電磁軌道炮讓戰(zhàn)爭進入“秒殺新時代”

李大光

電磁軌道炮（下簡稱電磁炮）是未來武器，其速度快、射程遠、抗電磁干擾能力強、戰(zhàn)場生存能力高，已經(jīng)成為未來作戰(zhàn)實施遠距離精確打擊的革命性作戰(zhàn)系統(tǒng)，將迅速開啟未來戰(zhàn)爭的“秒殺新時代”。今年5月10日，美國通用原子電磁系統(tǒng)分公司（GA-EMS）宣布，其研發(fā)的加裝了增強型制導(dǎo)組件的高超聲速炮彈成功通過測試，發(fā)射平臺為3MJ“閃電”電磁炮樣炮，炮口動能10MJ，試射過程中炮彈加速度超過30000g，創(chuàng)造新紀錄。

一、電磁軌道炮的發(fā)展與原理

電磁炮（Rail Gun），或譯做磁軌炮、導(dǎo)軌炮，是電磁炮的一種。電磁炮是利用電磁力產(chǎn)生動能推進彈丸的一種先進的動能殺傷武器，與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關(guān)注。

（一）電磁炮的發(fā)明與發(fā)展

電磁炮由法國人維勒魯伯于1920年發(fā)明。二戰(zhàn)中德國漢斯勒博士開展了對電磁炮的全面研究，到1944年他研制出長2米、口徑20毫米的電磁炮，能把重10克的圓柱體鋁彈丸加速到1.08千米/秒。1945年他又將2門電磁炮串聯(lián)起來，使炮彈初速度達到了1.21千米/秒。二戰(zhàn)期間，日本研究感應(yīng)加速式電磁炮，并把2千克的彈丸加速到335米/秒。

從20世紀70年代起，隨著一些技術(shù)難題相繼被解決使得電磁炮的研制得以東山再起。1970年德國的哈布和齊默爾曼用單極線圈炮把1.3克的金屬環(huán)加速到490米/秒。1978年澳大利亞國立大學(xué)物理學(xué)家理查德·馬歇爾和約翰巴伯等人使用5米長的電磁炮，以可供1.6兆安電流的550兆焦耳雙層單極發(fā)電機為電源，取得了將質(zhì)量3.3克的塑料彈丸以5900米/秒的高速發(fā)射成功的突破性進展。澳大利亞的成功進展給各國電磁炮研制者以巨大的鼓舞。1978年美國國防部先后成立了電磁炮發(fā)展研究顧問委員會和技術(shù)工作組，開始評估電磁炮技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用潛力，并建議集中和協(xié)調(diào)國家的資金來發(fā)展電磁炮。20世紀80年代美國國防委員會得出“未來高性能武器必然以電能為基礎(chǔ)”的結(jié)論。1991年美國防部成立了“電磁炮聯(lián)合委員會”，協(xié)調(diào)軍隊、能源部、國防原子能局及戰(zhàn)略防御倡議機構(gòu)分散進行的電磁炮研究工作。1992年美國已把一門口徑90毫米、炮口動能9兆焦的電磁炮的樣炮推到尤馬靶場進行試驗。

（二）電磁炮的結(jié)構(gòu)原理

電磁炮聽起來很神秘，其實它的結(jié)構(gòu)和原理很簡單。電磁炮是利用電磁力代替火藥爆炸力來加速彈丸的電磁發(fā)射系統(tǒng)，它主要由電源、高速開關(guān)、加速裝置和炮彈四部分組成。其主體結(jié)構(gòu)由兩根長約6米相當(dāng)于炮管長度的固定平行導(dǎo)軌和一個沿導(dǎo)軌軸線方向滑動的電樞組成，彈丸夾在兩條導(dǎo)軌之間。兩軌接入電源，電流經(jīng)一導(dǎo)軌流向彈丸再流向另一導(dǎo)軌產(chǎn)生強磁場，磁場與電流相互作用，產(chǎn)生強大的洛倫茲力推動彈丸沿導(dǎo)軌方向高速發(fā)射出去，達到很高的速度（理論上可以到達亞光速）。目前國外所研制的電磁炮根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，可分為以下幾種類型：

一是線圈炮。線圈炮又稱交流同軸線圈炮。它是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成，根據(jù)通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在炮管中，當(dāng)它通入交變電流時，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產(chǎn)生安培力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去。

二是軌道炮。軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去。它由兩條平行的長直導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸。當(dāng)兩軌接入電源時強大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理，質(zhì)量越大動能越大，威力越大，耗能量也越大。

三是重接炮。重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發(fā)射裝置，沒有炮管，但要求彈丸在進入重接炮之前應(yīng)有一定的初速度。其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置，之間有間隙。長方形的“炮彈”在兩個矩形線圈產(chǎn)生的磁場中受到強磁場力的作用，穿過間隙在其中加速前進。重接炮是電磁炮的最新發(fā)展形式。

二、電磁炮發(fā)展現(xiàn)狀

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進的動能殺傷武器。與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，其作用的時間要比火藥燃氣壓力長得多，可大大提高彈丸的速度和射程，因而引起了世界各國軍事家們的關(guān)注。自20世紀80年代初期以來，世界各主要發(fā)達國家對此投巨資進行研究，成為當(dāng)前最具發(fā)展前景的新概念武器之一。

美國政府將電磁炮視為未來一代核心的軍事創(chuàng)新性技術(shù)。美國國防委員會在20世紀80年代得出未來高性能武器必然以電能為基礎(chǔ)的結(jié)論，并積極投身電磁炮武器研制工程，且將電磁炮列入“星球大戰(zhàn)”計劃。隨著美海軍啟動DDG-1000的研究的深入，美海軍計劃把電磁炮安裝到該平臺上去，并于2003年授予英國的BAE系統(tǒng)公司武器系統(tǒng)分部一份合同，進行為期6個月的將電磁炮合成到新型驅(qū)逐艦上的研究。經(jīng)過研究BAE系統(tǒng)公司認為，擁有81兆瓦電能的DDG-1000綜合電力系統(tǒng)艦可以為兩門電磁炮提供足夠的電力。在艦只以10—18節(jié)的速度航行時，電磁炮可以每分鐘發(fā)射10—12發(fā)炮彈。電磁炮的重量和體積都適合于安裝在水面艦只上。

2007年1月16日美國海軍研究辦公室（ONR）在弗吉尼亞州海軍水面作戰(zhàn)中心達爾格倫分部舉行新型電磁裝置交付儀式。美海軍沒有采用剪刀剪彩這一傳統(tǒng)的做法，而是打破慣例，用一門90毫米口徑的試驗型電磁炮發(fā)射1發(fā)高速炮彈穿透了儀式彩帶。這發(fā)炮彈在炮口的初始動能達到7.4兆焦耳，初速度達2146米/秒。但意義更為重大的是，這部新型電磁炮的交付再一次證實美海軍對電磁炮充滿信心。美海軍將把這種電磁炮作為轉(zhuǎn)型武器方案，通過發(fā)射投放高速彈丸對遠距離目標(biāo)實施精確打擊來變革美海軍的海上攻擊行動。

2012年2月28日美國海軍公布的信息，電磁炮炮彈初速可達每秒7000米至8000米，能夠打擊90公里至180公里外的目標(biāo)。

2015年2月美國海軍首次公開展出一種新式電磁導(dǎo)軌炮，時速可達到5400英里，相當(dāng)于7倍音速，射程達到100英里，大約為160公里，彈丸重量大約10公斤左右。這意味著一艘軍艦?zāi)軌驍y帶更多的常規(guī)彈藥，而且每發(fā)彈藥的費用也會下降，大約為1.5萬英鎊，如果按照以往的精確打擊彈藥，每枚導(dǎo)彈費用可能達到60萬英鎊以上。

繼美國之后，俄、英、德、法、日等國相繼開展電磁炮研制工作，但研究水平與作戰(zhàn)理念設(shè)計均落后于美國。據(jù)俄羅斯媒體報道，2016年7月13日俄羅斯科學(xué)院高溫聯(lián)合研究所工程師在莫斯科城郊外首次進行電磁炮發(fā)射測試，試驗取得了預(yù)期效果，彈丸初速達到秒速10公里，并且實現(xiàn)了由單發(fā)至連發(fā)測試。2016年8月22日日本政府已確立方針，正式研究開發(fā)電磁炮，并打算裝備未來海上艦艇平臺。

三、軍事用途的優(yōu)勢與前景

一艘大型驅(qū)逐艦獲得了300公里外敵軍指揮部的位置坐標(biāo)，不過它并沒有發(fā)射價值一百萬美元的戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈來摧毀目標(biāo)，而是從艦載電磁炮發(fā)射出一枚長約1米，重約20千克的炮彈，這種炮彈的動力來源既非火藥也不是燃料，而是來自軍艦發(fā)動機為大炮注入的電能，炮彈以超過7倍音速的速度脫膛而出，它那令人難以置信的速度使它擁有足夠的動能讓目標(biāo)在瞬間灰飛煙滅。

（一）電磁炮的獨特優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)火炮通過火藥燃氣壓力作用于彈丸，電磁炮具有高初速、遠射程、低附帶毀傷、低作戰(zhàn)成本等優(yōu)勢，被認為是自“冷”兵器發(fā)展到“熱”兵器之后的又一次武器革命。與傳統(tǒng)火炮相比，電磁炮具有諸多獨特的突出優(yōu)勢。

一是彈丸速度快，精度高，射程遠，作戰(zhàn)威力大。彈丸約能在6分鐘內(nèi)飛行200海里，初始速度達到2500米/秒，比普通槍彈的速度快2—3倍。由于電磁炮的發(fā)射過程全部由計算機控制，彈頭又裝有激光制導(dǎo)或其他制導(dǎo)裝置，所以具有很高的射擊精度。帶有巨大動能的彈丸通過直接撞擊目標(biāo)將其摧毀，作戰(zhàn)威力極大。同時極高的飛行速度可以減少炮彈的飛行時間，使炮彈不易受到干擾，保證了炮彈的精度。帶有巨大動能的彈丸通過直接撞擊目標(biāo)，在與目標(biāo)瞬間的劇烈碰撞中殺傷目標(biāo)并將其摧毀，威力極大。同時電磁炮的發(fā)射過程全部由計算機控制，彈頭還裝有激光制導(dǎo)或其他制導(dǎo)裝置，加上超高的飛行速度大大減少了彈丸的飛行時間，使其不易受到干擾，具有較高的射擊精度。

二是炮彈體積小，重量輕，射程遠，突防能力強。電磁炮沒有圓形炮管，彈丸體積小，重量輕，使其在飛行時的空氣阻力很小，因而電磁炮的發(fā)射穩(wěn)定性好。電磁炮彈體積只是傳統(tǒng)120毫米火炮炮彈的八分之一，重量是其十分之一，可顯著提高武器系統(tǒng)的攜彈量，減少后勤負擔(dān)。此外，電磁炮利用電磁力所作的功作為發(fā)射能量，不攜帶推進劑，發(fā)射時不會產(chǎn)生強大的沖擊波和彌漫的煙霧，因而具有良好的隱蔽性。

三是反應(yīng)靈敏高效。由于電信號響應(yīng)速度接近光速，因此電磁炮的電控制與發(fā)射技術(shù)的響應(yīng)時間也就極短，加之電磁炮具有體積小、質(zhì)量輕、加速快等特點，可在極短時間內(nèi)完成彈丸裝填、捕捉目標(biāo)、準確跟蹤和打擊目標(biāo)。

四是保障更加安全、可靠和方便，作戰(zhàn)耗費小。普通艦炮的射程超過20千米的很少，而且準確度很差，巡航導(dǎo)彈的有效射程雖然超過了300千米，但它們造價昂貴且一艘艦艇最多只能攜帶70枚。電磁炮則具有射程遠、成本低、運輸以及補充便利等多項優(yōu)勢。電磁炮的彈丸幾乎不使用推進劑，減少了裝藥量，省去了藥筒和發(fā)射裝置，可顯著提高武器系統(tǒng)的攜彈量，運輸和后勤保障更加安全、可靠和方便。以美軍為例，近期試射的電磁炮樣炮長12米，炮彈長約1米，重18千克，遠小于“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)航。從發(fā)射能量的成本來看，常規(guī)火炮的發(fā)射藥產(chǎn)生每兆焦耳能量需10美元，而電磁炮只需0.1美元。電磁炮彈丸一次能裝艦數(shù)百枚甚至更多，成本僅為傳統(tǒng)火炮1%，比導(dǎo)彈、火箭等更為廉價。因此電磁炮甚至還被美國陸軍看成是2020年后陸軍戰(zhàn)車主要武器的候選技術(shù)方案。

五是沒有存儲炸藥需求，生存能力強，海戰(zhàn)效力高。由于電磁炮彈沒有爆炸材料，炮彈幾乎不裝填炸藥，消除了生產(chǎn)、運輸、處理和存儲炸藥的需求，從而又可減少炮彈在制造、運輸、儲存方面的安全隱患。電磁炮利用電磁力所作的功作為發(fā)射能量，不會產(chǎn)生強大的沖擊波和彌漫的煙霧，因而具有良好的隱蔽性。此外電磁炮還可以省去火炮的藥筒和發(fā)射裝置，故而重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運輸以及后勤保障等方面更為安全可靠和方便。超遠的射程、極短的飛行時間和高殺傷性都極大地提升海軍未來遠程作戰(zhàn)的攻擊力。

（二）電磁炮的軍事應(yīng)用前景可觀

火炮武器的發(fā)射能源主要分為三類：機械能、化學(xué)能和電能。原始的利用機械能拋射物體的速度，充其量為每秒幾十米：當(dāng)火藥發(fā)明后，射彈速度大大提高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是高新技術(shù)在戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用，使得現(xiàn)有利用化學(xué)能推進的彈丸初速遠遠不能滿足目前反裝甲、防空和反導(dǎo)的需要。因此利用電能進行超高速發(fā)射已為人們所關(guān)注。能源的每次發(fā)展變化都推動著火炮技術(shù)發(fā)生質(zhì)的飛躍，火炮技術(shù)的每次飛躍，都會在軍事科技領(lǐng)域掀起深刻的變革?？梢灶A(yù)見新型電磁導(dǎo)軌武器與C4ISR系統(tǒng)相結(jié)合，在信息網(wǎng)絡(luò)的倍增器效果下必將極大提高作戰(zhàn)效能乃至改變作戰(zhàn)樣式。

一是遂行天基反導(dǎo)作戰(zhàn)。電磁炮由于初速極高，可用于摧毀低軌衛(wèi)星和導(dǎo)彈。因此在美國的“星球大戰(zhàn)”計劃中，電磁炮成為一項主要研究的任務(wù)。美國國防部和空軍正在聯(lián)合主持一項名為“電磁導(dǎo)軌系統(tǒng)”天基動能武器研究計劃。實驗中由安裝在模擬空間環(huán)境的真空室里的電磁導(dǎo)軌炮發(fā)射的小型彈頭速度已達80km/s，其中的第一代電磁炮能將1000—2000克重的炮彈，以每秒5km—25km的速度射向2000公里外的目標(biāo)，用于攔截敵方飛行中的洲際彈道導(dǎo)彈和摧毀中低軌衛(wèi)星及航天器目標(biāo)。此外還可為天地貨運運輸提供一個廉價、可重復(fù)利用的發(fā)射平臺。對于月球開發(fā)，采用電磁炮技術(shù)發(fā)射月基貨運飛船返回地球，將大大減少燃料消耗，飛船僅攜帶少量的調(diào)姿和變軌用的燃料。

二是用于防空系統(tǒng)參與末端聯(lián)合截擊。在戰(zhàn)術(shù)防御體系中電磁炮所發(fā)射的彈丸初速高，飛行時間短，可實施多管連續(xù)射擊，火力強、攔截面積大，對目標(biāo)的毀傷性能高， 可對敵臨空的飛機實施打擊，限制其空中兵力機動作戰(zhàn)，還可有效對抗敵高速飛行的常規(guī)炮彈和巡航導(dǎo)彈等空中來襲兵器，提高指揮所、防空預(yù)警陣地、信息中心、軍艦等重要目標(biāo)戰(zhàn)場生存能力。美軍認為可用電磁炮代替高射武器和防空導(dǎo)彈遂行防空任務(wù)。美國正在研制長7.5米、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“火神防空系統(tǒng)”。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(dǎo)彈。英國也正在積極研制用于裝甲車的防空電磁炮。德國和法國的共同研究機構(gòu)圣路易研究所推進電磁炮計劃，用于近距離防御系統(tǒng)，以取代現(xiàn)有的20mm機關(guān)炮。

三是實施超視距快速打擊。按照美國海軍作戰(zhàn)研究中心的電磁炮遠景規(guī)劃，到2030年美海軍電磁炮的火力打擊范圍將從近期設(shè)定的360千米進一步拓展至640千米，這顯然是傳統(tǒng)大口徑艦炮所無法企及的射程。與常規(guī)動能武器相比，電磁炮具有射程遠、反應(yīng)時間短等優(yōu)點， 在登陸作戰(zhàn)中可為登陸部隊提供更遠、更強的火力支援；在地面進攻作戰(zhàn)中，電磁炮可在戰(zhàn)役大后方實施火力準備，進攻中還可為地面部隊實施靈活快速的火力支援，或在戰(zhàn)術(shù)防御體系縱深對敵實施超視距打擊，形成火力遮斷，限制敵方機動作戰(zhàn)。此外還可用于改裝常規(guī)火炮。隨著電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，在普通火炮的炮口加裝電磁加速系統(tǒng)，可大大提高火炮的射程。

四是開啟新的艦炮作戰(zhàn)模式。與傳統(tǒng)身管火炮相比，電磁炮在炮口初速、打擊范圍、打擊時效等方面顯示出諸多優(yōu)勢，使其能夠有效遂行海上反艦任務(wù)，超遠射程電磁炮還可有效替代部分艦載短程導(dǎo)彈任務(wù)。電磁炮采用電磁能發(fā)射機理，一旦規(guī)模列裝部隊并形成戰(zhàn)斗力，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和戰(zhàn)場情報偵察監(jiān)視系統(tǒng)支撐下，必將開啟新的艦炮作戰(zhàn)模式，引發(fā)一場新的軍事技術(shù)革命，具有劃時代的意義。

五是協(xié)同開展反裝甲作戰(zhàn)。電磁炮具有很強的穿透能力，是非常優(yōu)良的反裝甲武器。坦克具有快速的突擊力和強大的防護力，一直以來占據(jù)陸地“霸主”地位，因而反裝甲作戰(zhàn)也成為世界各國關(guān)注的重點領(lǐng)域。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(zhì)量為50克、速度為3km/s的炮彈，可穿透25.4mm厚的裝甲。近幾十年來經(jīng)過不斷改進和完善，利用化學(xué)能可將幾千克的彈丸加速到1600m/s—1800m/s的炮口速度，這已接近野戰(zhàn)條件下常規(guī)火炮化學(xué)推進的極限速度，仍然難以滿足反裝甲作戰(zhàn)需求。電磁武器因其極高的速度所蘊藏的巨大動能，使其具有較強的穿甲能力，可在一定距離上擊穿厚重的裝甲，是未來戰(zhàn)爭中一款理想的反裝甲武器。

（作者單位：國防大學(xué)）