美国90毫米电磁炮

电磁炮发射

试验阶段的电磁炮

电磁炮射击示意图

　　作者：曹荣刚

　　在电影《变形金刚2》中的最后大战里，美军动用了一种国家机密级的神秘兵器，从游弋在大洋上的美军战舰上发射超高速炮弹，对金字塔顶的“大力神”予以毁灭性打击。这种超远程、精准且破坏力十足的武器，正是新概念动能武器电磁炮。这种武器的机理是什么？距离实战使用还有多远？

　　上世纪70年代至80年代，美国军方抛出“战略防御计划”，即“星球大战计划”。其中一项核心的作战武器就是电磁炮。星球大战计划设想将电磁炮安装在卫星上，当发现敌方导弹发射后即发射，在外太空击毁敌方导弹。电磁炮炮弹的飞行速度比火箭推进的导弹快得多，其诸多性能参数都超乎寻常，因此拦截导弹的命中率会大幅度提高。

　　传统火炮自出现到今天已经有600多年的历史，一直在使用各种固体发射药。但这种发射药可挖掘的潜力已经十分有限。传统火炮的两项重要指标——炮弹初速和炮口动能——已经接近极限。由于火药燃气的膨胀速度限制，传统火炮的炮弹速度存在一个理论上的极限，因此初速度很难超过2千米/秒。

　　为了满足军方对更高炮弹速度和动能的要求，突破传统火炮的初速极限，各国不断追寻各式各样的新式“火炮”，其中最璀璨的新星非电磁炮莫属。自上个世纪70年代以来，许多国家的军工部门都在研究基于电磁发射技术的新型兵器研究，并取得了很大的进展。

　　从历史上看，人类为军事目的而投射战斗部的能源大体分为三类：机械能，化学能和电能。就炮类而言，原始机械能抛射物体的速度只有每秒几十米；火、炸药发明并用于火炮发射后，经过几百年的改造，可以使弹丸的初速可以达到1.8千米/秒，炮口动能10兆焦左右，这已经接近普通火炮利用化学能发射物体的极限速度。为了在21世纪战争中解决反装甲、防空和拦截导弹的要求，需要超高速的动能武器，此时人们把目光转向了电磁发射武器。

　　电磁炮不是使用火药来发射炮弹，而是使用电磁能。这就从原理上克服了传统火炮发射炮弹的极限速度问题，实现超高速和超远程打击。目前国外的试验性电磁炮，已可将3.1克重的弹丸加速到10.10千米/秒。配合不同的弹丸质量和速度要求，电磁炮可用作地面战术武器，也可用作天基战略武器。

　　那么这种新式的武器是谁在什么时候发明的呢？让我们回到100年前，回顾一下电炮“悠久”的历史。当我们了解了电磁炮100多年的发展历史之后，就会发现电磁炮正如其他新生的事物一样，也经历了艰难曲折的发展历程。

　　电磁炮使用电磁能来发射炮弹，这种概念的提出是科学发展到一定阶段的产物。在19世纪初，欧洲各国对电学和磁学现象已经积累了大量的实验数据。当英国科学家法拉第通过大量实验归纳总结出电磁感应定律后，无数科学家和工程师们就在不断努力，试图利用电和磁的相互作用发明出新的动力机器。不久，各式各样的电动机不断问世。但是，电动机和电磁炮有什么关系呢？其实从原理上讲，传统意义下的电磁炮属于一种直线电机。或者说，电磁炮是电机的衍生物，而法拉第则是电磁炮的启蒙者。

　　电磁炮发展过程中形成了不同的分支。目前就严格意义上的电磁炮来说，可分为轨道炮、线圈炮和重接炮三种。其中轨道炮(也叫导轨炮)发展最为迅速。因此，下文中如不加以说明，将把电磁轨道炮简称为电磁炮；线圈炮是仅次于电磁轨道炮的一种电炮分支，比轨道炮出现更早，但目前的发展比轨道炮落后一些；重接炮是电磁轨道炮和线圈炮的一种折中，还处于原理研究阶段，发展较为缓慢。各种分支各有其优点和缺点，设计使用的目的和应用领域均有差别。

　　电磁炮的发展历史

　　1845年，查尔斯-惠斯通制造了世界上第一台直线磁阻电动机，用它把一段金属棒抛射到20米远的地方。1895年，梅厄获得第一个直线感应电动机专利。但直线电机和电炮还相去甚远。第一个明确地提出电磁炮概念并坚持不懈长期试验的是一位挪威的科学家——奥斯陆大学物理学教授克里斯蒂安•伯克兰。1897~1917年，伯克兰教授不断改进和试验他发明的电炮，并于1901~1903年获得了三项电炮技术专利。1901年，他制成了第一个电磁线圈炮，并利用该炮把0.5千克重的炮弹加速到500米/秒；1903年制成的第二个线圈炮把重10千克重的物体加速到了100米/秒的速度。这在当时已经是非常了不起的成就，伯兰克教授的线圈炮目前仍然保存在奥斯陆的挪威技术博物馆里。可以说，伯兰克教授是线圈炮研制的先驱者。

　　电磁轨道炮的发明者则属于法国科学家。1916~1918年，法国军械和战争物资部开始研制轨道炮，但当时没有对轨道电流和弹丸速度进行测量。1920年法国人福琼•维莱普勒发表了《电气火炮》一文，并于同年得到了三项专利。1936年，南斯拉夫作战部的一位雇员又以同样的方式重复了这些试验。几乎与此同时，美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。此后据称普林斯顿大学也进行了相关的研究工作，用电磁力发射了物体。到第二次世界大战爆发前夕，各种电炮的专利已达45项之多。

　　第二次世界大战期间，德国和日本等国都曾研制过电磁炮。二战末期，德国军方在希特勒的批准下不断寻找和积极研制开发各种新式兵器，试图借助新式兵器来挽回败局，电磁炮也是其中一项。1944年，亚希姆•汉斯勒博士和邦泽尔总检验师在马格德堡的训练场，对10毫米口径线圈炮进行试验，靶板是装甲板，电源为汽车蓄电池和电容器，用发电机供电，但试验未成功。德国的欧•穆克(汉斯勒的助手)于1945年提出电热炮的设想，但并未付诸实践。1945年，汉斯勒试验了直径20毫米、长2米的轨道炮(LM2)。试验起初在柏林进行，后改到巴伐利亚Klais附近的一条铁路隧道里。LM2最终以3×106米/秒2的最高加速度把10克重的铝制圆柱加速到1080米/秒；把两个轨道串接起来后，铝柱速度达到了1210米/秒。随着德国的战败，汉斯勒博士的研究工作也中止了。

　　二次世界大战结束后，汉斯勒的电磁炮落到了美军手里。1946年，美国陆军装备部委托装甲研究基金会专门评估了汉斯勒的技术，结论是能源供应问题无法解决，轨道材料问题也不好解决。因此相关研究工作也就逐渐中止了。

　　1946年，美国威斯汀豪斯电器公司建成一个全尺寸飞机弹射装置，名叫“电拖”，是一个初级运动的直线感应电动机。而后，美国海军和空军也做了一些研究工作。但空军科学研究所经过反复论证，于1957年得出“电磁发射根本行不通”的结论，使电磁发射器的研究陷入困境。

　　然而在前苏联，阿特斯莫维奇于1958年、布拉斯特和斯沃勒于1965年，均进行了大量的电磁炮试验。同时，澳大利亚国立大学的马歇尔及其同事在改进大电流滑动接触技术方面提出了“等离子体电弧电枢”概念。美国的布勒斯特和索勒首先利用等离子体电枢把31毫克重的弹丸加速到6千米/秒。1966年，美国内华达大学的温特博格教授提出了用磁行波加速超导体的概念。1966年，苏联人鲍斯达列夫用10米长的单极脉冲感应线圈发射器，把2克重的铝环加速到5千米/秒。

　　不过，就在美军放弃电磁炮和电磁发射技术之后，出现了一些具有重大意义的新技术。例如将很大电流密度的脉冲电流以滑动接触的方式，由电枢经过电刷通到外电路。在这方面作出重大贡献的有美国的西屋研究和发展中心，该中心在澳大利亚国立大学和美国德克萨斯大学均设有研究试验室。上世纪70年代末，理查德•马歇尔博士及其同事在澳大利亚国立大学制成了世界上最大的550兆焦单极发电机，并在其上试验了高电流密度的滑动接触。马歇尔和约翰•巴伯在所设计并建造的轨道炮系统上用等离子体代替金属衔铁，以此推动投射物，把3克聚炭酸脂加速到5.9千米/秒的速度，创造了用电磁加速器投射克级投射体的最高记录。德克萨斯大学电机中心也设计和制造了5兆焦、10兆焦等一系列单极发电机，利用美国的轨道发射装置将300克重的投射物加速到4.2千米/秒。

　　上世纪80年代初，美国用5米长的轨道把2克重的弹丸加速到10千米/秒，接近第二宇宙速度(11.2千米/秒)。1982年，苏联把1.3克重的弹丸加速到5千米/秒。日本则研制了长达700米的50~100级多级轨道炮，把1克物体加速到近150千米/秒的超高速，用于研究高速撞击引发核聚变。目前，美国、俄罗斯、日本、法国、德国、以色列、丹麦等国家对电磁炮兴趣非常大，都在投入人力、物力、财力进行研究。

　　1980年。在美国圣地亚哥召开了第一次电磁发射技术会议。1983年10月由美国国防部高级研究计划署(DARPA)和美国电工与电子学会(IEEE)联合发起，在波士顿召开了第二次技术会议。这次会议对三位有贡献者颁奖的公告上称：“自发明火药后，电磁发射技术可能作为脉冲功率技术领域最有意义的发明而出现。” 在这届会议上，国际电磁发射技术委员会设立了以已故彼得•马克教授命名的“彼得•马克”勋章，以奖励对电磁发射技术与教育有杰出贡献的人，理查德•马歇尔博士获得了第一枚“彼得•马克”勋章。

　　电磁发射技术能在很短的距离内，将投射体加速到高速，分布在整个推进器长度内的电磁能量高于爆炸能量的几十倍，并且非常容易控制。其潜在的应用包括从地面和母机发射飞机、导弹和其它防御武器，可发射飞船、核废物等。从理论上说，它的费用较低、环境危害小，发射的几乎是纯有效载荷，没有死重。

　　1999年4月在旧金山召开了第十届电磁发射研讨会。会上的信息表明，国外电磁发射技术研究发生了两个重要的变化，一是直线电磁发射技术成为一个目的、应用背景十分明确的研究方向，影响面正在逐步扩大；二是研究经费的资助方正逐渐转变为军方，研究内容正从理论探讨、原理性实验验证向实用化的演示验证发展，并准备装备部队。

　　截至2010年夏天，电磁发射研讨会已经成功举办了15届，成为各国电磁炮和各种电磁发射技术研究的重要窗口。

　　(文章有删节)