由盛转衰——电磁炮前景陡变
本文转自《现代军事》（xiandaijunshi），作者：岳松堂 林芳竹
美国国防部的“国防网站”在2016年6月2日发表了该网站技术编辑帕特里克·塔克题为《美国海军电磁炮项目是否还能继续》的文章，在国内相关媒体引发美军电磁炮项目是否下马的热议。笔者通过分析该文和其他相关材料认为，美军电磁炮项目虽未正式取消，但其发展前景并不看好。
电磁炮的基本概念
电磁炮是一种用电磁力发射弹药的新概念武器，依据结构的不同，可分为电磁轨道炮和电磁线圈炮。由于电磁线圈炮的工作原理不容易实现高初速，发展相对较慢，因此电磁轨道炮是目前电磁炮发展的主流形式，本文以下所说的电磁炮皆指电磁轨道炮。电磁炮主要由2条平行的金属轨道、带有弹丸的电枢和高功率脉冲电源组成。启动发射后，在脉冲电源、轨道和电枢构成的回路中产生超大电流并形成强磁场，高载流电枢在强磁场中受到巨大电磁力作用，推动弹丸一起作加速运动，直至射出炮口。
电磁炮的具体发射过程是：首先将装在金属壳内的钨弹丸装入电磁炮的发射轨道；然后电磁炮的电容器（即脉冲电源）向发射轨道和弹丸释放巨额电能（美军目前实现了约32兆焦的巨额电能），产生使弹丸沿发射轨道超高速飞行的电磁场，将弹丸射向目标。这与常规火炮使用发射药燃烧产生的化学能来推动炮管内弹丸飞行的工作原理截然不同，因而被称为新概念武器。
美军电磁炮发展概述
20世纪80年代以来，美国、德国和法国等军事强国均将电磁炮作为一种新型作战手段积极开展研究，其中美国取得的技术水平最高，并已开展了相关工程化研制工作。
美国陆军2004年启动了5兆焦炮口动能车载轻型电磁炮演示项目，在紧凑型发射器、一体化弹药技术等方面取得重大突破，但由于脉冲发电机技术难以达到车载小型化的要求，美国陆军决定终止对该项目的投资，在2010财年减小了演示规模，并进行了一些终止合同的收尾工作。
美国海军2005年启动了电磁炮“创新性海军样机”项目，BAE系统公司和通用原子公司分别开始制造样炮，并于2012年取得了重要进展，其主要技术指标达到：炮口动能32兆焦，发射质量10～20千克，初速1700～2500米/秒，峰值电流5.5兆安，发射效率32%，膛内最大加速过载20～50千克，身管内膛免维护全威力发射100发。2014年7月在“米利诺基特”号联合高速舰上展示了BAE系统公司和通用原子公司的两门电磁炮原型炮，并利用该舰进行了系统集成研究。
美国国防部最初将电磁炮视为导弹的廉价替代武器，对海军的“创新性海军样机”项目很是器重，因为它能从海上攻击100英里（160.9千米）外的地面目标，同时还不必在舰上携带常规火炮的危险发射药。在过去10年里，美军已为该项目投资5亿多美元。
电磁炮优缺点分析
分析美军多年来的研制实践，与常规火炮相比，电磁炮的优点主要体现在5个方面。
一是初速高。常规火炮弹丸的实用极限速度约2000米/秒，而电磁炮实用初速可达3000米/秒，并已于试验中实现了大于5000米/秒的炮口初速。
二是无需发射药。常规火炮利用发射药（药包式装药或模块化装药）发射，通过调节装药量和火炮射角满足射程要求，后勤负担重，安全性能低，而电磁炮彻底取消了发射药，不仅发射过程安全、环保，而且可通过调节电能实现射程变化。
三是发射征候小。与常规火炮相比，电磁炮的炮口冲击波可降低1个数量级，可见光与红外特征可降低3个数量级，后坐力减少1倍以上，因而战场隐蔽性好，生存能力大幅提高。
四是勤务保障便捷。电磁炮采用电能发射，简化了弹药生产、储存、运输等保障工作；与常规火炮相比，电磁炮弹药系统备弹量可增加8倍，后勤工作可减少70%。
而美军在电磁炮研制实践中遇到的技术难题主要体现在3个方面。
轨道发射器方面。按弹丸质量10千克、初速2500米/秒要求，电磁炮发射回路电流约为5兆安，相当于强雷击峰值电流的25倍，电枢与轨道高速滑动产生严重刨削或烧蚀，平行轨道间还存在巨大的排斥力，这就要求轨道材料必须同时具备高导电率和高强度。而现有材料中，铜、金、银等高导电率材料的强度相对较低，合金钢、钨合金、钛合金等高强度材料的导电率又不高，难以同时满足要求，目前只能在轨道结构设计上采取多种材料分层复合的方式，尚无法完全满足武器化要求，这已成为制约电磁炮实用化的首要难题。
高功率电源方面。若将10千克的弹丸加速到2500米/秒，电磁炮的电源系统储能规模需达百兆焦级，与航母电磁弹射装置储能规模相当，但电磁炮瞬时输出功率达数千兆瓦级，远高于航母电磁弹射装置瞬时输出功率60兆瓦的指标。即便采用当前国际最高水平的电源模块，也需装4个以上最大尺寸的标准军用方舱（约6×2×2立方米），体积巨大，即使与海军舰艇集成亦存在较大困难，更不用说地面作战车辆了。此外，目前电磁炮的能量转化效率约为30%，还有2/3的能量要转化为热量，解决连续发射状态下的散热问题难度极大。因此，储能装置的小型化问题和电磁炮轨道的散热问题，是电磁炮实用化发展的重大难题。
超高速一体化弹丸方面。电磁炮若要实现远程精确打击，必须采用制导弹丸。而要实现2500米/秒的高初速，弹丸发射过载至少要达到40千克以上，而目前国际最高水平的制导组件，其抗过载能力也仅为25千克。因此，制导器件的抗高过载，也是电磁炮实用化必须解决的重要难题。
美国北卡罗来纳大学的物理学家马克·古布鲁德教授还提出了电磁炮弹丸的末端动能问题。与靠爆炸后产生的冲击波和炮弹破片杀伤目标的常规火炮弹丸不同，电磁炮弹丸靠动能杀伤目标，所以应尽可能多地赋予其末端动能，使其在击中远距离目标时仍能保持较大的毁伤能力。在所能提供的总能量的限制下，就需要在质量和速度/射程之间进行权衡。电磁炮的弹丸仅重23磅（约10.43千克），而常规127毫米火炮的普通弹丸则重70磅（约31.75千克）。电磁炮弹丸如此之轻，其在飞行过程中就把动能丧失得所剩无几，击中目标时可能已是“强弩之末，不能穿鲁缟”。换言之，即使解决了电源问题和散热问题，电磁炮的实用化发展仍将面临诸多局限和困境。在电磁炮发展面临的诸多困境中，目前还没有找到可以打破物理法则的技术突破口，这是电磁炮发展面临的最大问题。
从挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰教授在世界上首次提出电磁炮概念并于1901年制成第一个电磁线圈炮算起，人类已为电磁力发射炮弹进行了100多年的努力探索，美军正式开展电磁炮研制也已30多年，但迄今为止尚未形成实用化装备，根本原因可归结为：基本物理原理简单而实际工作机理复杂。电磁炮的实际运行是一种集电磁、温度、应力三场和固体、液体、气体、等离子体四态于一身的瞬间非线性耦合过程，电流、功率和能量等参数不仅在量级上超出常规，而且其变化规律也呈现出复杂的非线性特征。
美军电磁炮未来发展分析
由于电磁炮在研制实践中遇到的困难在目前技术条件下一时还难以克服，当初大力支持电磁炮项目的美国国防部官员最近开始为该项目降温。美国国防部副部长罗伯特·沃克2016年5月在国会说：“我们承认电磁炮曾是我们孜孜以求的项目，但现在我们认识到，通过常规火炮发射电磁炮的超高速弹丸，几乎可以达到与电磁炮同样的效果，而且我们还能够更快地实现这个目标。”他透露，美国国防部将为其2012年秘密成立的战略能力办公室（SCO）追加8亿美元拨款，用于开发电磁炮的防御能力——即用较少的电能实现较近的射程；与此同时，也用于改进海军的其他舰载炮，使其能发射电磁炮的弹丸。沃克在国会还说：“我们将来会说……‘瞧，我们认为这才是应该花钱的地方，尽管我们将有足够的资金同时发展电磁炮和（发射电磁炮弹丸的）常规火炮’。至于如果新政府表示‘不，电磁炮才是我们想要的’，那也无所谓，因为我们已（在使用常规火炮发射电磁炮弹丸方面）走上了成功之路。”
从沃克的表态可以看出，美军电磁炮项目虽未正式取消但发展前景并不看好。美军目前正在走一条“折中路线”——通过改进现役常规火炮，使其能发射电磁炮弹丸。虽然现役常规127毫米舰载炮发射电磁炮弹丸，其速度最高才接近马赫数3，远低于用电磁炮发射所能达到的马赫数7，但这已是现役127毫米舰载炮发射常规炮弹初速的2倍。
美国战略能力办公室于2016年2月在2017财年预算申请中新设立了被其视为颠覆性技术项目的“超高速火炮武器系统”（HGWS）项目，并申请2.46亿美元预算。该项目将在电磁炮和“超高速炮弹”（HVP）目前的研究基础上，加速“超高速炮弹”在海军常规大口径火炮上的应用，使其同时具备防空反导、反舰、对陆打击、火力压制等多任务能力。“超高速炮弹”是下一代通用低阻力制导炮弹，能使用127毫米舰炮、155毫米舰炮和电磁炮发射，是美国海军电磁炮“创新性海军样机”项目第二阶段的重点之一。2013年，BAE系统公司被美国海军研究办公室选为“超高速炮弹”项目的主承包商；2014年起，战略能力办公室联合海军研究办公室开始研发“超高速炮弹”的闭环火控制导系统，旨在提高射程和与海军、陆军火炮系统的通用性；2015年，海军研究办公室和BAE系统公司完成了“超高速炮弹”的关键部件设计、炮弹飞行模拟、毁伤效能评估、弹载电子器件开发等工作。或许这才是沃克2016年5月在国会作上述表态的真正原因。
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“美国将放弃电磁炮”纯属无稽之谈
最近网络上出现了一则标题耸动的消息《美国将放弃电磁炮》。文章中说“6月4日，美国《财经时报》网站发表新闻称，美国海军已经决定放弃这个项目，而五角大楼将再花费8亿美元，将电磁炮研制重点转为防御性用途，同时用常规火炮来发射已经为电磁炮研制的弹丸。”
事实真的是这样吗？
首先，打开美国《财经时报》的网站，会发现这并不是一则正儿八经的新闻报道。而只是一个专栏作家写的分析性文章，文章只是对《美国海军是否会放弃电磁轨道炮》进行了一些分析。通篇看来，作者只是认为目前电磁炮还有很多技术问题（包括耗能、火炮烧蚀、安装平台）制约它的发展，电磁炮的能力或许达不到人们的预期而已。文中并没有说美国会放弃电磁炮的发展。实际上，文中反而提到了，美国副国防部长罗伯特•沃克今年5月对国会表示，五角大楼计划通过秘密的战略能力办公室继续拨款8亿美元，来研究电磁炮的防御能力。
其次，文中所提到的电磁炮的技术难点问题，也并非是什么新鲜话题。实际上从电磁炮还在概念阶段，就已经对这些问题展开研究了。目前美国研制的电磁炮的原理样炮已经进行了多次射击试验，并计划在今年夏天开始上舰试验，说明其离实用化越来越近了。而这些技术难点也正在逐渐被解决。正如文中所提到的，最近雷神公司向美 50 30695 50 15534 0 0 1346 0 0:00:22 0:00:11 0:00:11 2624 50 30695 50 15534 0 0 1314 0 0:00:23 0:00:11 0:00:12 2989海军提交了一种采用新型“脉冲电源模块”的电磁炮，据称有望解决耗电的问题。该系统可以大幅度减少发射过程中因为无法被用于发射弹丸而浪费变成废热的电能，从而降低电磁炮发射所需的电力。
最后，至于文章中提到的电磁炮受困于发射平台，新一代的“朱姆沃尔特”级驱逐舰被选为电磁炮的搭载平台，因为只有这种战舰才能提供足够的电力——78兆瓦——来驱动火炮。但军方仅仅订购了三艘此型战舰。这个问题更不用担心，美国《国家利益》网站6月11日发表题为文章称，美国海军将打造超级护卫舰，美国海军官员称，海军目前正在确定使新型濒海战斗舰更坚固、更具杀伤力的武器、传感器和技术。舰艇将采取“模块化”方式，即它将在新技术和新武器出现后接受和融合这些技术和武器，例如激光武器和轨道炮。可见美国海军对于电磁炮上舰是不遗余力的。未来随着电磁炮体积的进一步缩小，很可能将会成为美国水面舰艇的标配。
总体看来，未来一旦上舰，电磁炮所体现出的优势将是非常大的，除了射程远、发射便宜的特点之外，跟传统火炮相比，它真正的“撒手锏”其实体现在多用途能力上，除了打击地面和海上目标之外，在防空反导、发射导弹和卫星、天基战略反导和反卫星、实施空中作战等方面将得到广泛应用。而这些能力都将是未来美军战略能力发展的重中之重。所以不管从哪个角度看，说美国将放弃电磁炮都完全是无稽之谈，美国不仅不会放弃，反而会加快其发展。对此，我们要保持高度警惕，更需要积极紧跟这项技术，争取早日取得突破。
（来源：兵工科技）