高速动能杀伤武器——电磁轨道炮的原理和应用前景
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电磁轨道炮被认为是一种很有发展前途的高速动能杀伤武器，今年2016年5月，美军向部分媒体公开了这种新型武器，其通过约10米的电导体轨道加速发射（弹药），时速达到7240千米，有效射程达200千米，并可以瞬间穿透7块普通钢板厚的钢板，美军过去十年一直在开发，有猜测称，“快的话可能2018年就实战部署”。除此之外，俄罗斯也不甘落后，据俄罗斯媒体报道称，俄罗斯科学院高温联合研究所工程师7月12日在莫斯科郊外首次试验自行研发的电磁轨道炮加速器，让弹丸达到第一宇宙速度。那么这种新型武器究竟是什么？其有着怎样的威力和缺陷？未来又有着怎样的应用前景？
电磁轨道炮（Electromagnetic Railgun，EMRG）简称轨道炮，是电磁炮中的一种。它是使用电磁场加速技术发射弹丸的靠动能杀伤的武器，在发射过程中，强大的电磁力使弹丸达到极高的初速度飞离炮管口，这种初速度比使用常规火药发射的弹丸的初速度要高得多，对目标的杀伤力远远超过普通的炮弹，并且射程也要远很多。
电磁轨道炮的工作原理
电磁轨道炮的基本组成包括两根导轨和一个电枢，两根导轨互相平行，其长度与炮管长短相当，电枢可沿导轨轴线方向滑动，弹丸放置在电枢前面的导轨上。导轨与大电容器或旋转电机构成的脉冲形成网络相连接，并通过电枢形成闭合回路。当发射弹丸时，脉冲形成网络生成的强电流脉冲通过一根导轨，经过电枢，流向另一根导轨。强大的电流在两根平行导轨间产生强大的磁场，并与电枢形成的磁场相互作用，产生强大的电磁力。电磁力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动，从而获得很高的初速度，弹丸沿导轨向外运动直到从炮口末端发射出去。电枢和弹丸脱离，弹丸飞向目标。作用于导轨的电磁力仅持续几毫秒。由电磁场理论可知，电枢受到的电磁场的作用力与电流强度的平方成正比。可见，要想获得弹丸的高速度，必须供给轨道强大的电流，通常该电流的数值在兆安级，而电流脉冲的持续时间仅为毫秒量级。
以火药作为发射能源的传统火炮，通常只能将质量为几千克的弹丸加速到1.8 km/s左右的炮口速度(即弹丸离开炮口时的速度)，这个数值已经接近于化学能发射弹丸速度的极限。然而对于用作反装甲、防空及拦截高速导弹的目的来说，这个速度远远不能满足要求。
电磁轨道炮由于其工作原理与传统的火炮不同，在强脉冲电流的作用下，轨道炮中弹丸的加速度可达重力加速度的几十万倍，能使弹丸获得很高的初速度。目前试验已获得的最高速度为：当弹丸质量为3.1g时，初速可达10.1 km/s。为适应地面战术武器的应用，人们追求的目标是将千克级的弹丸通过电磁力加速到2.5～4 km/s；而对于部署在航天器上的战略防御拦截导弹的武器，则要求将质量为几克至几十克的弹丸加速到20 km/s以上。近十几年来，各主要发达国家研究试验的实践表明，达到这一目标是有可能的。
电磁轨道炮的发展概况
早在1920年法国人维勒鲁伯发明了电磁轨道炮，二战期间，德国人汉斯勒博士对电磁轨道炮开展了更为全面的研究与试验工作，他在1944年研制的电磁轨道炮的口径为20mm，长达2m，能把重10g的圆柱体铝弹丸加速到1.08km/s的速度。日本在二战期间也开展了大量研究工作，日本制作的感应加速式电磁炮，能把2kg的弹丸加速到335m/s。但是在二战后的很长一段时期，由于在材料和供电方面遇到的一系列技术问题没有得到解决，电磁轨道炮的发展也就进入低谷，中断了相当长的时间。
从上世纪70年代开始，上述一些技术关键问题逐步有了些解决办法，使得电磁炮的研制工作又重新得到重视。美国国防委员会在上世纪80年代得出未来高性能武器必然以电能为基础的结论。1992年，美国已把一门口径90mm、炮口动能9MJ的电磁炮的样炮进行了靶场试验。
美国国防部和美国空军还联合主持了一项称之为“电磁轨道系统”的天基动能武器研究计划。由安装在模拟空间环境的真空室里的电磁轨道炮发射的小型弹头的速度已达8.6km/s。
该型武器引起了美国海军人员的关注。电磁炮在其未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分。下面重点介绍美国海军在这方面所做的工作。
2001年11月，美国海军召开了电磁轨道炮发展研讨会，制定了一个“三阶段计划”：第一阶段，在2005年前，研制炮口动能为8MJ的样机；第二阶段，在2005至2011年间，研制炮口动能为32MJ的样机，初速要大于2.5km/s，炮管寿命为100发，炮弹初速的马赫数可以达到6，射程达到370km，射速可以达到每分钟6发；第三阶段，开展电磁轨道炮的型号样机研制工作，炮口动能为64MJ，为在2020～2025年电磁轨道炮装备部队做准备。
2005年8月，美国海军启动一个名为“创新海军样机”的项目，计划投入2.7亿美元的资金，并希望通过对这个过渡项目的投资，主要在发射装置、弹丸、脉冲形成网络等方面积累相对成熟的技术，以便在未来4至8年里转入轨道炮的全面研发工作。
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成功试射了第一部电磁轨道炮原型，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7～8km/s，能够打击90～180km的目标。
2014年7月11日，美国海军研究局已经将两套电磁轨道炮原型机安装到联合高速船（JHSV）米利诺基特（Millinocket）号上，电磁轨道炮原型机已经在实验室条件下成功进行了多次测试和发射。
2015年3月2日，美国海军首次公开展出一种新式武器能以7倍声速发射炮弹，研究人员将这种轨道炮描述为“星球大战技术”，它可穿透160km远处的混凝土。
2016年美国海军将在海上联合高速船（JHSV-3）米利诺基特号上展示32MJ电磁轨道炮（见下图），该电磁轨道炮能加速铁磁性弹丸到超声速（Ma=6～7）的速度，它使用一系列磁铁沿轨道定位，类似于一辆磁悬浮（磁浮）列车（MAGLEV），美国海军计划在未来10年内作战使用。这就将10年的功能研究和几年在弗吉尼亚州的达尔格伦海军水上作战中心验证其在岸上打击各种目标的成果最终获得应用。海军计划将电磁轨道炮用于实战并能在21世纪20年代中期在水面战舰上集成，但实际上目前还没有按计划去执行。
美国海军联合高速船（JHSV-3）米利诺基特号上的32MJ电磁轨道炮
如果电磁轨道炮正如计划的那样发展成熟，它将能提供的射程比今天的甲板炮更远，并且提供的防御性防空战能力比今天的拦截器更大。在当前,电磁轨道炮的弹丸大约重11kg，长46～61cm，宽7.6cm，这使得它的尺寸小于5”/ 62炮的弹盒大小的一半，或大约只有导弹拦截器如SM-2的十分之一的大小。于是，船舶将能够携带比导弹或普通弹盒更多的电磁轨道炮弹。由于弹丸是惰性的，不存在安全方面的问题，对舰上存储的位置也就没有严格要求。
电磁轨道炮合适的功率电平取决于任务，因为较高的功率转化为较远的射程。电磁轨道炮最重要的初期应用可能会是防御性防空作战，它的巨大的弹药库将增加了水面舰队的非垂直发射系统的防御性防空战能力。电磁轨道炮将在较短的距离内（小于30海里）是最有效的，因为它的无动力弹丸不能在更远的距离上作机动飞行去拦截机动的超声速反舰巡航导弹和反舰弹道导弹。
因此，32MJ电磁轨道炮的出现非常适合于防御性防空战任务。它的面对面的射程达110海里，并且，当弹丸飞过一个弹道时，它达到的高度大约为20～30海里。这使得它能在这个距离上打击如反舰弹道导弹这样的高空导弹。小于32MJ的电磁轨道炮，未必能够打击防御性防空战方案中的10至30海里的反舰弹道导弹。另一方面，更大的电磁轨道炮（如美国海军正在开发的64MJ电磁轨道炮）将有更远的面对面总射程。然而，增长了总射程，并不会增长防御性防空战的迎战距离，这是因为约束电磁轨道炮迎战距离的主要因素是弹丸不能作大的机动，因而不能在长时间飞行中去拦截机动的导弹。更大的电磁轨道炮将需要更多的电力和冷却，以换取更远距离攻击的益处有限。
电磁轨道炮存在的缺陷
电磁轨道炮的缺点之一是对供电要求很高，而且要求几乎在瞬间产生非常大的电流。于是，大型电磁轨道炮，尤其是32MJ以上的电磁轨道炮至少在相当长的时期内不大可能用空中平台发射，只能在大型水面战舰上使用。但是目前水面部队大大小小的战舰也将难以装备电磁轨道炮，除非战舰的发电能力显著增加。美国海军计划在2016年演示并在21世纪20年代初期将可能成熟的32MJ电磁轨道炮需要15~30MW的功率，才能达到每分钟6~10次的最大发射率。这是比计划中的Flight-III DDG-51型（12MW）导弹驱逐舰和现在的Flight-IIA DDG-51型导弹驱逐舰或导弹巡洋舰（两者都是9MW）的总输出功率还大。较小的电磁轨道炮可以由储能设备，例如电容器供电，就可能直接利用这些舰上电气系统支持，但在需要重新充电之前其射击次数是有限的，这限制了它在持续作战时的使用。
电磁轨道炮存在的另一个问题是大电流对导轨的烧蚀严重，因为在发射时它的炮弹必须在用作电极的导轨上滑行，由于电磁轨道炮是在兆安级的强脉冲电流的条件下加速弹丸的，导轨材料要能经受瞬时极大的热流冲击。如果要将炮弹加速到极高的速度，不可避免地会导致轨道严重烧蚀而影响其使用寿命。因此，对其所用材料的要求很严格，包括导轨材料、绝缘材料、弹丸材料等。导轨材料首先要有好的抗烧蚀性能，在高温下能保持较强的硬度，且不变形。同时其导电性能要好，以及滑动摩擦系数要小。与导轨、电枢接触的绝缘材料应具有较强的抗电弧烧蚀性能。
电磁轨道炮的弹丸材料必须能够承受膛内加速时所产生 47 32410 47 15534 0 0 2463 0 0:00:13 0:00:06 0:00:07 3086的比传统火炮高得多的加速度（约为重力加速度的几十万倍），还要考虑到与目标的高速撞击，其硬度是十分重要的。而且，当弹丸高速飞行时，它在空气中摩擦产生的热，也将会使普通材料的弹丸熔化掉。所以，弹丸材料不仅硬度要高，还要耐烧蚀。为此，近年来科学工作者做了很多改进工作。例如，有的轨道炮为了减小电流，在轨道炮的导轨外面增加多匝线圈以增强磁场，即称之为线圈炮。线圈炮中的弹丸不直接同炮膛摩擦与接触，弹丸是靠磁悬浮力运动的，因而炮管与弹丸之间不存在摩擦。而且加速力施加于整个弹丸上，从而提高了能量利用率。但线圈炮的发射初速度不如轨道炮高，它适用于尺寸和质量较大的弹丸，如用于弹射飞行器等。
电磁轨道炮的应用前景
由于上面提到的电磁轨道炮研制过程中遇到的一些技术问题，如电源及材料方面的问题尚未取得突破性的进展，到现在，也就是2016年，美国海军电磁炮项目仍然停留在32MJ炮口动能阶段。美国“战略与预算评估中心（CSBA）”的高级职员布莱恩·克拉克（Bryan Clark）提出：美国海军应将用于防御性防空战的32MJ电磁轨道炮整合到能够同航母突击群（CSG）或两栖作战小组（ARG）一起部署的舰船上，这些舰船具有足够的重量和空间余量用于安装电磁轨道炮和相关的发电和冷却系统。理想的情况是电磁轨道炮将装备在新的大型水面战舰上以提供防御性防空战和远程面对空的火力，但这种情况直到21世纪30年代才有可能实现，十年后的电磁轨道炮很可能会准备就绪进入舰队。在21世纪20年代，如联合高速船（JHSV）或濒海战舰（LCS）等舰船可能通过增加舰载额外的电源和冷却能力来装备32MJ的电磁轨道炮。这将使得防御性防空作战成为那些特定舰船的主要任务，而该舰船将被重新分配到与大型水面战舰一起行动，以保护航母突击群（CSG）或两栖作战组（ARG）。
大于32MJ的电磁轨道炮，虽不是防御性防空战所需要的，但它是一种有效的对面攻击的武器。朱姆沃尔特级（Zumwalt-class）驱逐舰（DDG-1000）将是对面攻击电磁轨道炮的好平台。DDG-1000用于全舰系统的电力，包括推进系统，共78.6MW。64MJ电磁轨道炮专门用于对地攻击，它将需要约50～60MW电力用于持续射击。这将能在对地巡航导弹的二分之一到三分之一的射程内实施精确打击，但具有更大的威力并以更高的概率抢先于敌人的防御，这是由于电磁轨道炮的弹丸小，而且以高超声速抵达。这种整合工作也为将在21世纪30年代海军的下一艘大型水面战舰上整合电磁轨道炮提供了一个宝贵的起点。可见，美国的电磁轨道炮研究工作重点首先考虑应用于军舰上。
但是电磁轨道炮至少在目前来讲离科幻电影描述的那样还差很远。轨道炮的弹丸特点是体积小、速度快、耐高温、硬度高等，但它不可能像导弹那样安装完善的寻的导引系统，何况在弹丸中即使能安装导引设备，它也经受不起高温、超大加速度及超强电磁场的考验。因此在拦截远距离高速飞行的弹道导弹和反舰巡航导弹时或用来攻击敌方的军舰等机动目标时，因其飞行弹道得不到及时修正，其命中精度就要大大降低。所以，对于远距离目标而言，电磁轨道炮适用于打击固定目标。正因为电磁轨道炮的弹丸不能自行跟踪目标，而且是靠直接碰撞的动能摧毁目标，它就适合于在较近的范围内（如小于30海里）拦截导弹，而且要求发射系统对目标的瞄准非常精确，才有可能直接命中目标。但是舰载电磁轨道炮也不适合在很近的距离上用作拦截反舰导弹的末端防御系统。因为这种用途要求发射系统有相当高的重复发射率，目前由于导轨发热及电源充电等因素限制了弹丸的重复发射率每分钟只能达到6～10发，这同每分钟能达到数千发的高速密集阵火炮相比，这个发射率不可能形成弹幕来击落反舰导弹。所以电磁轨道炮很难在舰艇上取代密集阵火炮用作末端防御系统。
美国宣称，研发电磁轨道炮是为了遏制中国和俄罗斯，美国计划用这种武器来保障波罗的海国家安全，并在南海保护盟友防御中国。但俄专家却对这种说法持怀疑态度，认为电磁轨道炮存在许多缺点，离成功还很遥远，这只是美国的心理战。
美国海军专家是在10多年前开始研制这种电磁轨道炮的，为此耗费了超过5亿美元。但俄专家认为，这种武器不会很快投入使用，至少还需要10年；而要将其装备到军舰上，至少还需要花费8亿美元。俄罗斯“地缘政治问题科学院”院长康斯坦丁·西夫科夫表示，电磁轨道炮并不是终极武器，并非无法对抗。首先其强大的电磁场容易暴露这种电磁轨道炮的位置；另外，它需要巨大的电力供应。而不应忽视的一个事实是，俄罗斯拥有生产和发射远距离重型常规弹头的能力，从而可以摧毁这种电磁轨道炮。西夫科夫认为，美国为其海军开发的电磁轨道炮目前的形态并不太适合在战斗中使用。它过于笨重，在实战运用中的作用十分有限。莫斯科国立大学国际政治系副教授费年科认为，美国研制的所谓保护波罗的海国家免遭俄罗斯攻击的电磁轨道炮，不会影响世界力量平衡。美国在上世纪50年代就开始在战术核武器计划框架下研发该类武器，这种新武器是已经被遗忘的老武器。几门电磁轨道炮不会真正造成力量失衡，只能作为心理战的工具。
综上所述，电磁轨道炮是一种很有发展前途的高速动能杀伤武器，但还有很多技术问题尚待进一步解决，因而若要将其应用于军事上，则还有相当多的研究与试验工作要开展。
电磁轨道炮除了将来可能在军事上应用外，它也可能用作航天运载器。据俄罗斯卫星网2016年7月13日报道称：轨道炮是利用电力和磁场使物体达到超高速的特殊装置，被视作研制新武器系统和航天运载器的基础。俄罗斯工程师研制的电磁轨道炮加速器在俄罗斯科学院高温联合研究所最近进行了首次测试，它能使电磁轨道炮中的弹丸加速到11km/s。这样的速度已超过第一宇宙速度，足以克服地球引力进入轨道，但距离进入太空还差一点。
据俄罗斯科学院院长弗拉基米尔•福尔托夫称，“我们的任务是借助这一系统对宇宙进行探索，保护地球免遭高速太空物体，例如太空垃圾和彗星的撞击。再就是利用这一技术将卫星送入绕地轨道。”
可见，这种装置将成为研发新型武器系统和将货物送入太空轨道的基础。美国一直在研制电磁轨道炮，并准备配备到新一代驱逐舰上。而俄科学家研究的重点是应用在航天领域。