电磁炮路在何方

2016-10-24 20:23:18 航空世界 2016年9期

向琼长+陈和彬

据《财经时报》网站报道,美军近日决定放弃电磁炮项目,五角大楼将再花费8亿美元,将电磁炮的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。2015年美国流行的军事科幻小说《幽灵舰队》中,“朱姆沃尔特”号用电磁炮把几百千米外对手航母打成两截的场景,看来永远无法成真了。

电磁炮又称电磁轨道炮,是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武。20世纪80年代以来,美、德、法等军事强国均将电磁炮作为一种杀手锏武器研究,其中美国研制电磁炮水平最高。

在研究水平“遥遥领先”的条件下,美军为何忽然做出此决定?电磁炮的难度究竟在哪里?其出路在何方?美军的决定,是否意味着电磁炮将从美军未来的装备蓝图中出局?

陆军:食之无肉的“鸡肋”项目

美国陆军在基础研究、应用研究和先进技术演示验证二类项目这三个领域中,均涉及了电磁炮的相关技术,并明确了以反坦克轻型车载电磁炮为研究重点,主要进行了脉冲电源、发射器、弹药和发射试验四个方面的研究论证。

从2008年开始,美国陆军对电磁炮项目的投入不断加大,其研究也取得了一些进展,但是总体而言,电磁炮对于美国陆军,仍然面临着极大的技术挑战。实际上,该项目正逐渐成为美国陆军的“鸡肋”项目。造成这一现象的主要原因在于,在现有技术条件下,电磁炮脉冲电源的“减负”(缩小体积和降低重量)目标难以完成,导致美国陆军以反坦克为研究初衷的车载式电磁炮项目,不具备技术可行性。因此,美国陆军决定终止对该项目的投资。在2012年,美国陆军减小了演示规模,并进行了一些终止合同的收尾工作。

海军:成果与风险并存

与美国陆军相比,海军的电磁炮研发速度较快。一方面,美国海军对电磁炮项目的投资力度较大, 2010年美国海军对电磁炮的投资是陆军电磁炮投资的5倍,到2011年这一差距进一步扩大到了10倍;另一方面,则因为舰载式电磁炮的开发难度比车载式轻型电磁炮小得多。

为了使电磁炮获得足够的电磁能来推射炮弹,电源必须在短时间内释放出非常高的电流。现有技术条件下设计出来的电磁炮脉冲电源体积巨大,只能够安装在海军舰船上,无法集成到轻型车辆平台上。因此,相比于美国陆军,美国海军对电磁炮的研发兴趣要大得多。

从2008年起,美国海军电磁炮先后进行了炮口动能小于16兆焦、等于16兆焦和32兆焦实验室用发射器的演示,并进行了发射器的寿命测试和舰船集成研究。2009年完成了样炮的中期评估,制造并组装了电磁发射设备所需的脉冲电源模块。2010年,美国海军启动了该项目阶段的终期评估,并开始设计新一代的脉冲电源。

美国海军电磁炮项目于2010年12月10日取得了重大突破,从一门试验型电磁炮发射了一枚矩形钢制炮弹,创造了炮口动能33兆焦的世界纪录,使炮弹射程至少能达到204千米。该试验完成后,美国海军还进行了一次动能32兆焦的试验发射,将重10.4千克的试验弹以2500米/秒的初速射出。美国海军还在防空用途的电磁炮方面展开研究。通用原子公司研制的“闪击者”电磁炮防空系统于2009年10月进行了首次多发弹发射试验,又于2010年9月成功发射具有良好气动特性的炮弹,炮口初速马赫数达到5,且弹丸飞行稳定。

2011年,美国海军完成了五项工作:一是发射器的材料、物理和热特性研究;二是炮口动能32兆焦的炮弹和发射器的研发;三是完成炮弹的杀伤威力研究;四是建模与仿真能力的开发;五是下一代脉冲电源的概念设计。

如果没有此次暂停令,按照计划,美国海军预计将于将开始地面演示,2019年开始上舰演示,为2020年后的实际装备奠定基础。根据项目进度要求,美国海军计划于2020年至2025年将电磁炮装备部队。

电磁炮的技术瓶颈

迄今为止,美国在电磁炮领域的研究不断取得新的成果,电磁炮“走向战场”看似离美军越来越近。然而,电磁炮虽然原理简单,但技术却复杂。现有电磁炮技术尚不成熟,其“实战化”仍有很长的路要走。

目前,电磁炮的“实战化”主要存在以下技术瓶颈:

需要更大容量的脉冲电源 从目前技术水平来说,发电机对脉冲电源的充电效率可达90%,但脉冲电源对炮口能量的转换效率则很低,一般还在10%~20%之间,远低于电磁轨道炮50%的理论转换效率,这便加大了对脉冲电源功率的要求。对于美国海军而言,除了装备综合电力系统舰以外,还没有哪种军舰能提供电磁炮所需的电能。在过去,驱逐舰上90%的能量都用于供给推进系统。以美国海军装备的64MJ电磁炮为例,即使脉冲电源对炮口能量的转换效率提高到25%,也需要脉冲电源具备256MJ的容量,这在当前来说是不小的挑战。

美国陆军曾于2004年启动了车载轻型电磁轨道炮演示项目,要求全车重不超过20吨。但是,由于对脉冲交流发电机关键技术发展状态估计不足,到2009年,电源样机重量和体积规模依然无法满足论证设计要求,最终导致美陆军工程样机演示计划搁浅。在2008财年,美国陆军使用轻型悬臂式电磁炮在电磁场环境中进行了发射试验,但是在试验中,脉冲电源产生了裂纹。

另外,电磁炮的电流回路需进一步优化设计,不仅要考虑导轨电枢接口,高速导轨和易被磨损的炮口处轨道,还要考虑到电枢、弹托以及固体电枢融化后对导轨的影响。尤其是电磁炮发射时,导轨部分会因为电弧放电受到更为强烈的烧蚀,需要在射弹出炮口前衰减电流,这又会使电流回路更加复杂化。

需要更耐高温和更高强度的导轨材料 电磁炮在发射过程中,按弹丸质量10千克、初速2500米/秒的要求,电磁炮发射回路产生的电流相当于强雷击峰值电流的25倍,同时,电枢与导轨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,这就要求制作电磁炮导轨的材料必须同时具备高导电性能和高强度抗摩擦和腐蚀。

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,没有同时满足要求的材料,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,但仍然无法完全满足武器化的要求,这已成为制约电磁炮实用化的首要难题。

烧蚀问题是电磁轨道炮在试验阶段屡屡碰壁的核心问题。为此,美国陆海军降低了对电磁轨道炮的速度要求,改用固体电枢减少了等离子体的生成,从而减少导轨的烧蚀。同时,针对高速摩擦和电磁斥力,需要提高导轨的强度和刚度,因而需要研制耐高温耐腐蚀的高强度新型材料。目前正在发展中的技术主要是炮口设计和炮口动能管理,其中炮口部分的设计主要是研究如何将来自电源的电流转换到炮膛内。电磁炮与化学能炮不同,化学能炮可利用气体在炮口产生较高的压力,而电磁炮则必须管理剩余的电流(即电能)。因此,工作重点应该集中在这一部分。

射弹形变和炮身姿态控制 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,就要对弹丸的发射过载能力提出更高的要求。即便是目前国际上最高水平的制导组件,其抗过载能力也远达不到要求。因此,制导器件的抗高过载,也成为电磁炮实用化必须解决的重要难题。对于出膛速度2500米/秒的高速射弹来说,弹丸将会面临剧烈的加热,并会产生微小的形变,从而会对飞行轨道产生较大影响。超远射程时,炮身本身的偏移也会对命中精度产生影响,这需要电磁轨道炮实现更精密的姿态控制,而这些是目前从未试验的部分。

此外,由于电磁炮通常距离目标超过 300千米,电磁轨道炮不能像普通枪管一样去瞄准,而需要空气动力学的校正,炮弹到了空中必须由来自卫星的指令对其运行方一向进行修正。同时,炮弹在出膛时的加速度会达到地球重力加速度的45000倍,炮弹上携带的电子器件要经受得住这种加速度的挑战。

炮管寿命问题 英国BAE系统公司还在考虑发射管与战术型基座集成方面的相关技术,也就说,要求安装在战术型基座上的发射管要像火炮那样,能够进行瞄准和训练。上述所有的技术都具有很大的挑战性,尤其在发射器方面,炮膛的寿命是最大的难题,因为它不但需要根据几何学方面的知识进行巧妙地设计,而且还需要利用材料科学方面的技术加以配合,实现起来绝非易事。

对于海军来说,电磁炮炮管的寿命,即在整修之前电磁轨道炮的发射次数,也是一个重大的问题。这是因为,海军一旦将这种炮部署到海上,就要求它们必须具有较长的使用寿命,而不希望仅仅是为了整修电磁轨道炮就必须召回舰艇。炮管的寿命也就是武器系统内部的轨道和部件的寿命,美国海军一直在强调这点。为此,英国BAE系统公司正在努力解决这一问题,以使电磁轨道炮能够尽可能多地发射炮弹。

炮弹研制很困难 负责研制工作的美国海军少将内文·卡尔(Nevin Carr)在国会听证会上曾说过,“成本-效率曲线在弹丸动能32兆焦处会出现一个拐点。在这个拐点之后,加速度会导致这种炮弹的研制很困难。美国目前研制的最先进的抗过载电子设备能抵御30000g的加速度,但再高就不行了,没有电子设备就没有制导,就没有电磁炮之前想定中的种种优势。出于种种理由考虑,轨道炮研究的重点应集中在20~32兆焦的范围”。

这也就是说,目前在研的电磁炮弹丸炮口初速马赫数7,射程90千米~180千米,这已经根本无法和当初计划中64兆焦动能,射程360千米相提并论了(480千米就更别提了)。这样的电磁炮与“朱姆沃尔特”的155毫米舰炮相比已经没有什么优势了,后者射程也是180千米。

美国北卡罗莱纳大学物理学家马克·古布鲁德表示,即使能源问题得到解决,电磁炮仍有很大的困难;现在美军是在用质量和速度/距离做交换,同时还要受到总能量的限制。电磁炮弹丸被做得非常轻,现在大概是23磅(1磅约等于0.45千克),而普通的5英寸(1英寸约等于2.54厘米)火炮弹丸是70磅,如此轻的炮弹将会在飞行中迅速失去动能。无论在电源问题上取得多大的技术进步,电磁炮炮最终要面对它的极限。说到底,没有任何技术突破能够打破物理法则,这就是电磁炮面对的最大问题。同时,电磁轨道炮发射后,弹丸失去动力,且飞行速度快,机动能力有限,弹道轨迹容易预测,隐身能力差,还会带来暴露母舰位置的危险。

由于电磁炮在研制中遇到的困难尚难以克服,美国五角大楼已决定取消了海军的电磁轨道炮项目的研发经费。一心追求绝对技术优势的军方,在财政压力下不得不再次低头。

电磁炮曾被媒体连篇累犊地报道,甚至在好莱坞片中被描绘得神乎其神;如今,国防部的苛刻态度,是否意味着它们己从未来的装备蓝图中出局呢?

在美军庞大的武器研制清单中,还有数十种激光武器和电磁武器,它们部署的位置从陆地、空中一直延伸到太空。即便电磁炮真的胎死腹中,美国海军新型舰艇的战斗力因此受损,美军开发类似“科幻”装备的总体势头也不会削弱。在最理想的情况下,就算二者在预算中被砍掉,等到下一个财年来临,它们依然有机会得到“再包装”,进而被释放出来重返新武器研发序列。

电磁技术领域近年也处于一个快速推进期,作为一种全新概念、全新技术的武器,电磁炮的发展不可能一蹴而就。虽然具体时间不易预测,但十余年内,美国海军拥有实用化的电磁舰炮还是完全有可能的。届时,海战的游戏规则或将随之改变。