電磁炮路在何方

向瓊長+陳和彬

據《財經時報》網站報道，美軍近日決定放棄電磁炮項目，五角大樓將再花費8億美元，將電磁炮的研制重點轉為防御性用途，同時用常規火炮來發射已經為電磁炮研制的彈丸。2015年美國流行的軍事科幻小說《幽靈艦隊》中，“朱姆沃爾特”號用電磁炮把幾百千米外對手航母打成兩截的場景，看來永遠無法成真了。

電磁炮又稱電磁軌道炮，是利用電磁發射技術制成的一種先進動能殺傷武。20世紀80年代以來，美、德、法等軍事強國均將電磁炮作為一種殺手锏武器研究，其中美國研制電磁炮水平最高。

在研究水平“遙遙領先”的條件下，美軍為何忽然做出此決定？電磁炮的難度究竟在哪里？其出路在何方？美軍的決定，是否意味著電磁炮將從美軍未來的裝備藍圖中出局？

陸軍：食之無肉的“雞肋”項目

美國陸軍在基礎研究、應用研究和先進技術演示驗證二類項目這三個領域中，均涉及了電磁炮的相關技術，并明確了以反坦克輕型車載電磁炮為研究重點，主要進行了脈沖電源、發射器、彈藥和發射試驗四個方面的研究論證。

從2008年開始，美國陸軍對電磁炮項目的投入不斷加大，其研究也取得了一些進展，但是總體而言，電磁炮對于美國陸軍，仍然面臨著極大的技術挑戰。實際上，該項目正逐漸成為美國陸軍的“雞肋”項目。造成這一現象的主要原因在于，在現有技術條件下，電磁炮脈沖電源的“減負”（縮小體積和降低重量）目標難以完成，導致美國陸軍以反坦克為研究初衷的車載式電磁炮項目，不具備技術可行性。因此，美國陸軍決定終止對該項目的投資。在2012年，美國陸軍減小了演示規模，并進行了一些終止合同的收尾工作。

海軍：成果與風險并存

與美國陸軍相比，海軍的電磁炮研發速度較快。一方面，美國海軍對電磁炮項目的投資力度較大， 2010年美國海軍對電磁炮的投資是陸軍電磁炮投資的5倍，到2011年這一差距進一步擴大到了10倍；另一方面，則因為艦載式電磁炮的開發難度比車載式輕型電磁炮小得多。

為了使電磁炮獲得足夠的電磁能來推射炮彈，電源必須在短時間內釋放出非常高的電流?，F有技術條件下設計出來的電磁炮脈沖電源體積巨大，只能夠安裝在海軍艦船上，無法集成到輕型車輛平臺上。因此，相比于美國陸軍，美國海軍對電磁炮的研發興趣要大得多。

從2008年起，美國海軍電磁炮先后進行了炮口動能小于16兆焦、等于16兆焦和32兆焦實驗室用發射器的演示，并進行了發射器的壽命測試和艦船集成研究。2009年完成了樣炮的中期評估，制造并組裝了電磁發射設備所需的脈沖電源模塊。2010年，美國海軍啟動了該項目階段的終期評估，并開始設計新一代的脈沖電源。

美國海軍電磁炮項目于2010年12月10日取得了重大突破，從一門試驗型電磁炮發射了一枚矩形鋼制炮彈，創造了炮口動能33兆焦的世界紀錄，使炮彈射程至少能達到204千米。該試驗完成后，美國海軍還進行了一次動能32兆焦的試驗發射，將重10.4千克的試驗彈以2500米/秒的初速射出。美國海軍還在防空用途的電磁炮方面展開研究。通用原子公司研制的“閃擊者”電磁炮防空系統于2009年10月進行了首次多發彈發射試驗，又于2010年9月成功發射具有良好氣動特性的炮彈，炮口初速馬赫數達到5，且彈丸飛行穩定。

2011年，美國海軍完成了五項工作：一是發射器的材料、物理和熱特性研究；二是炮口動能32兆焦的炮彈和發射器的研發；三是完成炮彈的殺傷威力研究；四是建模與仿真能力的開發；五是下一代脈沖電源的概念設計。

如果沒有此次暫停令，按照計劃，美國海軍預計將于將開始地面演示，2019年開始上艦演示，為2020年后的實際裝備奠定基礎。根據項目進度要求，美國海軍計劃于2020年至2025年將電磁炮裝備部隊。

電磁炮的技術瓶頸

迄今為止，美國在電磁炮領域的研究不斷取得新的成果，電磁炮“走向戰場”看似離美軍越來越近。然而，電磁炮雖然原理簡單，但技術卻復雜。現有電磁炮技術尚不成熟，其“實戰化”仍有很長的路要走。

目前，電磁炮的“實戰化”主要存在以下技術瓶頸：

需要更大容量的脈沖電源 從目前技術水平來說，發電機對脈沖電源的充電效率可達90%，但脈沖電源對炮口能量的轉換效率則很低，一般還在10%～20%之間，遠低于電磁軌道炮50%的理論轉換效率，這便加大了對脈沖電源功率的要求。對于美國海軍而言，除了裝備綜合電力系統艦以外，還沒有哪種軍艦能提供電磁炮所需的電能。在過去，驅逐艦上90%的能量都用于供給推進系統。以美國海軍裝備的64MJ電磁炮為例，即使脈沖電源對炮口能量的轉換效率提高到25%，也需要脈沖電源具備256MJ的容量，這在當前來說是不小的挑戰。

美國陸軍曾于2004年啟動了車載輕型電磁軌道炮演示項目，要求全車重不超過20噸。但是，由于對脈沖交流發電機關鍵技術發展狀態估計不足，到2009年，電源樣機重量和體積規模依然無法滿足論證設計要求，最終導致美陸軍工程樣機演示計劃擱淺。在2008財年，美國陸軍使用輕型懸臂式電磁炮在電磁場環境中進行了發射試驗，但是在試驗中，脈沖電源產生了裂紋。

另外，電磁炮的電流回路需進一步優化設計，不僅要考慮導軌電樞接口，高速導軌和易被磨損的炮口處軌道，還要考慮到電樞、彈托以及固體電樞融化后對導軌的影響。尤其是電磁炮發射時，導軌部分會因為電弧放電受到更為強烈的燒蝕，需要在射彈出炮口前衰減電流，這又會使電流回路更加復雜化。

需要更耐高溫和更高強度的導軌材料 電磁炮在發射過程中，按彈丸質量10千克、初速2500米/秒的要求，電磁炮發射回路產生的電流相當于強雷擊峰值電流的25倍，同時，電樞與導軌高速滑動產生嚴重刨削或燒蝕，平行軌道間還存在巨大的排斥力，這就要求制作電磁炮導軌的材料必須同時具備高導電性能和高強度抗摩擦和腐蝕。

現有材料中，銅、金、銀等高導電率材料的強度相對較低，合金鋼、鎢合金、鈦合金等高強度材料的導電率又不高，沒有同時滿足要求的材料，目前只能在軌道結構設計上采取多種材料分層復合的方式，但仍然無法完全滿足武器化的要求，這已成為制約電磁炮實用化的首要難題。

燒蝕問題是電磁軌道炮在試驗階段屢屢碰壁的核心問題。為此，美國陸海軍降低了對電磁軌道炮的速度要求，改用固體電樞減少了等離子體的生成，從而減少導軌的燒蝕。同時，針對高速摩擦和電磁斥力，需要提高導軌的強度和剛度，因而需要研制耐高溫耐腐蝕的高強度新型材料。目前正在發展中的技術主要是炮口設計和炮口動能管理，其中炮口部分的設計主要是研究如何將來自電源的電流轉換到炮膛內。電磁炮與化學能炮不同，化學能炮可利用氣體在炮口產生較高的壓力，而電磁炮則必須管理剩余的電流（即電能）。因此，工作重點應該集中在這一部分。

射彈形變和炮身姿態控制 電磁炮若要實現遠程精確打擊，必須采用制導彈丸。而要實現2500米/秒的高初速，就要對彈丸的發射過載能力提出更高的要求。即便是目前國際上最高水平的制導組件，其抗過載能力也遠達不到要求。因此，制導器件的抗高過載，也成為電磁炮實用化必須解決的重要難題。對于出膛速度2500米/秒的高速射彈來說，彈丸將會面臨劇烈的加熱，并會產生微小的形變，從而會對飛行軌道產生較大影響。超遠射程時，炮身本身的偏移也會對命中精度產生影響，這需要電磁軌道炮實現更精密的姿態控制，而這些是目前從未試驗的部分。

此外，由于電磁炮通常距離目標超過 300千米，電磁軌道炮不能像普通槍管一樣去瞄準，而需要空氣動力學的校正，炮彈到了空中必須由來自衛星的指令對其運行方一向進行修正。同時，炮彈在出膛時的加速度會達到地球重力加速度的45000倍，炮彈上攜帶的電子器件要經受得住這種加速度的挑戰。

炮管壽命問題 英國BAE系統公司還在考慮發射管與戰術型基座集成方面的相關技術，也就說，要求安裝在戰術型基座上的發射管要像火炮那樣，能夠進行瞄準和訓練。上述所有的技術都具有很大的挑戰性，尤其在發射器方面，炮膛的壽命是最大的難題，因為它不但需要根據幾何學方面的知識進行巧妙地設計，而且還需要利用材料科學方面的技術加以配合，實現起來絕非易事。

對于海軍來說，電磁炮炮管的壽命，即在整修之前電磁軌道炮的發射次數，也是一個重大的問題。這是因為，海軍一旦將這種炮部署到海上，就要求它們必須具有較長的使用壽命，而不希望僅僅是為了整修電磁軌道炮就必須召回艦艇。炮管的壽命也就是武器系統內部的軌道和部件的壽命，美國海軍一直在強調這點。為此，英國BAE系統公司正在努力解決這一問題，以使電磁軌道炮能夠盡可能多地發射炮彈。

炮彈研制很困難 負責研制工作的美國海軍少將內文·卡爾（Nevin Carr）在國會聽證會上曾說過，“成本-效率曲線在彈丸動能32兆焦處會出現一個拐點。在這個拐點之后，加速度會導致這種炮彈的研制很困難。美國目前研制的最先進的抗過載電子設備能抵御30000g的加速度，但再高就不行了，沒有電子設備就沒有制導，就沒有電磁炮之前想定中的種種優勢。出于種種理由考慮，軌道炮研究的重點應集中在20～32兆焦的范圍”。

這也就是說，目前在研的電磁炮彈丸炮口初速馬赫數7，射程90千米～180千米，這已經根本無法和當初計劃中64兆焦動能，射程360千米相提并論了（480千米就更別提了）。這樣的電磁炮與“朱姆沃爾特”的155毫米艦炮相比已經沒有什么優勢了，后者射程也是180千米。

美國北卡羅萊納大學物理學家馬克·古布魯德表示，即使能源問題得到解決，電磁炮仍有很大的困難；現在美軍是在用質量和速度/距離做交換，同時還要受到總能量的限制。電磁炮彈丸被做得非常輕，現在大概是23磅（1磅約等于0.45千克），而普通的5英寸（1英寸約等于2.54厘米）火炮彈丸是70磅，如此輕的炮彈將會在飛行中迅速失去動能。無論在電源問題上取得多大的技術進步，電磁炮炮最終要面對它的極限。說到底，沒有任何技術突破能夠打破物理法則，這就是電磁炮面對的最大問題。同時，電磁軌道炮發射后，彈丸失去動力，且飛行速度快，機動能力有限，彈道軌跡容易預測，隱身能力差，還會帶來暴露母艦位置的危險。

由于電磁炮在研制中遇到的困難尚難以克服，美國五角大樓已決定取消了海軍的電磁軌道炮項目的研發經費。一心追求絕對技術優勢的軍方，在財政壓力下不得不再次低頭。

電磁炮曾被媒體連篇累犢地報道，甚至在好萊塢片中被描繪得神乎其神；如今，國防部的苛刻態度，是否意味著它們己從未來的裝備藍圖中出局呢？

在美軍龐大的武器研制清單中，還有數十種激光武器和電磁武器，它們部署的位置從陸地、空中一直延伸到太空。即便電磁炮真的胎死腹中，美國海軍新型艦艇的戰斗力因此受損，美軍開發類似“科幻”裝備的總體勢頭也不會削弱。在最理想的情況下，就算二者在預算中被砍掉，等到下一個財年來臨，它們依然有機會得到“再包裝”，進而被釋放出來重返新武器研發序列。

電磁技術領域近年也處于一個快速推進期，作為一種全新概念、全新技術的武器，電磁炮的發展不可能一蹴而就。雖然具體時間不易預測，但十余年內，美國海軍擁有實用化的電磁艦炮還是完全有可能的。屆時，海戰的游戲規則或將隨之改變。