美国研究了几十年却声称被中国超越，这种武器有多牛？
2018/8/13 12:25:00 瞭望智库
美国媒体声称，中国已超越美国，实现电磁炮上舰!
美国这么多年都没搞明白的电磁武器，会不会是一个“坑”？
其实，这事没有美国人鼓吹的那么“神奇”。
文 | 席亚洲 瞭望智库特约国际观察员
编辑 | 黄俊峰 瞭望智库
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在武器装备上应用电磁技术，一直以来处于军工科技前沿，研发难度非常之大。
当前，世界上只有一艘装备这种系统的军舰——美海军最新型航母“杰拉尔德·福特”号。
目前世界上最先进的航空母舰——美国“福特”级首舰“杰拉尔德·福特”号
然而，近年来，美国的电磁弹射系统不时发生一些状况，特朗普甚至提出要在下一艘航母上恢复原来的蒸汽弹射系统。
而据CNN(美国有线电视新闻网)6月21日报道，中国正在打造装备有电磁弹射系统的航母，可与美军最先进航母相媲美。
次日，CNBC(美国全国广播公司旗下知名财经媒体)网站称，美国情报官员称中国舰载电磁炮在2025年前将投入使用，并称其为“最强大的舰炮”。
据传，该炮发射的炮弹能达到7马赫(7倍音速)，相当于90秒从华盛顿打到费城。
美国媒体认为，在电磁炮研发方面美国已落后于中国。
如今，电磁炮已经被中国装备在自己的军舰上
有人发出质疑：美国这么多年都没搞明白的电磁武器，会不会是一个“坑”？这会不会又是美国炒作“中国威胁论”的一个噱头？
那么，这项技术到底有何威力？能够对中国海军的未来发展产生什么样的影响？
这事，还得从头说起。
1
知易行难的“科幻武器”
电磁武器技术很先进，原理却很“古老”。
说到底，电磁炮和电磁弹射器是同一样东西，都是利用电磁力来对一个特定的物体进行加速。
从原理上来讲，生活中常见的电动机和这两种尖端武器也是同类——它们都是通过电磁力将其他形式的能量转化为动能，区别不过是这种动能是以炮弹/飞机的直线加速形式还是以转子的旋转形式体现而已。
没错，电磁武器的原理，就来自这些物理教材上经常出现的人物
在实际应用中，电磁力带来的动能远超传统方式。
举个例子，电磁炮使得弹丸的速度和射程大大提升，无需装药爆破，只靠动能就可轻松击穿摧毁目标。
所以，人类早就产生了电磁技术应用的思路。几乎在电动机诞生的同时，就有人提出了“直线电机”的概念，并试图将此技术运用到实际交通工具或者武器上去。
但是，知易行难，即便是这类产品中最简单的磁悬浮列车，也是经过上百年的研究，在21世纪初才开始进行首次商业运行。
2002年12月31日世界上第一条磁浮商业化运营线——上海磁悬浮示范运营线建成通车
对于电磁炮，人们很早就有了种种构想，但是，看似希望就在前方，却难以真正实现。
为什么这么难呢？
20世纪初到三四十年代，电磁炮和电磁轨道系统概念刚刚出现，发电系统无法提供电磁炮或电磁弹射器所需要的大电流，同时，也缺乏足够强的磁场。
因此，二战期间，虽然德、美等国都考虑过电磁炮技术，并提出了一系列设想，但是，直到大战结束也没有付诸实践。
那时，电磁炮可谓“幻想中的武器”，只能停留在科幻小说中。
在海因莱因名作《月亮是个严厉的女人》(又译《严厉的月亮》)中，宣布独立的月球政府就使用一种投射矿物用的巨型“质量加速器”，实际上，它就是一门巨大的电磁炮，作为战略武器向地球主要城市投掷小行星。
20世纪最伟大的科幻小说家之一罗伯特·安森·海因莱因
2
超大线圈炮衍生出电磁弹射器
到了上世纪七、八十年代，才出现真正具有实用意义的电磁炮。
1978年，苏联用感应线圈，在1厘米距离内，将2克重的金属环加速到5000米/秒的速度。
这意味着，瞬时大电流、高强度瞬时磁感应等此前难以想象的技术，人类已经“摸到边”了。
这一轮电磁炮的发展，主要是基于线圈炮原理，即通过让炮弹经过很多线圈的加速来达到较大的速度。
线圈炮原理演示
线圈炮的特点是，可以将较轻的炮弹加速到很高的速度，但不大适合用来加速较重的弹丸。
因此，初期的电磁炮主要计划用于防空拦截敌方导弹攻击。
上世纪90年代，美国试图开发的实用线圈炮武器设计是发射相当于20毫米炮弹的弹丸，用来取代“密集阵”机关炮，利用超高的弹丸初速和较高的射速拦截来袭的反舰弹道导弹。
“密集阵”夜间开火，呈现出壮观的“弹幕”火力网
线圈炮的问题也很明显，因为其每个线圈给弹丸提供一定的加速度，所以需要多个线圈前后“接力”才能实现最高速度。现实中，线圈能提供的加速度有限，要把弹丸加速到很高的速度，就需要较长的轨道和大量的线圈。
根据计算，如果要把线圈炮缩小到现有一般火炮水平、作为电磁炮使用，那么，其线圈需要实现超导才能提供足够的能量效率和加速度。
超导技术应用在武器装备上难度实在太高，所以，虽然线圈炮原理已经相当成熟，但体积尺寸却没办法再做得更小了。
上世纪90年代的美国科幻电影《蒸发密令》当中，一家公司研制的电磁轨道炮居然被缩小到可以当做步兵武器的程度。
片中就有一句台词：“海军的电磁线圈炮大得像一座山”，虽然只是嘲讽，但没说错。
1996年上映的电影《蒸发密令》中阿诺·施瓦辛格饰演的约翰手持两把电磁轨道枪，这种超小型化电磁武器至今仍显得不可思议
不过，线圈炮原理在现代军事领域仍然占据着一席之地，在实践中采用更传统的电气技术，如果退而求其次、不需要把弹丸加速到超高速，也就不需要把线圈做成超导。于是，这个技术就被转移到了航母弹射器上。
电磁弹射器擅长发射低速重型物体，长一点、大一点无所谓，只要能将数十吨重的飞机加速到数百公里即可。
目前，中美两国的电磁弹射器都采用了线圈原理。
3
走进现实的恐怖武器
上世纪90年代，线圈炮研制逐步走入死胡同，工业界提议另辟蹊径，开始研制电磁轨道炮。
这个时期，人类在电磁领域的进步也到了一个新的水平。
随着超级电容、先进自动化控制系统等技术的出现，比线圈炮要求更高的适应电磁轨道炮的电器元件已经具备了研制条件。
美国雷西昂公司为现在的32兆焦电磁炮所配套研制的脉冲电源装置(PPC)，能够在一个标准集装箱内，暂存足够电磁炮发射23发的电量。这样的高性能电力系统，不仅是电磁轨道炮，也是电磁线圈炮进入实用领域的重要技术前提。
进入21世纪后，电磁轨道炮原理重新占据实用化电磁炮研制热点位置，其具备小型化的潜力是很重要的一点。
电磁轨道炮的原理比线圈炮更加“简单直接”，用两根导轨，导轨间有个电刷，当两个导轨通电时，洛伦兹力(运动电荷在磁场中所受力)就会把电刷推动向前。
理论上，其速度可以无限接近电磁脉冲度速度或者光速。当然，前提是电磁脉冲足够强大。
电影《变形金刚2》中的舰载电磁轨道炮
2000年初，由美国海军牵头，多家企业开始研制实用化的电磁轨道炮，计划制造出这样一种武器：
射程400公里，弹丸20公斤重且无装药，命中目标时具有高达17兆焦的能量，足以摧毁任何坚固目标。
按照当时的计算，如果好梦成真，这门电磁轨道炮能以6-12发每分钟的射速对320公里外的目标进行攻击。
在战斗最初8小时内，其弹药投放数量是一个F/A-18舰载战斗机航空联队(一艘航母上的所有载机)的2倍，撞击总动能是后者投放弹药爆炸当量的3倍，打击目标的数量是后者的10倍!
一艘满载航母约等于一门电磁轨道炮？这么说并不夸张。
如此可怕的武器，只要是个国家都会动心。
4
美国无奈退而求其次
根据这个设计，炮口动能应该达到64兆焦以上。
做一个对比，德国莱茵金属公司为击穿俄罗斯T-14坦克而设计的130毫米滑膛炮，炮口动能约为19.5兆焦-23.4兆焦(因为炮还没实际研制出来，所以炮口动能还只能是范围推测)。
俄军最新型的T-14主战坦克
64兆焦的炮口能量，对20千克弹丸而言，发射瞬间的加速度是非常可怕的，粗略估计应在60000g(g≈9.8m/s2)以上。
目前，世界上抗加速度性能最好的电子设备也只能抗30000g左右。
换言之，64兆焦的电磁炮，如果现在造出来，根本没法研制出与之配套的、具备制导能力的弹丸。
2010年，美国进行32兆焦电磁炮发射试验后，对电磁轨道炮研制进行了重新研究，认为“32兆焦是一个拐点，过了这个点后，能量更高的电磁炮会让炮弹很难研制出来”。
美军因此修正了其设计，将原来射程400公里的64兆焦电磁炮，修改为射程90-180公里、动能32兆焦、初速7马赫。
然而，“缩水版”的电磁炮，也没比155毫米常规火炮好到哪儿去。
后来，在采用火箭增程技术的前提下，“朱姆沃尔特”级驱逐舰上安装的155毫米火炮射程可以达到180公里，而且，整体加长的炮弹威力也不比传统同口径炮弹降低。
装备有155毫米舰炮的美军“朱姆沃尔特”级驱逐舰
相比之下，对于攻击地下设施这类目标来说，32兆焦电磁炮的弹丸的动能几乎没有意义。
美国当初规划64兆焦电磁炮时对巨大威力的美好构想完全落空了。
2016年，美海军决定将电磁炮的研制方向退而转为反导。
这还需要非常漫长的研制过程，过程中依然有很多困难。
美国规划在这方面投入高达8亿美元，表明这个项目绝非易如反掌。
5
中国可能后来居上
美国的电磁炮研究历程，可谓“把坑踩遍”。
于是，我国在该领域可以避免走弯路，具备后来居上的可能。
实际上，中国早就有了自己的电磁武器。
据外媒报道，中国的电磁炮于2011年首次曝光；
2015年到2017年间，该武器经过校准后，扩大了射程且提升了杀伤力；
至2017年12月，这款电磁炮已被成功安装在军舰上；
今年早些时候，这款在我国海军072型坦克登陆舰“海洋山”号舰艏安装的大型电磁炮试验平台进行海上航行试验的消息，引发了广泛关注和轰动。
这一门电磁炮，还不能表明中国在电磁轨道炮技术方面已经超过了美国——但至少这的确是世界上首次将电磁炮安装到战舰上的试验。
同时，我国第二艘国产航母正在上海紧锣密鼓进行建造的消息，也在近期不胫而走。随着造船厂方中船重工的宣传，该航母的一些细节广为传播。
中国两艘使用滑跃起飞系统的航母(“辽宁”舰和首艘国产航母)分列于一艘更大的平直甲板航母的两侧(中船重工第701研究所发布)
其中最引人注目的就是弹射器，它是现代航母作战能力的关键指标之一。
据军事专家宋忠平分析，新型国产航母的平直甲板(我国此前的“辽宁“舰和正在舾装的首艘国产航母都没有安装弹射器，而是采用滑跃甲板起飞)将让电磁弹射系统成为可能——采用三部弹射器进行阻拦着陆，弹射速度快、战机起飞频度高、快速反应能力更强。
在我国第二艘国产航母上，如果真有这种配置，将让中国海军舰载航空兵一步到位、直接追赶世界最先进水平——使用电磁弹射系统的美国海军“福特”级航母。
电磁弹射究竟对航母有什么意义呢？
在航母上，要使用蒸汽弹射器，就要消耗大量蒸汽。对于航母这样的大型舰艇，由于弹射器消耗的蒸汽量非常大，造成锅炉压力损失、动力下降的问题。相较而言，电磁弹射器就“省事儿”多了。
注：如美国“小鹰”号航母的C-13弹射器，每次弹射需要消耗625公斤蒸汽和1吨左右缓冲淡水。如果航母以每分钟1架的速度进行弹射，那么，连续弹射8架飞机后，蒸汽锅炉就会损失20%，全舰动力下降32%，航速下降8节。我国正在研制的003型常规动力航母，如采用蒸汽弹射，也将面临类似的问题。即便是动力近乎无限、补充蒸汽相对快的核动力航母，像法国的“戴高乐”号，在其服役后也多次对蒸汽发生器、动力系统进行修改，就是为了改善这个问题。
航母上的蒸汽弹射器每次弹射都会让母舰“压力山大”
值得注意的是，美国的电磁弹射器问题频发，其中最显著的是漏磁。
去年，特朗普登上“福特”号视察期间，有水兵拦总统“御驾”告状：“福特”号的电磁弹射器存在严重漏磁问题，而且，问题已经严重到飞机挂载弹药被磁场吸引受到异常应力进而影响飞机寿命的程度。
目前，尚未看到关于美军对此问题进行进一步调查情况的报道。但是，从特朗普要求海军在下一艘航母上改回蒸汽弹射器的表态(当然，被美海军专家否决，实际上应该很难实现)来看，这个问题恐怕还真不太好解决。
美国总统特朗普登上“福特”号航母后“怒怼”海军
有了美国的前车之鉴，我国非常重视航母电磁弹射器漏磁问题，目前的弹射试验中没有检测到相关问题。
防磁泄漏的先进屏蔽技术可进一步运用到其他领域，例如，就有外媒报道称，中国已经开始在导弹垂直发射系统中应用这一技术。
注：目前的导弹垂直发射系统，要么采用导弹直接在发射箱内点火升空的“热发射”，要么采用导弹下面安装一个燃气发生器(相当于炮弹的装药，火药爆炸将导弹顶出去)这样的“冷发射”。如果使用电磁发射，那么由于整个线圈系统是安装在发射箱外面，而不是内部，就不会如“冷发射”一样，挤占一部分发射箱内的空间；同时也可以避免“热发射”所需要的，在发射系统内设置供高温燃气通过的通道。也就是说，使用该技术可以让导弹发射系统更加紧凑，容纳更大的导弹。这种装置的研制目前正在进行。
西方舰艇导弹垂发系统主要采用“热发射”
苏/俄舰艇导弹垂发系统主要采用“冷发射”
在短短几年里，中国之所以能迎头赶上，除了要归功于马伟明院士这样杰出的带头人，更得益于中国拥有当今世界上最大的电网和电力工业体系——巨大的实践需求和庞大的产业体系，本身就是催生一项技术发生跨越式发展的最大动力。
再加上国家的巨大投入和学术界最杰出大脑们的贡献，中国在军用电磁领域取得进展是顺理成章的，并没有美国人说的那么不可思议。
“八一勋章”获得者中国工程院院士马伟明少将
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