿命:一种是刨削现象,另一种是平移现象。目前美国的技术人员完全了解了导致高速刨削的物理原因,找到解决该问题的材料。在炮口,当电枢从金属与金属的接触转变到电弧接触时,相应的等离子会损坏轨道。目前德克萨斯大学高技术学院已经展示了成功处理平移问题的方法。
      2001年11月,美海军高技术研究所通过参数研究和建模活动取得了新型电磁轨道炮系统的主要性能参数:轨道炮是可以安装在水面舰只上,其重量相当于为155毫米高级火炮系统,能够以63兆焦耳初始动能和2500米/秒(7.5马赫)的初速度发射20公斤的弹丸。高速弹丸只需要6分钟就达到200海里以外的目标,并能以5马赫的速度对目标实行动能碰撞。研究还估计了脉冲形成网络(PFN)能够产生弹丸所需要的初始动能和速度。
      随着美海军启动DDG-1000的研究的深入,美海军计划把电磁炮安装到该平台上去,并于2003年授予BAE系统公司武器系统分部一份合同,进行为期6个月的将轨道炮合成到新型驱逐舰上的研究。经过研究,BAE系统公司认为,拥有81兆瓦电能的DDG-1000综合电力系统舰可以为两门轨道炮提供足够的电力。在舰只以10-18节的速度航行时,轨道炮可以每分钟发射10-12发炮弹。轨道炮的重量和体积都适合于安装在水面舰只上,目前合成工作面临的主要工程问题只是轨道炮产生的热能管理。
      轨道炮研究史上一个重大里程碑是美海军2003年4月在苏格兰柯尔库布里郡成功完成90毫米口径电磁炮如何发射高超音速弹药的海上演示验证试验。此次试验是美海军海上系统司令部与英国奎奈蒂克公司电磁炮工厂共同完成,试验使用的系统是一台只有未来原型机1/8大小的样机,但是以2500米/秒以上初速度(确切的速度仍是机密的)发射了弹丸。包括美海军舰队司令罗伯特·耐特上将及海军研究局局长杰伊·科恩少将在内的诸多美国海军高级官员到场观看了此项拥有广阔前景的技术验证试验。此次试验是为海军火力改革和转变新一代舰炮海军水面作战舰艇的角色而发展的电能武器所迈出的关键一步。
      美海军海上系统司令部将在库尔克布里的试验结果提交到美海军海上研究顾问委员会电磁炮技术研究小组。该小组在2004年2月公布了一份评估报告。该报告认为电磁炮是一种具有潜力的转型武器,并建议海军启动一项风险减少研究计划确保该种武器适用于未来驱逐舰计划。该小组还认为电磁炮是一种对200海里以外目标实施致命打击的革命性电磁炮作战系统,并且同时具有增大弹药储量、提高发全、减少费用和后勤保障需求等优势。放弃这项研究是一大错误。
      2007年1月16日,美国海军研究办公室(ONR)在弗吉尼亚州海军水面作战中心达尔格伦分部举行新型电磁装置交付仪式。美海军没有采用剪刀剪彩这一传统的做法,而是打破惯例,用一门90毫米口径的试验型电磁炮发射1发高速炮弹穿透了仪式彩带。这发炮弹在炮口的初始动能达到7.4兆焦耳,初速度达2146米/秒。但意义更为重大的是,这部新型电磁炮的交付再一次证实美海军对高能电磁轨道炮充满信心。美海军将把这种电磁轨道炮作为转型武器方案,通过发射投放高速弹丸对远距离目标实施精确打击来变革美海军的海上攻击行动。
      达尔格伦分部的发射试验装置的交付仅是一个开端,美海军的目标是研制能够从离海岸300多海里的战舰上持续发射精确弹药的战术系统。尽管这种弹药只含有少量或是几乎不含有高爆材料,但通过弹丸的高速度碰撞能够对目标造成毁坏。电磁轨道炮克服了常规大炮在射程短、飞行时间短和对杀伤力有限等方面的局限性。由于电磁炮弹没有爆炸材料,从而消除了生产、运输、处理和存储炸药的需求。此外,超远的射程、极短的飞行时间和高杀伤性都极大地提升美海军未来远程作战的攻击力。通过使用极高电流产生强大的电磁力,美海军未来的电磁轨道炮能以超过7马赫的速度发射弹丸,弹丸首先迅速进入外大气层空间,进行无阻力飞行,随后再次进入大气层以5马赫以上的速度打击目标。
      美海军研究办公室努力推动电磁轨道炮的研究达到军事使用阶段,并计划在2020-25年间装备部队。
      2005年8月,美海军启动一个名为“创新海军样机”的项目,并希望通过对这个过渡项目的投资,获得相对成熟的技术,以便在未来4至8年里转入轨道炮的全面研究和发展。“创新海军样机”项目比传统武器装备要“奇异”得多,并存在高度的风险,它还在根本上偏离了既定需求和作战概念。因此,这项研究没有美海军的高级领导人的批准是不可能发展的。
      美海军计划对“创新海军样机”项目投入2.7亿美元的资金,主要解决在四个方面的技术难题:发射装置、弹丸、脉冲形成网络和舰只合成。美海军研究办公室在项目第一阶段的主要研究工作集中在发射装置和弹丸。研究的重点是先进密封发射装置技术,以及电磁轨道炮系统的适合体积、重量,以便合成到舰只,同时经受发射时产生的巨大电磁冲力。第二阶段的研究工作是将发射装置和弹丸合成,形成一整套的系统。在第一阶段,美海军将研究一种能够进行多次发射的炮管。这种炮管能够保持轨道的斥力。美海军还将解决热能管理问题,将炮口初始动能从目前8兆焦耳提升到32兆焦耳,最后达到64兆焦耳。在弹丸方面,美海军需要研究提高轨道炮发射生存力(因为弹丸可能经受45000g的重力加速度,并且遇到潜在的电磁干涉效应),解决高速制导飞行和杀伤力机制等问题。其它的重要研究项目还包括炮管几何学、先进材料(包括合成材料)、密封技术和制造技术。
      美海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁发射装置是支持“创新海军样机”项目的关键技术装置。该装置安装了100兆焦耳的电容器(由通用原子公司研究)和经过整修的、由麦克斯威尔技术公司根据国防威胁减少局的指令从1986至1999年间研制的“绿色农场电子炮研究和发展装置”上的90毫米发射炮管。电磁发射装置在2006年10月开始试验并试运行,并在2007年1月正式启用。
      为了支持“创新海军样机”项目,美海军水面作战中心达尔格伦分部在2008财年底前将加大存储的电能、改良发射装置和终端区以装配一门32兆焦耳的初始动能的轨道炮。BAE系统公司武器系统分部已经根据一份540万美元的合同设计和整修32兆焦耳的实验发射装置。该发射装置预计在2007年6月底在美海军水面作战中心达尔格伦分部安装完毕并进行试运行。据BAE系统公司称,这个固定的实验发射装置的炮管采用层压钢板密封,用于炮管寿命的研究的。来自美国政府实验室、工业部门和学术界的代表组成的一个委员会为研究活动提供支持。
      美海军研究办公室计划到2008财年第三季度末对32兆焦耳的轨道炮进行试验。如果研究成果通过鉴定,研究将于2009年8月转入第二阶段,并计划在2010财年底进行32兆焦耳发射装置炮管的100发射击展示和32兆焦耳先进炮管密封状况展示。
      在评估BAE系统公司、通用原力公司和诺思罗普格鲁曼公司在2005年10月至2006年3月间进行的理论设计研究后,美海军研究办公室2006年6月选择了BAE系统公司和通用原子公司对32焦耳轨道炮进行30个月的技术发展和初步设计的研究,为实战部署64兆焦耳动能的战术系统做准备。BAE系统公司已经获得了930万美元的合同,负责电磁轨道炮的样炮技术和初步设计。通用原子公司获得了960万美元的合同,协同波音公司、L-3通信公司、SPARTA复合材料公司和杰克森工程公司,共同研究和发展电磁轨道炮发射装置所需技术。另外由波音公司和Draper公司共同研究弹丸和综合发射包的理论,包括综合发射包炮管的动力学、飞行弹体和空气热力学特征、杀伤力和发射生存力、制导和导航和控制。
      至于高级脉冲力量研究工作由美陆军负责进行,计划在08财年进行展示。其它的研究工作还包括高能密度电容器和多次发射活动的热能管理。
      如果“创新海军样机”项目通过09年的评估,那么第1阶段的工作将于2011年结束,第2阶段的工作将持续至2015财年。如果研究工作一切进展顺利,海军海上系统司令部可以在2015财年对电磁轨道炮进行全方位的研究和发展。64兆焦耳的电磁轨道炮的战术系统的海上展示将会在2016财年进行,并能在2020-26年装备。
      2012年2月28日,美国军方官员宣布,美海军工程师在弗吉尼亚州的达尔格伦对地作战中心成功试射第一部
      由军工企业制造的电磁轨道炮原型,将开发这种具有超远射程新型武器的工作推进了一步。根据海军公布的信息,炮弹初速可达每秒7000米至8000米,能够打击90公里至180公里外的目标。
      电磁炮项目经理罗杰·埃利斯说,这次试射的主要目的是评估原型炮的炮管寿命和整体结构。他说,这将让海军距离未来的战术武器系统更近一步。如果开发成熟,电磁炮将能大大加强海军的多任务能力。其远超普通舰载火炮的初速与射程意味着海军可为陆上军事行动实施精确远程火力支援,拦截来袭的敌方巡航导弹或弹道导弹,以及攻击敌方舰只等。
      由英国BAE军械研制公司美国分部制造的这部动能为32兆焦的电磁轨道炮“原型机”在一周内已经进行6次试射,试射拉开了为期两个月的评估过程。在这一过程中,海军方面将评估BAE制造的这部电磁炮原型与通用原子能系统公司制造的另一部电磁炮原型。通用原子能系统公司的原型炮预计将于4月完工。

      • avatar 美股指南 Admin

        目前世界上能够研制电磁轨道炮的机构主要在欧美,一个位于美国,另一个是英国军火制造商BAE系统公司,电磁轨道炮能够以极高的速度击穿三堵混凝土墙,或者六个半英寸的钢板。美国海军研究主管马修少将认为未来电磁轨道炮将会非常普遍,我们已经在陆上实验室内进行了多次测试,预计在2016年会安装在海军高速舰艇上试航。

        对于美国海军而言,电磁轨道炮已经不再是科幻小说中的元素,明年就会上舰测试,这一举动将改变海战的历史。试想一下,一艘安装电磁轨道炮的舰艇可以在100多公里外对目标进行精确打击,弹药基数大,成本低,几乎不存在消耗不起的问题。值得注意的是,美国海军也试图让电磁轨道炮实现对空目标的拦截,比如帮助我们摧毁巡航导弹。

        克里斯·休斯是BAE系统公司的武器系统副总裁,他认为下一步将继续对电磁轨道炮进行升级,使用制导炮弹,一门电磁轨道炮能够实现多重任务,具备多平台的搭载能力。同时电磁轨道炮的维护也将更加简便,在经济性上具有极强的竞争力。电磁轨道炮通过洛伦茨力对炮弹进行加速,其是利用速度致胜,而不取决于装药,强大的动能可以用来弥补装药的不足。