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极速猎杀-美国海军试验电磁炮  

2012-03-05 21:24:12|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国海军此次测试的电磁炮 

此前,美国海军开始对其电磁炮样炮进行测试,这标志着美国海军在电磁炮的研制中取得重大进展,为最终实用打下了基础。

此次测试的地点是在测试地点是在位于弗吉尼亚州达尔格仑的美国海军水面战分部,测试从低能量状态开始,将持续一个月,射程50-100公里之间,按照原计划,全状态的电磁炮将会在2017年配备美国海军,它的服役将会大大提高美国海军的对地打击能力。

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 美国电磁炮发展规划

我们知道传统火炮是利用火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸,随着射程的增加,对于火药压力的增加也直线上升,目前受限于技术手段,常规火药能量的增加已经达到极限,因此传统火炮的射程一直徘徊不前,这样人们为了达到提高火炮射程的目标,开始寻找新的弹丸发射手段,其中电磁炮就是其中的一个,它的原理实际上非常简单;根据法拉弟电磁感应原理,位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动,同时,如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动,导线上也会产生电流,电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力,来抛射炮弹的,各国发展电磁炮的设想实际上非常早了,早在19世纪就有人提出利用电磁力发射炮弹设想,在20世纪初,电磁炮的原型被正式提出,在两次世纪大战的时候,各国都对电磁炮进行了探索,但是受限于当时的技术条件,并没有达到实用化的标准,战后美苏等国继续研制电磁炮,并且在关键的大功率电源系统、电容器等技术研究中取得了较大的进展,这些都为电磁炮的最终实用打下了坚实的基础。

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 电磁炮(轨道炮)的原型图

电磁炮按照原理可分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮等,考虑到结构及难度等问题,目前各国发展的重点主要集中在轨道炮,它的结构非常简单,两条平行的长直导轨组成,导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸.当两轨接入电源时,强大的电流从一导轨流入,经滑块从另一导轨流回时,在两导轨平面间产生强磁场,通电流的滑块在安培力的作用下,弹丸会以很大的速度射出,这就是轨道炮的发射原理.与常规火炮相比,它的优点是对于弹丸作用时间长,因此炮口动能大,根据相关资料电磁炮的炮口动能可以达60焦耳,相比较之下,采用高能发射药的美国MK45型127毫米火炮,其炮口动能只有10兆焦耳,相当于电磁炮的1/6,即使最新型的先进舰炮系统-AGS,它的炮口动能也只有30兆焦耳,这样电磁炮的炮口速度、射程都大大优于普通火炮,另外弹丸的飞行速度也远远高于后者,这样它的威力就高于后者,特别是可以拦截速度较快的目标,如弹道导弹,另外在攻击地面目标的时候,它的穿透能力也更强。另外弹丸受力比较均匀,因此飞行比较稳定,命中精度较高,还有就是后座力较小,并且没有火药工作时产生的烟雾,对于周围环境的影响较小,不容易暴露自己的位置,隐蔽性能好,这点对于战舰来说特别重要,对于舰艇的结构和雷达等探测系统的影响较小,适合装舰使用,这也是为什么美国海军对于电磁炮如此热心的一个重要原因。此外电磁炮还有弹丸发射能量可调,经济实用等优点。可根据目标性质和射称大小可快速调节电磁力的大小,从而控制弹丸的发射能量,与常规武器比较,火炮发射药产生每焦耳能量需要10美元, 而电磁炮只需要0.1美元。

 

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电磁炮对于电力要求较高 

不过电磁炮虽然优点众多,但是技术难点也不少,所以电磁炮迟这未能进入实用,电磁炮的需要高能量密度、大储能、能够快速充电的高功能脉冲电源及其开关控制系统,这是电磁炮技术的基础,要求载体的供电量能够达到瓦级,以支持电磁炮的使用,特别是能够迅速的再次充电,以提高电磁炮的持续射速,近年来各国在脉冲电源的小型化得到较大的进展,但是距离实用还是有一定的差距,这也是今后各国研究的重点,第二就是导轨,由于电磁炮的电流巨大,达到瓦级,所以产生的热力、电磁力是非常大的,例如电流工作的时候,瞬时热流对于轨体的冲击,非常容易造成轨体本身的烧蚀,这样就需要导轨本身有较强的强度和刚度来抵抗这些力量的冲击,同时还要保证具备良好的导电性能,在早期实验室阶段,电磁炮一般采用巨大、厚重的铜导轨,但是在舰艇及车载使用情况下,显然无法装载如此巨大的导轨,所以最近也出现了采用其他材料的导轨,如钨,但是钨价格昂贵,所以各国也在寻找其他材料或者合金及半导体做为电磁炮的导轨材料。还有就是弹丸,电磁炮的弹丸与传统火炮不同的时,它没有装药,而是凭借较大的速度和动能,用直接撞击的办法摧目标,电磁炮的弹丸由电枢、弹托和弹丸组成,目前研究的重点是如何让弹丸能够迅速的在轨道上迅速的加速,并且控制对轨道本身的冲击,还有就是炮弹发射出去后的余流问题,目前主要采用电感炮口能量收集和电阻炮口能量收集,前者通过炮口的电缆将剩余能量引到炮尾,后者直接剩余的能量导出,这样就可以减少火炮发射时的声音和尾焰,提高火炮的隐蔽性。

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电磁炮的威力较大 

美国海军对于电磁炮如此热心,在于冷战后“从海到陆”战略的转变,冷战后,由于美国海军已经掌握了世界各大洋的制海权,因此频海地区作战成为美国海军主要作战形式,美国海军认为随着先进雷达系统、反舰导弹、岸炮的扩散,越来越多的国家开始配备先进的岸防武器系统,新型的岸炮最大射程已经接近50公里,而反舰导弹的射程也超过100公里,岸防雷达的探测距离、精力和抗干扰能力也更强,这样就形成了较为齐全的对海防御火力,在这些地区作战的舰艇面临着越来越大的压力。而美国海军冷战时期主要对陆支援火力是依荷华级战列舰,冷战后由于这些战列舰过于老旧,加上预算减少,已经全部退役,这样美国海军的对陆支援火力主要集中在MK45型127毫米舰炮上面,但是这种火炮的射程较近,不到30公里,还比不上一些新型的舰炮,显然美国海军不会让数亿美元的舰艇到到近岸去和对方对轰,虽然美国海军还有对陆攻击巡航导弹和陆战队的AV-8B垂直起降战斗机,但是前者体格昂贵,显然不能用于攻击战术型的目标,后者难以提供持续的对陆支援火力。

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MK45的远程打击能力较弱 

在这种情况下,从上世纪90年代开始美国海军开始着手提高对岸支援能力。首先是提高常规舰炮的射程,主要是为现役的MK45型127毫米舰炮配备增程制导炮弹,与以前的普通炮弹相比,增程制导炮弹采用了火箭发动机及高抛弹道,这样将其射程提高到100公里以上,同时采用了GPS制导系统,确保了炮弹的命中精度,这样就在一定程度上提高了MK45型舰炮的支援火力,但是127毫米舰炮炮弹体积相对较小,添加火箭发动机和制导系统后,影响装药质量,因此其威力较低,难以对付坚固的目标,在这种情况下,美国海军发展了先进舰炮系统,也就是配备在新型驱逐舰上面的的155毫米垂直发射舰炮,根据美国海军的要求,先进舰炮系统可提供全天候应召火力,对付敌兵力或坚固的火力点,对岸轰击,为突击准备两栖作战目标区,并协助陆上部队沿海岸线推进,垂直发射舰炮总体:垂直发射舰炮主要由两座垂直或几近垂直的155毫米口径炮、全自动弹药仓和增程制导弹药组成,包括装弹机、弹药转运控制系统、火力控制系统、推进系统、电气联接系统等。它们共同构成一标准模块,垂直安装于甲板之下。这一标准模块同现役“宙斯盾”舰上的64单元MK41垂直发射装置是同样的,并有与舰上作战系统相连的电器和机械接口,垂直发射舰炮具有发射各种火箭助推弹和非火箭推进的弹道弹丸的能力,可以采用GPS与惯性导航相结合的制导和控制系统。一个典型的垂直发射舰炮弹丸飞行体重90公斤、长约1.9米。无论弹丸的特点如何、采用何种发射药、何种制导和寻的技术,垂直发射舰炮的弹丸在发射后都获得较大速度垂直向上。由于弹丸的大部分能量在穿越大气层时因空气阻力而消耗,因此最有效的弹道是直接进入高空大气层后,炮弹“翻转”转向,启动发动机,在全球定位系统和惯性导航系统的复合控制下飞向目标。垂直发射舰炮的弹药仓可以容纳750~1500发各种弹药,采用全自动方式供弹,可以最大15发/分的射速发射155毫米炮弹。

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先进舰炮系统仍然能力不足 

虽然先进舰炮系统具备操作维护容易、全寿命费用低以及射程远、初速高、发射率大等优点,但是它也有自己的缺点首先就是炮身结构复杂,炮管由若干炮管段组成,各段之间垂直相连,由一种挤压装置将各炮管段沿轴向推压在一起,并固定在其垂直(或近乎垂直)位置。这样各段炮管之间的密封性能就成为火炮质量和舰艇安全的关键,另外就是发射药产生的后座力较大,对于舰艇结构的冲击问题。

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 美国海军电磁炮效果图

 

在这种情况下,美国海军决定发展电磁炮用于对陆攻击,以实现所谓的“猛烈打击、快速打击、持续打击‘的目标,根据相关资料,美国海军第一代电磁炮的炮口动能在16-32兆焦耳,炮口初速2500米、秒,炮弹初速可以达到6马赫,射程达到370公里,射速可以达到6发/分,由于射程远、动能大,所以电磁炮可以用来打击远距离坚固目标,而在此前,这些目标只要用战斗机投掷重磅炸弹来攻击,而远期美国海军希望把电磁炮的炮口动能提高到64兆焦耳,这样它的威力就更大,可以取代先进舰炮系统,实现美国海军舰炮的电磁炮化。

由于电磁炮的优良性能,我国海军开始了相关技术的跟踪和研究,尤其是以马明伟院士为首的科研队伍提出的“全电动力“技术为电磁炮在我国海军水面舰艇运用打下坚实的基础,由马院士为首研制成功的高功率密度集成式惯性储能装置更是电磁炮的关键技术,这些都表明我国海军在电磁炮领域取得了较大的进展,国产电磁炮的出现已经指日可待。

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注:

参考资料:

1、美军电磁炮的发展与重点

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