美国电磁轨道炮技术的发展特点 | 阻碍电磁轨道炮进一步发展的两大问题
本文由现代军事（ID:xiandaijunshi）授权转载，作者：周伟等
电磁轨道炮技术是美国在“第三次抵消战略”下重点开发的关键性、颠覆性和前沿性武器系统技术,但实际上美国最早于20世纪10年代就开始进行相关研究,20世纪90年代以后逐步渐入佳境,21世纪初以来从概念研究进入到原型开发阶段。目前,BAE系统公司和通用原子公司分别牵头实施海基和陆基型号研制项目,实战型电磁轨道炮最早将于2020年左右列装。在2017财年,美国海军为电磁轨道炮、超高速射弹和固体激光器项目共提出了30亿美元的预算申请。在电磁轨道炮技术发展过程中,美国采取了多种措施,不断推进技术成熟度和实战化水平的演进。总的来看,其发展主要呈现以下特点:
▲在陆基电磁轨道炮项目方面，目前以通用原子公司炮口动能3兆焦的“闪电”（Blitzer）电磁轨道炮为主
螺旋式开发、渐进式研制,快速而低成本地推动形成新型作战能力
基于现行军事战略,有计划、分步骤、有重点地推进项目实施
无论是美国21世纪初正式启动电磁轨道炮项目之时的“由海向陆”的海军战略,还是目前的“第三次抵消战略”或“分布式杀伤”作战理论,都是美国指导其电磁轨道炮发展的依据,而其电磁轨道炮的各项研发工作都紧贴这些军事战略和作战理论的需求,例如为美军提供创新性、颠覆性的火力支援、防空反导能力等。同时美国遵循武器装备发展的规律和流程,制订了较详尽的开发计划。作为美国“海军创新原型”(INP)计划下的重点项目,美国海军从一开始就将电磁轨道炮项目分2个阶段实施。第一阶段工作跨越2005年至2012年,目前已告完成;第二阶段工作从2013年开始,至今仍在持续进行。对于每个阶段,都有相应的开发重点,例如第一阶段的重点之一是解决基本的发射技术,第二阶段则侧重于解决连续发射技术。
相关分系统的开发也是如此。2013年9月,美国海军研究局与BAE系统公司签订电磁轨道炮高速弹丸第一阶段研制合同。此弹丸的研制将分3个阶段完成:第一阶段(2013年9月-2014年5月),开展折衷研究和概念设计,缩小模块化和通用性方面的概念设计范围;第二阶段(2014年5月-2015年4月),开展初步设计和详细设计工作;第三阶段(2015年5月-2017年4月),完成最后研制工作,包括生产、测试和试飞弹丸。美国通用原子公司也为陆基型“闪电”电磁轨道炮超高速射弹的开发制订和实施了一系列计划,逐步推进风险降低和技术成熟化工作。2015年12月,成功进行超高速射弹制导与控制系统测试,实现了正常发射和机动飞行,其弹载通信组件也运行正常;2016年3月7-9日,再次成功进行类似试验,验证了超高速射弹的通信组件性能。按照计划,通用原子公司将在2016年末至2017年初进行一系列演示试验,演示超高速射弹及其组件的全部功能。
基于现有技术条件,按照“先试验、后实战”的原则选择武器平台
由于电磁轨道炮使用电磁力发射弹丸,而非依靠传统的化学能驱动,因此对其作战平台的电能需求十分突出。美海军的轨道炮原型安装有100兆焦脉冲功率的电容器,由一个25兆瓦的发电站为其充电。电容器可在0.01秒内将存储电荷输送至电磁轨道炮,瞬间将弹体加速至马赫数6。美海军的目标是每分钟发射10发弹丸,因此电容器需每6秒充电一次。目前美海军现役作战舰艇几乎均不能满足电磁轨道炮的电容需求,仅有在研的DDG1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰符合要求。该级驱逐舰拥有78兆瓦综合发电系统,但到20世纪20年代中期才能部署。为此,美海军选择暂时利用非作战舰艇作为电磁轨道炮的试验平台,以获取电磁轨道炮与其作战平台的集成与使用经验。
2014年7月11日,美国海军研究局完成将2套电磁轨道炮原型机安装到“米利诺基特”号“联合高速船”(JHSV)上的工作。原定2016年进行电磁轨道炮发射试验,但目前已推迟。2016年2月初,美国海军与亨廷顿·英格尔斯公司研究在LPD-17“圣安东尼奥”两栖船坞运输舰上安装新型雷达、电磁轨道炮和激光武器等,以便将其改建成导弹防御舰。如果得以实现,它将是美国海军自二战以来最大的水面战斗舰。“圣安东尼奥”舰与“联合高速船”的共同点是,拥有巨大的内部空间、良好的稳定性和任务灵活性,可在不对船体设计进行大改的前提下,容纳电磁轨道炮及其发电和冷却设备。
另外,美海军也考虑在技术条件允许的情况下,在其他作战舰艇上安装电磁轨道炮。2014年12月下旬,美海军表示,鉴于激光武器和电磁轨道炮这两种新型武器可能带来的显著优势,正在考虑在现役62艘“阿利·伯克”级驱逐舰的一系列技术升级计划中,为其配备这2种新型武器系统。
基于先期开发成果,提升现有武器系统性能水平
经过多年的开发,美国电磁轨道炮项目取得了大量技术成果,例如高速弹丸技术。为了在“第三次抵消战略”的引领下,利用现成或趋于成熟的技术,快速低成本地形成颠覆性能力,美国计划先将部分成果用于现役武器装备,同时继续进行关键技术攻关和演示验证。这种做法既能基于现有火炮快速形成作战能力(如低成本反导能力),又能为未来电磁轨道炮的实用化奠定基础。
2012年2月,美海军启动“超高速射弹”(HVP)项目,旨在研发一种可同时兼容电磁轨道炮和传统火炮的下一代通用化、低风阻、模块化多任务制导炮弹,并要求其技术性能提升而总成本降低。2016年1月中旬,HVP的研制方BAE公司表示,HVP可由电磁轨道炮及传统舰炮(如Mk.45舰炮)发射。二者的射程均可达约96千米,是之前舰炮射程的4倍;均采用“惯性制导+GPS制导”方式,命中精度(CEP)为几码,还可在飞行中重新定位目标,同时可实现低成本。美国海军现役“战斧”对陆攻击巡航导弹每枚价格约160万美元,而HVP每发价格可能仅为其价格的2%～3%。2016年2月中旬和7月13日,美海军海上系统司令部、美国国防部战略能力办公室先后表示,正在研究如何将用于电磁轨道炮的HVP应用于5英寸舰炮或陆军“帕拉丁”自行榴弹炮等现有火炮系统。
2016年3月28日,美国国防部战略能力办公室表示,正在开发“超高速炮武器系统”(HGWS)项目。该系统是一种机动型点防御系统,使用为美海军电磁轨道炮研发的智能弹丸,可从美陆军和海军现役传统火炮中发射,具备导弹防御能力。这些火炮包括美陆军900部155毫米口径“帕拉丁”自行榴弹炮、美海军100部127毫米口径的Mk.45舰炮。
▲目前美海军现役作战舰艇几乎均不能满足电磁轨道炮的电容需求，仅有在研的DDG 1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰符合要求
通用化开发、多功能集成,协同推动形成整体作战能力
同步开发海基和陆基型号,促进互联互通互操作
作为一种新型“火炮”,电磁轨道炮在海上战场和陆地战场拥有类似的需求,具备了类似的技术可行性。因此,美国在开发电磁轨道炮时尽管以海上需求为主,但也兼顾了陆地需求。
在海基电磁轨道炮项目方面,主要由BAE公司负责,以在2020年前部署炮口动能32兆焦的电磁轨道炮为阶段性目标,以在2025年前部署炮口动能64兆焦的为最终目标;未来美陆军也可能采用BAE公司研制的陆基型号。
在陆基电磁轨道炮项目方面,目前以通用原子公司炮口动能3兆焦的“闪电”(Blitzer)电磁轨道炮为主。在2013年10月21日-23日举行的2013年美国陆军协会年会上,美国通用原子公司首次披露其研制的陆基型“闪电”电磁轨道炮。这是该公司多任务电磁轨道炮武器系统的试验型号,整个系统包括发射器、高密度电容驱动脉冲电源、武器火控系统等,射程80千米,既可提供反炮兵火力,又可执行防空任务,也具备一定的近程弹道导弹防御能力。整个系统可由3辆拖车式卡车运载,其中2辆卡车运载电源(每辆卡车配备2组发电机和一组为电容器供电的蓄电池),1辆卡车用于携载“闪电”电磁轨道炮、弹药箱和目标定位雷达;3辆车可由4架次C-17运输机空运部署。2015年6月9日～10日,美通用原子公司完成了4次的电磁轨道炮炮弹性能测试,也还完成了“闪电”电磁轨道炮的第100次成功发射。
在海陆通用电磁轨道炮技术方面,2014年4月中旬,美海军官员称,海军和陆军正在联合研制用于地面作战的电磁轨道炮。该项目的主管、陆军上尉马歇尔•齐夫透露,“军方正在尝试开发一个系统模块,使得电磁轨道炮能同时适用于陆基和海基。陆基型电磁轨道炮类似一种前端操作平台,它的脉冲电源箱位置一旦确定,加速起点和炮弹初始能量也就确定了。……它是未来的发展方向之一。”2016年6月下旬,美国陆军司令马克·米雷将军称,计划将电磁轨道炮和激光武器部署在坦克等地面平台,目前美国陆军正在探讨相关性能指标。另外,开发中的HVP采用模块化设计,弹体通过配置不同弹托,以方便由电磁轨道炮以及现役不同口径的海军和陆军火炮发射。
强调攻防兼备,胜任多种任务
鉴于电磁轨道炮具有速度快、射程远、威力大、精度高、效费比高等优良的特性,美国希望其能执行对陆对海攻击、防空反导等多种使命任务。为实现这一目标,美国不仅要求将电磁轨道炮自身用于反导,也要求将其关键技术,如“超高速射弹”(HVP),通过普通火炮系统用于反导。按照美国海军的计划,多任务电磁轨道炮系统原型将于2025年前具备实战能力,可探测、追踪并拦截或打击弹道导弹等空中目标和水面舰船,应至少具备一项以下能力:能在较大范围追踪低雷达反射截面的隐身目标;电子扫描覆盖(视场)的方位角和仰角应大于90°;能追踪并拦截大气层内的弹道导弹目标;能抑制环境杂波(天气、水面、生物);能进行防空反导和水面作战;能同时追踪敌方和己方发射的超声速弹药。2014年12月22日,美国海军海上系统司令部披露,美国防部计划使用电磁轨道炮防御弹道导弹、超声速导弹等威胁。2015年3月,为了降低美军导弹防御成本,美国国防部副部长罗伯特·沃克首次提出“突袭消除器”(Raid Breaker)概念;2015年7月上旬,沃克再次提出,当前“导弹拦截导弹”的方法是不可持续的,无法持续购买足够数量的拦截弹来拦截一切威胁;美国防部“第三次抵消战略”的一个关键目标是,必须找到挫败大规模(100枚)弹道导弹和巡航导弹齐射的“突袭消除器”。那些具备“突袭消除器”能力的导弹防御系统,必须成为“导弹拦截导弹”方法的替代方案,提供低成本的单次发射、更大载弹量、高速打击和精确瞄准。而电磁轨道炮系统正是这样一种替代方案。2016年9月15日,沃克表示,“超高速火炮系统”(HGWS)项目相关技术可用于155毫米榴弹炮、127毫米舰炮,能拦截95%～98%的来袭弹道导弹和巡航导弹齐射,“扭转美国在‘反介入/拒止’环境下的不利形势”。
▲2016年4月20日，美海军水面作战中心达尔格伦分部宣布，已授予电池设计制造商帅福得美国有限公司（Saft America Inc.）一项合同，为电磁轨道炮开发非传播能量储存模块
以体系化开发为核心,采用多种采办策略,稳步推动形成实战化能力
竞争性采办与融合式采办相结合
在实施电磁轨道炮项目时,美国采用两大主承包商相互竞争的策略。在整个第一阶段,BAE系统公司与通用原子公司进行平行的系统开发工作。当第一阶段即将结束时,2大主承包商交付炮口动能均为32兆焦的电磁轨道炮样机,但美国海军经评估后认为通用原子公司的样机存在体积偏大等缺陷,于是选择BAE公司作第2阶段的主承包商。不仅在电磁轨道炮主系统的研制上,而且在相关分系统的研制上,美国也采取了多家承包商竞争的模式。例如,为了开发大容量电源等分系统,美国海军分别与3家以上承包商进行合作。2012年1月,美国海军海上系统司令部向雷声公司等3家公司授出价值1000万美元的初始合同,开发电磁轨道炮大功率电源系统“脉冲形成网络”(PFN);2016年5月23日,雷声公司称已开始向美国海军交付电源脉冲集装箱(PPC),用于靶场集成测试。2014年7月2日,美国海军海上系统司令部授予K2能源公司8100万美元合同,用于在2016年12月之前完成开发一种基于磷酸锂铁电池的、独立自容式电池储能量存储系统,为电磁轨道炮用的大规模电容器组供充电。2016年4月20日,美海军水面作战中心达尔格伦分部宣布,已授予电池设计制造商帅福得美国有限公司(Saft America Inc.)一项合同,为电磁轨道炮开发非传播能量储存模块。
另一方面,在以同一个主承包商为核心的开发团队里,美国强调主承包商与各分承包商密切配合,形成一个开发整体,以提高开发和采办效率。例如,2006年6月,美国海军研究局在与BAE系统公司、通用原子公司这2大主承包商签订电磁轨道炮项目的第一阶段合同的同时,也要求通用原子公司与BAE系统公司联合开展“舰载电磁轨道炮的战术应用研究”,主要研究电磁轨道炮的轻量化方案;与波音公司和德瑞普实验室(Draper Laboratory)联合研究可耐受50千克加速度、具有导航与制导能力的弹丸组件技术等电磁炮专用技术。
基础技术研究与工程技术研究相结合
由于电磁轨道炮是一种新概念武器,也是一种旨在“改变作战规则”的颠覆性武器,创新性很强,没有可供参考的案例,为确保研制成功,美国采取了基础性技术研究与工程技术研究相结合的方针。在海基电磁轨道炮项目方面,BAE系统公司和通用原子公司在项目第一阶段率领各自的团队进行样机的工程技术研发与演示验证工作;在项目的第二阶段,则由BAE系统公司率领的一个团队进行相关工作。在陆基电磁轨道炮项目方面,通用原子公司除了继续参与海基项目的分系统工作外,主要专注于“闪电”电磁轨道炮的工程研制工作,包括大量的演示验证。例如,2016年4月,在美国陆军机动与火力综合实验期间,通用原子公司成功对“闪电”电磁轨道炮系统进行了演示,并在演示中发射了11发超高速射弹,其射程再创新高,同时检验了该系统的机动作战能力。
另一方面,美国建立了专门的研发团队同步、甚至更早地进行风险降低与技术支撑工作,不断提升项目相关技术的成熟度。在“海军创新原型”(INP)计划下的电磁轨道炮项目实施之前,2003年美海军研究实验室(NRL)即开始实施用于演示验证的电磁轨道炮项目。2011年10月,NRL实现大口径电磁轨道炮样机的1000次发射试验,达到关键里程碑;2014年3月7日,NRL“轨道炮材料测试中心”(RMTF)建成并首次试射一台新型小口径(25.4毫米)电磁轨道炮。“这台‘小型轨道炮’将作为小口径系统的试验平台,以满足陆基和海基平台的电力需求。”该中心重点解决电磁轨道炮的材料问题,而NRL等离子物理分部就脉冲电源、材料加工、非线性动力学等开展了一系列研究。这些研究有力地支撑了目前的电磁轨道炮工程开发。
▲2016 年3 月28 日，美国国防部战略能力办公室表示，正在开发“超高速炮武器系统”（HGWS）项目。这些火炮包括美陆军900 部155 毫米口径“帕拉丁”自行榴弹炮、美海军100 部127 毫米口径的Mk.45 舰炮
结语
尽管美国电磁轨道炮技术开发水平处于世界前列,但与传统火炮相比,该技术本身的发展仍不成熟,主要体现在其小型化、机动性、可靠性等性能指标均不能满足实战要求,而且面临资金投入大、研发周期长、工程风险性高等困难。此外,电磁轨道炮技术的研发还受美国政治、经济因素的干扰而放缓甚至停滞。因此,美国电磁轨道炮技术的开发是一个动态调整的过程,不同发展阶段将具备不同的特点。
两大问题阻碍电磁轨道炮的进一步发展
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作者：汪文俊
美国《国家利益》网站刊文称,美国海军电磁轨道炮武器系统的未来开发将面临两方面的阻碍或挑战。首先是武器系统海上发射所需的巨大电力需求;其次是性能验证工作,即验证其性能优于海军现有的武器系统。
▲巨大的电力需求是美海军电磁轨道炮发展的一大挑战
如何解决电力需求问题
电磁轨道炮使用电磁力发射弹体,美海军的电磁轨道炮原型系统拥有100兆焦的电容器,由一个25兆瓦的发电系统为其充电。该电容器可在0.01秒内将脉冲电流输送到电磁轨道炮,瞬间将弹丸加速至马赫数6。如果要实现海军每分钟发射10发炮弹的目标,其电容器需要每6秒充电1次。
目前,很少有美军战舰能满足电磁轨道炮的电容需求。发电能力最强的“朱姆沃尔特”级驱逐舰拥有78兆瓦的综合发电系统,可为推进器和舰载电子系统动态分配电力,当速度达到20节时,将占用58兆瓦储备电力。相比之下,“阿利·伯克”级驱逐舰只有7.5兆瓦电力可供舰载电子系统之用。美国海军原来有几艘核动力巡洋舰,在上世纪90年代已经退出服役。也许未来有新型核动力战舰可搭载数门电磁轨道炮,但是在海军申请到所需资金之前,必须要证明这种武器值得投资。
▲装配在美海军“米利诺基特”号联合高速船上的电磁轨道炮原型
是否能验证其性能优势
电磁轨道炮有3个主要用处,首先是海上火力支援,也就是为登陆作战提供炮火支援。“朱姆沃尔特”级驱逐舰155毫米先进火炮系统(AGS)也为登陆作战进行了优化,使用了火箭助推远程对地攻击弹(LRLAP)。虽然LRLAP的成本几乎是电磁轨道炮超高速射弹(HVP)的10倍,但射程不及轨道炮。HVP还可以从巡洋舰和驱逐舰的舰载先进火炮系统及127毫米舰炮上发射。
HVP是重10千克的动能炮弹,依靠冲击速度对目标造成损毁。“战斧”对陆攻击巡航导弹可搭载450千克的高爆弹头,射程近1500千米,每枚耗资110万美元。同时,海军新一代远程反舰巡航导弹(LRASM)的隐身能力高于“战斧”导弹,搭载了船体侵彻弹头,射程近900千米。
电磁轨道炮的第二个作用是充当反舰武器,但是用途不大。电磁轨道炮只有在具备击中移动目标能力时才能充当反舰武器,而且HVP要有足够的动能才能对舰船造成实际损毁。相比之下,远程反舰巡航导弹足以消灭大多数类型目标。
另外,美海军还希望利用电磁轨道炮拦截反舰导弹。海军的“标准-2”和“标准-6”导弹能够拦截反舰巡航导弹,“标准-3”和“标准-6”导弹能够拦截弹道导弹。而且,升级版“海麻雀”导弹(ESSM)可以在50千米范围内防御导弹和战机攻击,“密集阵”近战多管炮可当作最后的近程武器使用,未来还有望增添激光武器。
电磁轨道炮的第3个作用,是充当中间层防空反导武器使用。“超高速炮武器系统”项目正在调查其能否在127毫米火炮上使用HVP对导弹进行拦截。
电磁轨道炮技术还可用于其他目的。例如,电磁发射系统可以按相同的原理安装在下一代航母上,或者可以将HVP的速度与导弹的射程和精准度相结合。
相比导弹而言,电磁轨道炮的电力需求和单一的功能使其难以集成到现有的战舰上。如果经过进一步发展,电磁轨道炮在性能上超过了现有武器系统,海军可能会加速电磁轨道炮的集成与应用。但是从目前看,达到这一目标还需很长时间。
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