美海軍電磁導(dǎo)軌炮研制進(jìn)展

電磁炮可分為線圈電磁炮和導(dǎo)軌電磁炮，其中，導(dǎo)軌炮是研究熱點(diǎn)。2008年和2010年，美海軍電磁導(dǎo)軌炮進(jìn)行了數(shù)次發(fā)射試驗(yàn)，均取得成功，標(biāo)志著美軍這一領(lǐng)域的研制工作將從概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)入樣機(jī)設(shè)計(jì)階段。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

電磁炮是一種非常經(jīng)濟(jì)有效的支援武器。與傳統(tǒng)火炮相比，電磁炮的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①彈丸初速高，炮口動(dòng)能大，射程遠(yuǎn)。目前實(shí)驗(yàn)型電磁艦炮的炮口能量已達(dá)到33兆焦，未來實(shí)用型電磁艦炮炮口動(dòng)能可達(dá)到64兆焦以上，能以5馬赫的速度打擊370千米外的目標(biāo)，射速超過6發(fā)／分鐘，殺傷效果是現(xiàn)有火炮的3～5倍。②彈丸單純依靠動(dòng)能摧毀目標(biāo)，無需炸藥，存儲(chǔ)更加安全，火炮后坐力也較小。③彈丸重量輕、體積小，攜彈量可大幅增加，降低后勤負(fù)擔(dān)。

研制進(jìn)展

美海軍電磁導(dǎo)軌炮現(xiàn)由BAE系統(tǒng)公司地面武器分部和通用原子公司分別研發(fā)32兆焦電磁炮樣炮。美海軍從2001年開始與先進(jìn)技術(shù)學(xué)院合作，進(jìn)行遠(yuǎn)程電磁導(dǎo)軌炮的可行性和概念研究。2005年8月，海軍研究辦公室啟動(dòng)了電磁導(dǎo)軌炮“創(chuàng)新性海軍原型”計(jì)劃，這是海軍電磁發(fā)射技術(shù)研究的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)；2007年1月，海軍研究辦公室將第一套90毫米電磁發(fā)射裝置交付美海軍水面作戰(zhàn)中心；2008年1月31日，海軍進(jìn)行了電磁導(dǎo)軌炮發(fā)射演示試驗(yàn)。試驗(yàn)中，32兆焦電磁導(dǎo)軌炮發(fā)射了3.5千克重的90毫米平頭鋁制彈丸，炮口初速7馬赫，炮口動(dòng)能達(dá)到10.64兆焦。2009年，海軍研究辦公室分別與BAE系統(tǒng)公司地面武器分部和通用原子公司簽訂研制合同，要求各自完成32兆焦先進(jìn)密封發(fā)射器樣機(jī)的最后設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。

2010年12月10日，美海軍水面作戰(zhàn)中心再次在海軍研究中心達(dá)爾格倫分部進(jìn)行試驗(yàn)。在此次試驗(yàn)中，BAE系統(tǒng)公司的32兆焦實(shí)驗(yàn)型電磁導(dǎo)軌炮樣炮發(fā)射10.4千克重的長方形鋼制彈丸，炮口動(dòng)能達(dá)33兆焦，是目前電磁導(dǎo)軌炮達(dá)到的最高發(fā)射能量。該能量可將彈丸以5馬赫的速度投送到200千米外，是常規(guī)艦炮射程的10倍。

另外，美海軍還在開展電磁導(dǎo)軌防空炮研究。通用原子公司電磁系統(tǒng)部的“閃擊者”電磁導(dǎo)軌炮防空系統(tǒng)繼2009年lO月完成首次多發(fā)彈試射后，又于2010年9月成功試射了空氣動(dòng)力學(xué)彈丸，炮口初速達(dá)到5馬赫，彈托分離正常，彈丸飛行穩(wěn)定。

發(fā)展動(dòng)因

脈沖電源、彈丸／電樞、導(dǎo)軌材料等方面的技術(shù)突破是電磁導(dǎo)軌炮快速發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)艦載電磁導(dǎo)軌炮得以快速發(fā)展還有其他方面的推動(dòng)因素。美軍電磁導(dǎo)軌炮“刨新性海軍原型”計(jì)劃

為推動(dòng)電磁導(dǎo)軌炮技術(shù)發(fā)展，2005年8月美海軍研究辦公室啟動(dòng)了電磁導(dǎo)軌炮“創(chuàng)新性海軍原型”計(jì)劃，2006年又公布了五年發(fā)展規(guī)劃，對(duì)電磁導(dǎo)軌炮技術(shù)發(fā)展做出了明確規(guī)劃?！皠?chuàng)新性海軍原型”計(jì)劃致力于將電磁導(dǎo)軌炮搬出實(shí)驗(yàn)室(電磁導(dǎo)軌炮現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段)，并計(jì)劃2020-2025年將電磁導(dǎo)軌炮裝備部隊(duì)，這是海軍電磁發(fā)射技術(shù)研究的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該計(jì)劃分2個(gè)階段完成。第一階段重點(diǎn)研制發(fā)射裝置，并開展彈丸研究的部分工作；第二階段計(jì)劃將發(fā)射裝置與彈丸進(jìn)行整合，研制技術(shù)成熟度達(dá)到5～6級(jí)的綜合系統(tǒng)演示樣機(jī)。第一階段的工作將于2011年全部結(jié)束，第二階段工作將持續(xù)至2015財(cái)年，重點(diǎn)進(jìn)行彈丸技術(shù)研究。此外，美國2010財(cái)年國防預(yù)算中，海軍電磁導(dǎo)軌炮資金預(yù)算比2009財(cái)年有大幅提高，其中先進(jìn)技術(shù)研究的預(yù)算從2753.2萬美元?jiǎng)≡鲋?274.4萬美元。

美英公司的合作與競(jìng)爭(zhēng)

在電磁導(dǎo)軌炮研發(fā)過程中，美、英兩國早在10多年前就已開始合作。艦載電磁導(dǎo)軌炮項(xiàng)目啟動(dòng)后，英國BAE系統(tǒng)公司一直都在參與項(xiàng)目的研制。另外，2003年4月，英國奎奈蒂克公司還協(xié)助美海軍進(jìn)行了電磁導(dǎo)軌炮射擊演示試驗(yàn)。經(jīng)概念設(shè)計(jì)研究和方案篩選之后，美海軍研究辦公室最終于2006年6月指定BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司牽頭的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開展32兆焦導(dǎo)軌炮的研發(fā)工作。BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司既是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，也是合作伙伴。2010年12月10日完成的射擊試驗(yàn)項(xiàng)目，就由兩家公司共同完成，BAE系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)32兆焦實(shí)驗(yàn)室樣炮，通用原子公司負(fù)責(zé)100兆焦電容器組。同時(shí)，由波音公司和德雷伯實(shí)驗(yàn)室牽頭的團(tuán)隊(duì)也在對(duì)彈丸和一體化發(fā)射組件等進(jìn)行概念研究。

關(guān)鍵技術(shù)

美國現(xiàn)階段電磁導(dǎo)軌炮技術(shù)的研究主要集中在脈沖電源、導(dǎo)軌和一體化電樞／彈丸方面。脈沖電源

由于電磁發(fā)射能源完全來源于電能，具備高儲(chǔ)能密度、大儲(chǔ)能量及快速充電特性的高功率脈沖電源及其開關(guān)控制是電磁發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，它們決定著電磁發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用步伐。電磁導(dǎo)軌炮的發(fā)展在很大程度上依賴于從幾百千瓦至幾十兆瓦級(jí)高功率脈沖電源的發(fā)展。美國海軍設(shè)想的驅(qū)逐艦艦載電磁導(dǎo)軌炮對(duì)功率的需求是15～30兆瓦。海軍艦船上的電源必須能夠保證脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的快速再充電，使電磁導(dǎo)軌炮可獲得較高的持續(xù)射速，這樣才能滿足火力支援的需求。

美海軍艦載電磁導(dǎo)軌炮現(xiàn)階段采用通用原子公司的100兆焦電容器組。通用原子公司為海軍的實(shí)驗(yàn)型艦載電磁發(fā)射裝置研制了獨(dú)立的電容器脈沖電源儲(chǔ)能系統(tǒng)。2009年交付的81兆焦電容器組的每個(gè)緊湊型脈沖電源模塊尺寸為2.4米×2.4米×2米，利用固體開關(guān)技術(shù)饋電，可為不同電磁導(dǎo)軌發(fā)射裝置提供5.5兆安培／10毫秒的電能。

導(dǎo)軌

發(fā)射導(dǎo)軌技術(shù)是電磁導(dǎo)軌炮的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于導(dǎo)軌在兆安級(jí)的電流下工作，材料要經(jīng)受瞬時(shí)極大的熱流沖擊，容易造成導(dǎo)軌的嚴(yán)重?zé)g，所以導(dǎo)軌材料不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度，還必須能承受3～4兆安培的強(qiáng)大電流。同時(shí)，導(dǎo)軌又是承載最大的部件，其材料要求有足夠的剛性和強(qiáng)度來抵抗電磁力，且具有良好的導(dǎo)電眭。

電磁導(dǎo)軌炮的導(dǎo)軌通常由厚銅條或其他導(dǎo)體材料制成，相互平行地嵌在火炮身管內(nèi)。導(dǎo)軌材料和燒蝕效果的實(shí)驗(yàn)表明，燒蝕量最小的是使用鎢的導(dǎo)軌炮。但是鎢的價(jià)格昂貴，而且強(qiáng)度較差，不適于作為導(dǎo)軌炮的材料。目前，世界各國正在對(duì)各種銅合金(銅和銀、鈮、鎢、鐵、鉻、碲、鋁)和碳化鎢等一些合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

一體化電樞／彈丸

電磁導(dǎo)軌炮發(fā)射的炮彈由電樞、彈托和彈丸構(gòu)成。由于彈丸初速極高、動(dòng)能非常大，所以彈丸通常不配炸藥，完全依靠動(dòng)能摧毀目標(biāo)。目前，彈丸研究的重點(diǎn)包括：彈丸在導(dǎo)軌上的加速問題；彈丸組件與導(dǎo)軌發(fā)射器的相容性；更輕、更強(qiáng)的彈托材料，減少發(fā)射器內(nèi)壁的燒蝕。電樞是導(dǎo)軌炮的關(guān)鍵部件之一，目前研究選用的電樞有等離子電樞和固體電樞兩類，其中固體電樞是目前以及未來的研究重點(diǎn)，也是將來電磁導(dǎo)軌炮工程化應(yīng)用的主要形式。美國先進(jìn)技術(shù)學(xué)院早期的研究重點(diǎn)關(guān)注了幾何形狀在電流密度和溫度分布中起到的作用，并在c型電樞的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了鞍型電樞，減少了電流密度的不均勻分布，進(jìn)而控制了電樞燒蝕。

材料和工藝技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室電磁導(dǎo)軌炮樣機(jī)已經(jīng)取得成功，但是戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)用化還面臨重大挑戰(zhàn)，其中先進(jìn)材料和工藝技術(shù)在其發(fā)展中扮演著重要角色，美國當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展電磁炮各關(guān)鍵部件的先進(jìn)材料技術(shù)的應(yīng)用研究工作，包括電磁導(dǎo)軌炮輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和涂層材料、脈沖電源高溫材料、電磁炮的開關(guān)材料、電磁炮導(dǎo)軌耐燒蝕材料等。

另外，電磁導(dǎo)軌炮達(dá)到實(shí)戰(zhàn)化的關(guān)鍵還在于重復(fù)使用壽命、電源儲(chǔ)能密度、開關(guān)、能量轉(zhuǎn)換效率，以及其他工程問題等的解決。美海軍對(duì)未來艦載電磁導(dǎo)軌炮的壽命要求是100～1000發(fā)；能量轉(zhuǎn)換效率能從目前的10％-20％提高到40％-50％。

根據(jù)美海軍的電磁導(dǎo)軌炮發(fā)展計(jì)劃，2020年將研制成64兆焦的電磁導(dǎo)軌炮全尺寸樣機(jī)，2030年部署上艦。屆時(shí)，電磁導(dǎo)軌炮將憑借先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，徹底改變海軍艦炮的作戰(zhàn)效能和使用現(xiàn)狀，促使未來海軍作戰(zhàn)能力發(fā)生重大飛躍。