搜索中國電磁大炮一炮可以打掉一顆衛(wèi)星
2016-11-30 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
1組成結構
電磁炮利用電磁力(洛侖茲力)沿導軌發(fā)射炮彈的武器。它主要由能源、加速器、開關三部分組成。能源通常采用可蓄存10~100兆焦耳能量的裝置。當前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發(fā)電機,其中單極發(fā)電機是最有前途的能源。[1]
加速器是把電磁能量轉換成炮彈動能,使炮彈達到高速的裝置。主要有:使用低壓直流單極發(fā)電機供電的軌道炮加速器和離散或連續(xù)線圈結構的同軸同步加速器兩大類。開關是接通能源和加速器的裝置,能在幾毫秒之內把兆安級電流引進加速器中,其中的一種是由兩根銅軌和一個可在其中滑動的滑塊組成。[1]
2發(fā)展沿革
發(fā)現原理
電磁炮原理示意圖
19世紀,英國科學家法拉第發(fā)現了法拉第電磁感應定律,該定律表明磁場中的電荷和電流會受到洛侖茲力的作用,即位于磁場中的導線在通電時會受到一個力的推動,同時,如果讓導線在磁場中作切割磁力線的運動,導線上也會產生電流。
20世紀初,有人提出利用洛侖茲力發(fā)射炮彈的設想。在兩次世界大戰(zhàn)中,法國、德國和日本都曾研究過電磁炮。第二次世界大戰(zhàn)以后,其他國家也進行過這方面的研究。
實驗應用
1845年,查爾斯·惠斯通制作出了世界第一臺磁阻直流電動機,并用它把金屬棒拋射到20米遠。此后,德國數學家柯比又提出了用電磁推進方法制造"電氣炮"的設想。
第一個正式提出電磁發(fā)射/電磁炮概念并進行試驗的是挪威奧斯陸大學物理學教授伯克蘭。他在1901年獲得了"電火炮"專利。1920年,法國的福瓊·維萊普勒發(fā)表了《電氣火炮》文章。幾乎同時,美國費城的電炮公司研制了用于火炮的電磁加速器。二戰(zhàn)期間,在軍事需求的刺激下,德國、日本都研制過電磁炮。德國的漢斯萊曾將10克彈丸用電磁炮加速到1.2公里/秒的初速。
用電磁炮發(fā)射宇宙飛船的設想圖
20世紀70年代初,澳大利亞國立大學建造了第一臺電磁發(fā)射裝置,將 3克重的塑料塊(炮彈)加速到6000米/秒的速度。此后,澳、美科學家制造了不同類型的實驗樣機,并進行過多次發(fā)射實驗。用單極發(fā)電機供電的電磁炮,已能把318克重的炮彈加速到4200米/秒的速度。磁通壓縮型電磁炮已能將 2克重的炮彈加速到11000米/秒的速度。
20世紀70年代,澳大利亞國立大學的查里德·馬歇爾博士運用新技術,把3克彈丸加速到了5.9公里/秒。這一成就從實驗上證明了用電磁力把物體推進到超高速度是可行的。1978年公布實驗情況后,引起了各國軍方的特別關注,美國國防委員會得出"未來高性能武器必然以電能為基礎"的結論。美國防部成立了"電磁炮聯合委員會",協調軍隊、能源部、國防原子能局及戰(zhàn)略防御倡議機構分散進行的電炮研究工作。
1980年,美國西屋公司為“星球大戰(zhàn)”建造的實驗電磁炮把質量為300克的炮彈加速到了每秒約4千米,而在真空中,這個速度還可提高到每秒8~10千米。
1992年,美國已把一門口徑90毫米、炮口動能9兆焦的電磁炮樣炮推到尤馬靶場進行試驗。電磁炮從實驗室到靶場說明,電源小型化技術已有所突破。
高速發(fā)展:美國
電磁炮曾是冷戰(zhàn)時代美國“星球大戰(zhàn)”軍備計劃的重點項目,被視為對抗核彈的秘密武器。美國海軍于2005年重新啟動電磁炮研究,截止2010年投放2.11億美元。
2010年12月6日,美國通用原子公司公司宣布,該公司研制的Blitzer防空型電磁軌道炮的樣炮已經于9月在美國陸軍杜格威試驗場成功試射了空氣動力學彈丸。該次試驗是根據與海軍研究辦公室簽訂的合同進行的,成功演示了具有戰(zhàn)術價值的電磁導軌發(fā)射裝置、脈沖電源系統和彈丸的集成和能力。試驗中使用的彈丸由波音公司研制,飛行速度達到5馬赫,飛行加速度達到60000g,試驗還演示了電樞分離和穩(wěn)定飛行。
2010年12月12日,美國研發(fā)電磁軌道炮在海軍試射中,將電磁炮以音速5倍的極速,擊向200公里外目標,射程為海軍常規(guī)武器的10倍。美軍目標在8年內進行海上實測,并于2025年前正式配備于軍艦上。 該實驗在弗吉尼亞州達爾格倫水面作戰(zhàn)中心進行,先后兩次試射電磁炮。電磁炮主要由兩條軌道組成,炮身裝在拖車大小的長方形槍管,軌道中間放著鋁制20磅炮彈。電磁炮接上電源后,電流會通過兩條軌道,從而生成強大推力,將鋁彈以高速彈射。
美國試射電磁炮
兩次試射所生成的能量,分別達33兆和32兆焦耳,打破于2008年創(chuàng)下的10兆焦耳紀錄。1兆焦耳能量相當于1噸重汽車以時速160公里行駛。
除威力外,33兆焦耳下發(fā)射的炮彈射程較現時常規(guī)武器遠10倍,亦是電磁炮一大優(yōu)勢。但美軍最終實戰(zhàn)配備目標是64兆焦耳級電磁炮,射程最遠可達321公里,可讓軍艦在敵艦射程范圍外發(fā)動攻擊。
海軍研究所所長卡爾表示,電磁炮優(yōu)點眾多,首先是射速快,不會像巡航導彈般出現目標移走或落空等問題,配合全球定位系統(GPS)更可進一步提高準繩度。此外,由于電磁炮毋須火藥,既可提升船員安全,亦可令軍艦攜帶炮彈數量增加10倍。
2014年1月15日,美國海軍研究實驗室負責人馬修·庫倫德少將介紹稱,該項目已經完成了第一階段(原型機研發(fā)階段),已經研制了2套工業(yè)電磁軌道炮系統原型,項目已經進入第二階段,海軍及工業(yè)部門將測試在一分鐘內進行多輪發(fā)射。庫倫德對即將在白沙靶場進行導軌炮8連射測試結果充滿信心。[2]
2014年4月10日,美國海軍表示將啟動電磁炮海上試射計劃,利用電磁可發(fā)射音速七倍的高速輕型炮彈。[3] 該型電磁炮已在地面展開廣泛試射,接下來將安裝在美國海軍快速艦“米利諾基特號”,并在2016年進行海上試射。[3]
美國海軍研究部主任克隆德海軍少將在一項軍方科技圓桌會議上透露,“這已是真實的,不是科幻小說,你可以親眼看它發(fā)射?！盵3] 克隆德將在華盛頓附近舉行的?？沼詈娇萍疾┯[會上表示電磁炮將協助加強美國的空防、巡航導彈防衛(wèi)及彈道導彈防衛(wèi),同時還具有成本低廉的優(yōu)點。[3]
美軍電磁炮
中國
2013年11月20日出版的《簡式防務周刊》報道稱,衛(wèi)星圖象顯示中國包頭市西北方的一個所謂裝甲設備與火炮測試中心,有兩門火炮,它們分別長約26米和33.5米,這兩門超級火炮各自被固定在混凝土基座上,這個混凝土基座曾與2010年9月至2012月12月期間現身,當時衛(wèi)星圖像首次捕捉到了這兩門火炮的身影。[4]
而最新的衛(wèi)星照片顯示,這兩門火炮2013年7月仍在原處。而在2011年拍攝的衛(wèi)星照相中,尺寸更大的那門所謂火炮前方,有一系列似乎是靶標的物體。報道猜測,這顯示該處正在對高速炮彈進行穿透力測試。[4]
中國工程院院士、海軍工程大學教授馬偉明領導的科研創(chuàng)新團隊再次獲獎:被授予國家科學技術進步獎創(chuàng)新團隊獎。而基本上所有的媒體都將這次目光集中到了電磁彈射器上,其實在電磁領域中國已經獲得重大突破。目光已經不僅僅局限于電子彈射器。中國目前還在試驗電磁大炮就是其中另一項很重要的研究。
據英國簡氏防務周刊報道衛(wèi)星圖像顯示,中國在西北的大漠一個裝甲設備和火炮的測試中心內,有兩門個頭巨大的火炮,分別長24米和33米。英國軍事專家分析相信這是中國解放軍正在西北大漠的測試新型超級火炮。該炮正在對高速的彈炮展開某種穿透力的測試,而中國軍方歷來對大口徑遠射程的火炮很有興趣。中國大經在70年代以反彈道導彈的項目成立了640反導工程,中國曾經展開過先鋒超級大炮的試驗。理論上超級大炮可以展開遠距離的攔阻射擊,也可以對目標展開準軌度衛(wèi)星的攻擊。
3性能特點
電磁炮結構
電磁軌道炮是一種遠程、高能、多任務的武器,其射速可達當前海軍的艦炮的3倍。其射程可達100英里(約161千米)以上,以艦船上儲存的電能為動力來源,利用電磁力(洛侖茲力)沿導軌將彈頭加速到很高的速度發(fā)射出去。美國海軍官員稱,這是一種不太昂貴、具有高殺傷力和遠程打擊能力的攻擊性武器。[2]
電磁軌道炮彈頭重23磅(約10.43千克),可以從電磁導軌上發(fā)射,也可從海軍127毫米甚至155毫米火炮系統發(fā)射。導軌炮采用指令制導,但在未來可能發(fā)展成自導式。[2]
除了在射程和毀傷力方面的優(yōu)勢,該炮還是一種相對廉價的海軍火炮項目,每枚炮彈成本約25000美元。[2]
由于電磁軌道炮是一種具有高能量的武器,因此發(fā)熱情況嚴重,需要有良好的冷卻技術支持。電磁軌道炮并不僅僅是一個炮彈發(fā)射裝置,而是由多個系統組成的。美國海軍正在對多個冷卻系統設計進行評估。[2]
(1)電磁推動力大,彈丸速度高。電磁發(fā)射的脈沖動力約為火炮發(fā)射力的10倍,所以用它發(fā)射的彈丸速度很高。一般火炮的射擊速度約為0.8千米/秒,步槍子彈的射擊速度為l千米/秒。而電磁炮可將3克重的彈丸加速到11千米/秒,將300克的彈丸加速到4千米/秒。有的專家甚至預言,將來的速度可達100千米/秒。速度對于天基反導彈系統來說尤為重要。因為攔截器速度越高,不僅攔截的效率高。而且可大大減少天基武器的數量。
(2)彈丸穩(wěn)定性好。電磁炮彈丸在炮管中受到的推力是電磁力, 這種力量是非常均勻的,而電磁推力容易控制,所以彈丸穩(wěn)定性好,這有利于提高命中精度。
(3)隱蔽性好。電磁炮在發(fā)射時不產生火焰和煙霧,也不產生沖擊波,所以作戰(zhàn)中比較隱蔽,不易被敵人發(fā)現。而且,它采用低級燃料作能源,而不是常規(guī)火藥,這有利于發(fā)射陣地的安全。
(4)彈丸發(fā)射能量可調。可根據目標性質和射稱大小可快速調節(jié)電磁力的大小,從而控制彈丸的發(fā)射能量。
(5) 比較經濟。與常規(guī)武器比較,火炮發(fā)射藥產生每焦耳能量需要10美元, 而電磁炮只需要0.1美元。如果與其他太空武器相比,電磁炮就更經濟了。
4主要問題
將電磁炮作為一種新型航天發(fā)射裝置,還需要解決以下幾個問題:首先,那臺實驗電磁炮的加速度太大,人無法承受。這個問題只有一個解決方法,那就是延長加速時間。然而這必須以采用更長的軌道為代價。由于人體只能承受大約3倍重力加速度的長時間加速,滿足人體耐受能力的電磁炮所需的軌道長度(經計算,為達到第一宇宙速度,約需1000千米)在技術上難以實現。
第二,如果把電磁炮水平安裝在地面上,飛出炮口后的炮彈仍然會在大氣阻力下很快減速,難以順利達到環(huán)繞地球軌道,為此,用于航天發(fā)射的電磁炮必須將出口設置在空氣稀薄的高山之巔。
電磁炮原理
第三,電磁炮能夠發(fā)射的炮彈質量仍然不大,這是加速能力不足造成的。加速炮彈的力與磁場和電流之積成正比,要獲得足夠強的加速磁場一般靠超導磁體。用超導線圈產生磁場已是相對成熟的技術,但超導磁體需要冷卻到很低溫度(如液氦溫度,約-269°C)才能發(fā)揮作用,這對于軍事應用是個問題,因為會大大降低發(fā)射裝置的靈活性,但作為固定使用的航天發(fā)射裝置,基本上可以不必考慮這些,而且如果高溫超導強磁體能夠研制成功,對低溫條件的要求也可放寬。
關于電磁炮的第四個技術問題和第三個相關,因為在磁場不夠強的情況下,要想提高加速能力就只能讓炮彈通過足夠大的電流。于是就產生了大電流發(fā)熱和炮身燒蝕等麻煩。幸好這些麻煩對于航天發(fā)射不太重要,因為作為武器的電磁炮得嚴格限制長度,而作為發(fā)射工具,幾千米甚至十幾千米的炮身并不算問題,只是對建設施工時的作業(yè)精度要求較高罷了。 此外,延長軌道也可使炮彈承受的加速度降低。經過計算,用5千米長的軌道使炮彈由靜止加速到第一宇宙速度,加速度是重力加速度的600倍,這已經比普通迫擊炮發(fā)射時的加速度還小了,可人顯然還是無法忍受,而長1000千米的加速軌道在地球上幾乎無法建造。
最后,建造公里級長度,配備強磁場的加速軌道不會有技術困難,實際上為數眾多的粒子加速器、對撞機等多半具有幾千米,甚至幾十千米長的加速和聚能環(huán)。而且它們除了對環(huán)道施工的精度要求極高外,各轉彎和控制點等處也均需要設置強磁場。在建造宇宙電磁炮的基本技術方面,人們早已充分掌握了。真正的困難是,從來沒誰把超級加速器放在高寒山區(qū),而且青藏高原的交通條件布便利。
至于電磁炮的發(fā)射成本,如果不考慮產生強磁場的低溫液體費用,僅僅是電和不可回收的炮彈殼體而已,日常維護成本也和同長度的高速地鐵相仿,可以開口處一小段配備專職掃雪人員,或加個活動蓋子就能解決。
5作戰(zhàn)用途
電磁炮作為發(fā)展中的高技術兵器,被世界各國海軍所相中,把它作為未來新式武器,其軍事用途十分廣泛:
(一)用于天基反導系統:電磁炮由于初速度極高,可用于摧毀空間的低軌道衛(wèi)星和導彈,還可以攔截由艦只和裝甲發(fā)射的導彈.因此,在美國的“星球大戰(zhàn)”計劃中,電磁軌道炮成為一項主要研究的任務。
(二)用于防空系統:由于電磁炮初速度高,射速也高。有美軍軍事專家認為可用電磁炮代替高射武器和防空導彈,執(zhí)行防空任務。如美國正在研制一種電磁炮,其發(fā)射速度為500發(fā)/分,射程達幾十千米的電磁炮,準備替代艦上的“密集陣防空系統”。用它不僅能打擊臨空的各種飛機,還能在遠距離攔截空對艦導彈.英國也正在積極研制用于裝甲車的防空電磁炮。
(三)用于反裝甲武器:美國的打靶試驗證明,電磁炮是對付坦克裝甲的有效手段。發(fā)射質量為50克、速度為3km/s的炮彈,是非常優(yōu)良的反裝甲武器。
(四)用于改裝常規(guī)火炮:隨著電磁發(fā)射技術的發(fā)展,在普通火炮的炮口加裝電磁加速系統,可大大提高火炮的射程。美國利用這一技術,已將火炮射程加大到150km。
(五)用于反坦克武器。由于電磁炮初速極高,所以,它的穿甲能力極強,能有效地穿過坦克裝甲,成為反坦克厲器。美國曾進行過電磁炮打靶試驗:電磁炮發(fā)射質量為50克、速度為3km/s的炮彈,可穿透25.4mm厚的裝甲。有關資料還報道,用一種電磁炮做試驗,完全可以穿透模擬的T-72、T-80坦克的裝甲厚度。由此可見,電磁炮具有很強的穿透能力,是非常優(yōu)良的反坦克武器。
(六)用于裝備炮兵部隊。電磁炮可望裝備炮兵部隊。美國海軍陸戰(zhàn)隊也對電磁炮感興趣。美國海軍陸戰(zhàn)隊經常在海外執(zhí)行作戰(zhàn)任務,需要電磁炮這樣的遠程快速打擊武器,對沿岸作戰(zhàn)的士兵進行火力支援。美國陸軍也在研發(fā)較小型的電磁炮用于陸戰(zhàn)。
(七)用于裝備海軍艦艇。由于電磁炮具有的特點,它有望替代火炮,成為新型艦炮,裝備海軍艦艇。美國海軍準備將電磁炮裝備美國艦艇,美國的軍事有專家認為,電磁炮有可能成為為未來美國海軍新式武器。所以,美國前海軍作戰(zhàn)部長拉夫黑德上將稱它為會帶來“海軍戰(zhàn)法的革命。
6最新進展
2015年,一段BAE系統公司為美國海軍所研制的電磁炮測試視頻在網絡上曝光。相比傳統的火炮,電磁炮在速度、精度以及打擊效果上都有著顯著優(yōu)勢。從測試畫面來看,BAE所研制的電磁炮射出的炮彈就如同一根大釘子,可以輕易擊穿水泥板、汽車,甚至是一次穿透8塊鋼板,威力驚人。[6]
7總體評價
盡管美國的國防預算難以避免被大幅削減的命運,但美國海軍最高指揮官對未來的武器項目充滿信心。[7]
美國海軍作戰(zhàn)部長格林納特上將在出席海軍聯盟2014年?？仗觳┯[會時表示,美海軍平臺應該要更好地適應其搭載的武器和任務系統。[7]
格林納特介紹,電磁導軌炮已經走出實驗室,正在進入工程測試階段。電磁導軌炮利用電能產生磁場,在此前的測試中,電磁導軌炮將一枚23磅(約合10.43千克)的彈丸推動到5600英里/小時(約合2.5千米/秒)的出膛速度。電磁導軌炮是一種動能武器,也就是說它不需要安裝爆炸物。[7]
美國海軍還正在推進為部署在阿拉伯海的巡邏艦艇裝備新型導彈系統測試進展順利。除電磁導軌炮之外,其它的一些新型艦載武器也處于研制當中。美海軍已經在近海戰(zhàn)斗艦(LCS)上裝備了“長弓地獄火”導彈,但這是權宜之策,美國海軍計劃在瀕海戰(zhàn)斗艦上裝備遠程導彈,從而提高這型艦艇的殺傷力。[7]
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