美軍電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展綜述

楊　藝

電磁炮是美國陸軍為滿足未來戰(zhàn)斗車輛更具殺傷力、更緊湊、具有更強(qiáng)生存能力和更小后勤負(fù)擔(dān)等需求而進(jìn)行研制的新概念武器。美國國防科學(xué)委員會曾預(yù)言：“未來的高性能武器，必然以電能為基礎(chǔ)。”美國陸軍、海軍和空軍每年都有大量的研究項(xiàng)目涉及到電磁發(fā)射的原理、材料、仿真、電源和應(yīng)用等技術(shù)，并取得了一系列研究成果。

美軍電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展近況

美軍電磁發(fā)射技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的探索，取得了豐碩的研究成果，大部分關(guān)鍵技術(shù)問題已經(jīng)得到解決。在超高速炮彈方面，設(shè)計(jì)完成了鎢制錐形彈，飛行速度達(dá)到3000米，秒，其探桿因強(qiáng)度更大而具有更強(qiáng)的穿甲能力。新型超高速炮彈的制造采用了低寄生阻力物質(zhì)，彈載制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制電子器件經(jīng)過了100千克過載的測試。在軌道炮管壽命方面，通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧舷顺咚倥傧鳎趯﹄姶排谶M(jìn)行新穎設(shè)計(jì)后，去除了超高速起弧轉(zhuǎn)捩，同時也避免了與絕緣體的接觸和破壞。目前正在進(jìn)行60發(fā)炮彈的軌道壽命發(fā)射試驗(yàn)。在發(fā)射征候方面，采用炮口偏轉(zhuǎn)器將炮口火焰減少了3個量級。在脈沖電磁能量方面，通過仿真驗(yàn)證的新型脈沖交流發(fā)電機(jī)技術(shù)已從電機(jī)研制中心移交給工業(yè)部門。

美國陸軍

美陸軍電磁炮項(xiàng)目的研究工作從五個方面展開，即脈沖電源，發(fā)射軌道，炮彈、全尺寸超高速殺傷力試驗(yàn)以及系統(tǒng)分析。該項(xiàng)目在2007和2008財(cái)年完成了以下工作(見表)。

美國海軍

2001年11月，美國海軍高技術(shù)研究所(IAT)召開研討會，討論遠(yuǎn)程艦載軌道炮的可行性問題，會議得出結(jié)論，艦載軌道炮的發(fā)展已不存在科學(xué)或技術(shù)障礙。通過參數(shù)分析和建模仿真得到的概念型艦載電磁炮系統(tǒng)可以取代155毫米先進(jìn)火炮系統(tǒng)。艦載電磁炮可以2500米，秒的速度發(fā)射20千克的彈丸，炮口動能為63兆焦，彈丸可在6分鐘達(dá)到200海里的最大射程，以馬赫數(shù)5的速度完成動能毀傷。

美國海軍電磁炮的脈沖電源由通用電子公司牽頭，德克薩斯大學(xué)機(jī)電中心和太陽神系統(tǒng)公司共同參與研制。2004年7月，美國海軍成功進(jìn)行了電磁炮的海上發(fā)射試驗(yàn)，演示驗(yàn)證了電磁發(fā)射器以超聲速發(fā)射炮彈的過程。試驗(yàn)用彈丸及彈托及由美國海軍地面戰(zhàn)中心設(shè)計(jì)制造，試驗(yàn)系統(tǒng)尺寸是未來實(shí)際尺寸的1／8。最終的電磁軌道炮系統(tǒng)將以2500米／秒的速度發(fā)射電磁炮彈，射程達(dá)370千米。此前的2004年2月，美國海軍進(jìn)行過電磁發(fā)射系統(tǒng)接口的功能演示，并確認(rèn)發(fā)射組件可承受發(fā)射過載，2004年3月進(jìn)行過自由飛行演示，確認(rèn)一體化發(fā)射裝置可在膛口處分離，最終彈丸可穩(wěn)定飛行。

2005年8月，基于可行性研究成果，美國海軍研究辦公室(0NP)與BAE系統(tǒng)公司簽訂了兩份合同，一是研制32兆焦的實(shí)驗(yàn)室用發(fā)射裝置，包括發(fā)射裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造和安裝。二是為海軍戰(zhàn)術(shù)軍艦制造電磁樣炮。實(shí)驗(yàn)室用樣炮主要用于研究并解決身管壽命問題，以完成特殊身管和炮彈的設(shè)計(jì)。艦用樣炮項(xiàng)目旨在尋求輕型化解決方案，使電磁炮可以安裝在武器平臺上。2008年1月31日，美國海軍在海軍水面作戰(zhàn)中心成功地進(jìn)行了電磁炮發(fā)射驗(yàn)，發(fā)射動能達(dá)到10.64兆焦，炮口初速為2520米／秒。

美軍電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展計(jì)劃

美國陸軍

根據(jù)美國陸軍財(cái)年計(jì)劃，2009年電磁發(fā)射技術(shù)將完成以下任務(wù)：

在脈沖電源方面，演示可以減小脈沖交流發(fā)電機(jī)體積和重量的先進(jìn)材料的性能，包括條帶、導(dǎo)體和開關(guān)。在炮彈方面，利用電磁炮進(jìn)行大口徑(能量大于5兆焦)動能和多用途彈的發(fā)射演示驗(yàn)證。在全尺寸超高速殺傷力試驗(yàn)方面，演示動能大于5兆焦的多功能戰(zhàn)斗部的殺傷力，并將該項(xiàng)目移交給陸軍軍械研究研制與工程中心。在系統(tǒng)分析方面，確定提高超高速命中概率的指導(dǎo)性和約束性參數(shù)。

另外，美國陸軍軍械研究研制與工程中心與柯帝斯·賴特公司簽訂了合同，要求建造可提供2～5兆焦炮口動能的電源。2007年5月，承研單位制造出第一臺脈沖交流發(fā)電機(jī)，計(jì)劃2008年完成交流發(fā)電機(jī)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該電源系統(tǒng)體積為1.9米，重7000千克。根據(jù)計(jì)劃，2010年后將研制出新一代脈；中交流發(fā)電機(jī)，可提供8～10兆焦的炮口動能，體積為1.5米，重4000千克。

美國防部先期研究計(jì)劃局(DARPA)要求得克薩斯高技術(shù)研究所對電磁發(fā)射所具有的遠(yuǎn)程精確打擊能力進(jìn)行評估，計(jì)劃將電磁炮用作非直瞄火力，射程預(yù)計(jì)為70千米，為常規(guī)炮彈射程的2--3倍。電磁炮發(fā)射的非直瞄動能彈將采用子母戰(zhàn)斗部，通過控制拋灑高度來控制彈著區(qū)域。戰(zhàn)斗部將采用惰性鎢制桿，設(shè)計(jì)方案有三種，分別是200克桿28個、3.2克桿1750個和0.8克桿7000個。

美國海軍

艦載電磁炮的發(fā)展將分為三個階段，第一階段完成時間為2011年。2005年8月，海軍研究辦公室啟動了創(chuàng)新型海軍樣機(jī)項(xiàng)目，旨在用4-8年時間完成技術(shù)的成熟化，并轉(zhuǎn)入全尺寸研究和研制階段。電磁炮研究重點(diǎn)放在四個方面：發(fā)射裝置、彈丸，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)以及與艦船的集成。

電磁炮INP項(xiàng)目又分為三個時間段，第一時間段計(jì)劃完成時間是2008年第三季度，實(shí)際上，該時間段的工作已于2008年初提前完成。主要是競爭性地研發(fā)先進(jìn)固定發(fā)射裝置技術(shù)，附帶進(jìn)行了一些彈丸的相關(guān)研究，2008年1月底進(jìn)行32兆焦發(fā)射裝置初始能力演示。第二時間段主要有兩項(xiàng)內(nèi)容，一是使一體化系統(tǒng)的演示達(dá)到5～6技術(shù)準(zhǔn)備級別，32兆焦發(fā)射裝置應(yīng)能發(fā)射多發(fā)炮彈，身管應(yīng)能承受排斥力，并能解決熱處理問題。二是在彈丸方面，主要研究彈丸的超高速制導(dǎo)飛行以及殺傷機(jī)理。波音公司和德雷珀實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行INP彈丸和一體化發(fā)射裝置(ILP)的概念研究，內(nèi)容包括ILP身管動力，飛行體和飛行熱力特性、殺傷力、以及制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制。如果項(xiàng)目進(jìn)展順利的話，2009年8月將進(jìn)入第三時間段，2010財(cái)年底使用32兆焦發(fā)射裝置進(jìn)行100發(fā)身管壽命演示和先進(jìn)固定結(jié)構(gòu)演示。

艦載電磁炮第二階段的工作將從2011年持續(xù)到2015財(cái)年，重點(diǎn)研究彈丸技術(shù)。如果工作順利，艦載電磁炮將于2015財(cái)年在海軍海上系統(tǒng)司令部的領(lǐng)導(dǎo)下，從科技領(lǐng)域轉(zhuǎn)入到全尺寸研究。

第三階段，將在201 6財(cái)年進(jìn)行64兆焦炮口能量戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的海上演示。最終，美國海軍艦載電磁炮將在2020年-2025年將形成初始作戰(zhàn)能力。

美軍電磁炮發(fā)展面臨的問題

美國陸軍

美國陸軍對電磁炮直瞄能力的研究已有10年多的時間，從2006年開始，陸軍又把研究領(lǐng)域擴(kuò)展到未來電磁炮的非直瞄潛能上。電磁炮是美國陸軍和海軍共同開發(fā)的項(xiàng)目，作為合作者，陸軍火力優(yōu)勢中心一直在利用其作戰(zhàn)建模能力來幫助海軍確定最適合電磁炮打擊的目標(biāo)類型和所需的殺傷力特性。陸軍對非直瞄電磁炮的

研究將借助于海軍的研究成果。陸軍火力優(yōu)勢中心希望陸軍在2008年底確定六個關(guān)鍵問題，這六個問題也被稱為“第一代作戰(zhàn)需求”。

首先，適合電磁炮攻擊的目標(biāo)是什么?陸軍火力優(yōu)勢中心能力開發(fā)與一體化委員會的資深技術(shù)顧問薩姆，L.卡夫曼說，我們沒有試圖告訴每個人電磁炮是萬能的。但我們的理念是，如果你擁有一種廉價、低后勤負(fù)擔(dān)的快速反應(yīng)系統(tǒng)，可以在更遠(yuǎn)的射程上，以更高的精度和更少的使用數(shù)量摧毀合適的目標(biāo)，那么這種系統(tǒng)就非常具有使用價值。目前雖然像制導(dǎo)火箭彈和陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)那樣的武器系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程精確打擊能力，但這種能力卻伴隨著極高的費(fèi)用和極大的后勤負(fù)擔(dān)。

第二個關(guān)鍵問題是確定電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的射程要求。這個問題在考慮需要多大脈沖電源時非常重要。當(dāng)前的目標(biāo)是20兆焦，是基于100千米射程的設(shè)想而定的，100千米是否就是正確選擇7也可能更遠(yuǎn)一些。

第三個問題是需要什么樣的殺傷力。除了進(jìn)行第一代戰(zhàn)斗部的創(chuàng)新設(shè)計(jì)外，電磁炮還將達(dá)到更高馬赫級的速度，因?yàn)殡姶排诳赏ㄟ^速度來獲得一部分殺傷力。

第四個問題是在機(jī)動性方面有何需求。目前存在一種可能性，就是為了滿足機(jī)動性的動力需求，需要在電磁炮旁邊配備一輛脈沖電源車，為20兆焦的發(fā)射提供足夠的能量。根據(jù)遠(yuǎn)期計(jì)劃，2018年電磁炮發(fā)射車和電源車將達(dá)到技術(shù)準(zhǔn)備級別(TRL)6級，車重40噸，能量為20兆焦。

第五個問題是系統(tǒng)的編制結(jié)構(gòu)和編配級別，這個問題與機(jī)動性和射程問題密切相關(guān)。

第六個問題是明確電磁炮是否具有后勤負(fù)擔(dān)。

美國海軍

艦載電磁炮走出試驗(yàn)階段還面臨很多技術(shù)和工程上的挑戰(zhàn)。

首先是炮管壽命問題。軌道在發(fā)射時承受的推力以及流經(jīng)軌道和電樞的電流都是造成磨損的因素，這點(diǎn)與傳統(tǒng)火炮彈丸和炮管的機(jī)械磨損相比是不同的。承研方認(rèn)為，保持無損高電流滑動接觸是一個技術(shù)難題。美海軍近期目標(biāo)是以2500米，秒的初速連續(xù)發(fā)射100發(fā)炮彈而不使身管受損。

第二個難題是解決軌道的分離。當(dāng)軌道炮發(fā)射炮彈時會在軌道周圍產(chǎn)生電磁場，使彈丸無須推進(jìn)劑就可以獲得很高的速度。電磁力在推進(jìn)彈丸的同時也在兩個軌道之間施加向外的推力，這種推力必須加以抑制，防止軌道分離。目前研究機(jī)構(gòu)正在檢驗(yàn)兩種軌道固定方法。一種是使用重型、疊層鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)固定軌道。32兆焦實(shí)驗(yàn)室發(fā)射裝置將采用這種固定方式。但是這種鋼結(jié)構(gòu)會使炮管重量過大無法滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。BAE系統(tǒng)公司正在探索使用先進(jìn)復(fù)合材料和其他輕型、堅(jiān)固材料固定軌道。

第三是電磁炮炮口和炮尾的處理問題。使用常規(guī)火炮時，火炮發(fā)射過程中推進(jìn)劑排泄的氣體在炮尾周圍產(chǎn)生壓力。使用電磁炮時，由于是電流推動彈丸，所以發(fā)射后炮口殘留的電流必須進(jìn)行處理。工程人員將重點(diǎn)研究電磁炮炮口。炮尾以及炮管供電、固定和安裝等問題。

第四是電源問題。海軍的備選方案有兩種：電容器和脈沖交流發(fā)電機(jī)。電容器是較為成熟的技術(shù)，但其體積和重量較大，所以目前正在研制小型系統(tǒng)。脈沖交流發(fā)電機(jī)目前正在由通用電子公司進(jìn)行研制，該發(fā)電機(jī)使用高速飛輪來產(chǎn)生幾兆瓦特的能量。

最后，電磁炮的炮彈和制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)能承受巨大的加速度。從電磁炮中發(fā)射的任何部件將承受35000-40000g的加速度，實(shí)用型武器的加速度將在50000g。這個數(shù)值是常規(guī)火炮炮彈承受的加速度的2倍。