电磁轨道炮的里程碑

最新试验电磁炮射弹动能达到33MJ

美国海军近日宣布成功进行了电磁轨道炮的试验，这次试验中炮弹速度达到了7倍音速，射弹的动能更是达到了前所未有的33MJ(3300万焦耳)，这是2008年美国海军电磁轨道炮10MJ记录后的另一个新纪录，宣告了电磁炮这一先进技术距离实用又近了一步。美国海军声称实用的电磁轨道炮将具备每分钟6-12发的射速，预计美国海军水面舰艇将在2025年左右装备电磁轨道炮。

自2005年以来，美国海军为电磁轨道炮投入了2.11亿美元的巨额研发经费。尽管电磁轨道炮的实际装备还有待时日，但今日试验的电磁轨道炮性能指标也相当惊人。根据《简氏防务》报道，12月10日美国海军试射的电磁轨道炮由BAE公司负责研制，本身为32MJ的原理验证设备。在10日的两次试射中这门电磁轨道炮将23磅(10.4千克)的射弹加速到2500米/秒左右，先后实现了33MJ和32MJ的实际发射，比2008年实现的10MJ动能大有提高。

根据计算，33MJ的动能可以将这枚射弹发射到至少110海里(203公里)外，让海军水手和陆战队员处于安全的距离上，同时超高速的射弹对防空和导弹防御也具有重大的战术价值。

美军拟将电磁炮射程增至370公里

电磁轨道炮淘汰了传统的发射装药，同时发射出膛的速度远高于传统的炮弹，电磁轨道炮的射弹也无需使用高爆弹头，这还提高了海军人员的安全性。对于2~3马赫的传统炮弹来说，高爆弹头的炸药必不可少，而超高速的电磁轨道炮射弹本身具有极大的动能，美国海军研究实验室主任卡尔少将(Rear Adm. Nevin Carr)举例说，1吨质量的车以100英里(160.9公里)的时速运动时具备的动能约为1MJ。如果说这个对比印象还不够深刻的话，1千克TNT炸药爆炸的能量约为4MJ，33MJ相当于8.25千克的TNT爆炸的能量。射弹在GPS修正INS制导时可以实现很高的制导精度，做到动能击毁目标。

美国海军预计正式装备的电磁轨道炮射弹动能将达到64MJ甚至更高，射弹发射速度达到7.5马赫，可以在6分钟内飞行200海里或是更远，最后以5马赫的速度击毁地面固定目标。由于需要大量的电力供应，电磁轨道炮将装备在未来的全电驱动战舰上，DDG-1000大型驱逐舰可能是它的首选。不过现阶段来看，电磁轨道炮要达到美国预定的目标还有很长的一段路要走，这其中需要克服的技术问题还有很多。

电磁炮研究其实由来已久

尽管电磁轨道炮投入现役还遥遥无期，但电磁轨道炮并不是什么新鲜的想法。19世纪法拉第发现电磁感应定律时，人们很自然就想到了电磁炮的概念，并做了早期研究，概念上电磁炮分为电磁轨道炮和电磁线圈炮两种形式。电磁轨道炮由两条平直导轨和导轨间的弹丸滑块组成，当接通强电流时导轨间产生强磁场，通电滑块在洛伦兹力作用下加速射出。电磁线圈炮则由通电加速线圈和永磁/电磁弹丸组成，通过洛伦兹力加速弹丸。

20世纪开始电磁炮实用化研究

20世纪是电磁炮从理论到实际大发展的年代，1901年挪威奥斯陆大学进行了最早的电磁投射试验，不过使用的是线圈炮(CoilGun)。法国人1919年申请了电磁轨道炮的专利，二战中德国人则实现了最早的电磁轨道炮，它可将10克的射弹加速到1080米/秒，不过射弹在加速过程中就在高温电弧和高速摩擦作用下融化了，后继的设计中使用弹托推动射弹，尽量避免射弹的烧蚀和摩擦。

电磁轨道炮尽管原理上极其简单，但工程上遇到了很多难题：通电导轨之间存在斥力，随着电流的增大斥力同步增加，这需要研制高强度的材料；通电导轨和射弹无可避免的存在间隙，这引发了高温电弧，对射弹导轨和绝缘体进行加热，损害导轨；高速运动的射弹和导轨之间的摩擦加热和强电流的加热，也是工程上的极大障碍，这些难题导致早期电磁轨道炮甚至只有单发的寿命，直至今日也是令人头疼的问题。电磁轨道炮还有对瞬时高能电流的需求，在很长时间也得不到解决，1957年美国空军的科学家们直言不讳的指出电磁炮很难在近期获得成功。

马歇尔博士电磁炮研究获新成果

电磁轨道炮的研究者们在低迷的气氛中继续前行，1977年澳大利亚国立大学的理查德·马歇尔博士成功将3克的射弹加速到5900米/秒。不过即使取得电磁轨道炮的记录，他也没能得到进一步的预算，不得不转赴美国，加入西屋电气公司，并结识了对电磁炮兴趣浓厚的亨利·菲尔(Harry D. Fair)。1981年菲尔加入国防高级研究计划局(DARPA)负责电磁炮项目，但是这个计划在10年内开发出大口径的电磁炮的DARPA和美国陆军联合项目，由于预算和技术的障碍这个项目最终流产。

星球大战计划时期的电磁炮研究

1983年美国总统里根提出了被称为“星球大战”的战略防御倡议(SDI)，针对天基激光的构想，菲尔的电磁炮团队认为相比之下天基电磁轨道炮发射简单的动能射弹，是更好的导弹防御设计。SDI催生了每年得到16亿美元预算的美国战略防御计划局(SDIO)的诞生，菲尔被选定电磁发射部分的负责人，不过出于对强烈政治气氛的担忧，菲尔留在了DARPA，美国空军前飞行员罗杰·莱纳德取而代之。

SDIO电磁炮部分每年可以得到2000万美元预算，在此催生下1985年电磁炮的发展连续出现了难以置信的好消息。西屋和沃特公司的团队都实现了5900米/秒的速度，更有其他的团队实现了10千米/秒甚至15千米/秒的速度，不过马歇尔博士询问后发现他们号称的射弹速度居然是来自计算机模拟的理论计算而不是实际测量。

1986年研究者们终于用高速相机实现了测量，测量的结果令人失望，射弹速度无一达到马歇尔博士1977年的记录，出膛的射弹甚至不是固体，计算机模拟中认定用于加速的很多能量实际上化为了炮口的电弧，更糟糕的是高温电弧产生的等离子体腐蚀了它接触到的一切，高速摩擦的射弹在导轨上划出明显的擦痕，强磁场也扭弯了导轨，这些电磁轨道炮固有的工程难题导致电磁轨道炮寿命只有一发。

相比之下，天基电磁轨道炮的射弹部分发展要顺利得多，其中包括射入大气层内拦截的D-2射弹和大气层外轻型射弹(LEAP)。1987年竞争对手劳伦斯-利弗莫国家实验室的伍德(Wood)的X射线激光器试验效果十分糟糕，总审计署对此也不满，认为是基于政治目的误导国家政策和预算流向，X射线激光器被淘汰，天基电磁轨道炮即将成为星球大战的主要部分，前景似乎一片光明。不过伍德随后提出了智能卵石(Brilliant Pebbles)的设计，经过精心的推销，1988年7月里根总统同意了智能卵石的方案，而莱纳德负责的电磁轨道炮则惨遭削减。

美军90年代中止电磁炮研究

智能卵石时代电磁炮得到了300万美元的预算，可惜这个提议从来没有脱离纸面。与此同时，新一轮寒潮来袭，专家组会议上有人指出经历了5年时间和5亿美元的投资，仍然没有产生一门比1977年马歇尔博士的电磁轨道炮性能更好的电磁炮，还有人认为电磁炮是一场骗局。1990年SDIO中止了电磁发射项目，1992年DARPA和1994年美国陆军也先后中止了电磁炮项目。

进入21世纪美国军队重燃了对电磁炮的热情，美国陆军和美国海军都对电磁炮加强了投资。随着科技水平的整体快速发展，电磁轨道炮的高功率脉冲电源、抗烧蚀发射轨道、电力调节控制等关键技术都有很大突破。目前美国在为新一代航母开发电磁弹射器，电磁弹射器从本质上说就是放大的电磁线圈炮，为电磁弹射器进行的电源研制也惠及海军的电磁轨道炮。目前脉冲电源的两个方向是脉冲补偿交流发电机和高密度储能电容技术，美国海军以脉冲补偿交流发电机为发展方向，脉冲电源还需要解决精确放电技术。

1.需要更大容量的脉冲电源

从目前技术水平来说，发电机对脉冲电源的充电效率可达90%，但脉冲电源对炮口能量的转换效率则很低，一般还在10-20%之间，远低于电磁轨道炮50%的理论转换效率，这更加大了对脉冲电源功率的要求。美国海军的64MJ电磁轨道炮，即使届时脉冲电源对炮口能量的转换效率提高到25%，也需要脉冲电源具备256MJ的容量。

2.需要更耐高温和更高强度的导轨材料

实用电磁轨道炮的发射轨道要实现100发以上的寿命，抗烧蚀技术也是急需解决的问题。烧蚀问题是电磁轨道炮在试验阶段屡屡碰壁的核心问题，早期为了追求高加速使用等离子体电枢。美国陆海军对电磁轨道炮并不追求太高的速度，改用固体电枢减少了等离子体的生成。针对高速摩擦，和电磁斥力，需要提高导轨的强度和刚度，研制耐高温耐腐蚀的高强度新型材料。

3.电流回路需进一步优化设计

此外不仅要考虑导轨电枢接口，高速导轨和易被磨损的炮口处轨道，还要考虑到电枢、弹托以及固体电枢融化后对导轨的影响，进行综合设计。尤其是发射时炮口的导轨部分会因为电弧放电受到更为强烈的烧蚀，需要在射弹出炮口前衰减电流，但这又会使电流回路复杂化。

4.射弹形变和炮身姿态控制

2500米/秒的高速射弹将面临剧烈的加热，会带来微小的形变，会对飞行轨道产生很大影响。超远射程时炮身本身的偏移也会对命中精度产生影响，这需要电磁轨道炮实现更精密的姿态控制，而这些是目前从未试验的部分。

5.电磁炮无法配备现役战舰

64MJ的电磁炮要实现每分钟6-12发的射速，需要发电机功率高达15MW-30MW，而美国DDG51伯克级驱逐舰只有3台3000KW/3MW的发电机，未来的伯克3也只有4台3MW发电机，除了全电驱动的战舰如DDG-1000，其他战舰不可能使用64MJ动能射弹的大型电磁轨道炮。但是未来如果没有意外的话，装备电磁炮的将很可能只有屡遭削减的3艘DDG-1000驱逐舰。

电磁轨道炮的一体化发射装置问题相对较少，2004年美国海军的发射中已经验证了一体化发射装置可在炮口分离，分离后射弹也能保持稳定飞行。总而言之，目前电磁轨道炮在技术上仍存在诸多难题，其研制工作还要持续很长时间。

电磁炮射弹射程得到飞越性提高

不过虽然有如此多的难题，但电磁轨道炮仍然具有前所未有的性能优势，它将改变海战的面貌，堪称飞机投入海战之后的另一场革命。现代战场上单件武器打击能力的强弱主要取决于打击射程、打击时间和打击精度，电磁轨道炮在前两点上实现了革命性的提升。

目前海上主力舰炮的射程一般为20-30公里，如美国海军主力舰炮MK 45的射程为13海里(24公里)，炮弹动能约为10MJ。在面对有效射程达200-300公里的反舰导弹时，其火力投射只能处于绝对下风。电磁轨道炮具有极远的打击射程可在防区外攻击，又有更短的打击时间便于响应陆战队的火力召唤，同时廉价的成本实现了炮弹的价格导弹的威力，可以将海军的对陆打击能力提高了一个全新的水平。

电磁炮将极大增强对陆攻击力

电磁轨道炮达到了远高于MK45舰炮也高于岸基反舰导弹的射程，实现对传统岸防火力的单向打击能力。正如航空母舰横空出世，凭借舰载机具备单向打击能力让战列舰退出历史舞台一样，电磁轨道炮的服役也将使各沿海国家数十年来苦心经营的岸防火力体系过时，其战略价值如何高估也不过分。

具备防空与反导潜力

电磁轨道炮射弹具有极高的速度，还具有防空与反导的潜力。虽然从美国海军的规划看，最初部署的64MJ动能射弹的电磁轨道炮不会具备反导能力，但美国追求上升段和助推段拦截，后继的电磁轨道炮具备反导能力几乎是必然的。反导拦截弹的成本多数在动能杀伤拦截器(KKV)上，即使使用电磁轨道炮反导成本也无法大幅度降低，但轨道炮具备超高加速的特点，是实现助推段和上升段拦截的最佳选择。

电磁炮巨大的性能潜力，让很多人相信未来电磁炮装上全电战舰后掀起的海战革命或许会带来大炮巨舰时代的回归，将航母推下海上霸主的神坛。那我们这里不妨就将其与航母进行一下对比。

首先是打击距离，按照美军的计划在2025年将装备的电磁炮射程可以达到370公里，而目前航母战斗群的战斗半径已经能够达到500-600公里，未来装备F-35C后将扩展至1000公里，航母战斗群在打击距离上将拥有明显的优势。

其次是探测距离，装备电磁炮的全电战舰即便拥有远射程的电磁炮，但受地球曲率影响，其雷达探测和警戒距离仍然有限。而航母战斗群因为装备有预警机，能够实现更大的探测范围，从而能够实现先敌攻击和对己方远程炮弹和导弹进行中继引导攻击。

三是传感器支持，装备电磁炮的全电战舰由于电磁炮射弹远射程的关系，它必然需要大量的传感器平台支持，这也是对它的一个巨大限制。而航母本来就是一个巨大传感器和传感器投放的平台，航母战斗群能够在体系上支持起一个独立的远程作战，而全电战舰却不能。这就犹如当年武库舰与航母的对比一样，最终武库舰出局的一个很重要的原因就在于它本身需要太多传感器支持。

因而基于以上对比，在可预见的时间内，即便是在电磁炮装备全电战舰后，航母这类独立的全面攻防作战平台将依然是海上霸主。但是在几十年后随着技术的进一步发展，双方的性能发展就很难预料了，届时谁将是海上霸主也同样是不可预测。就如同没有人在CV-1兰利号航母服役前就预料到埃塞克斯级航母的辉煌一样。

目前看来，尽管美军电磁炮项目取得了突破性进展，但要克服的技术难题还有很多，电磁炮还远未实现实用化，离美军的预定目标仍然还有很长的一段路要走。不过纵观在美国整个电磁炮的研制发展过程中，我们可以看见尽管美国在电磁炮研制上一波三折，但却始终未彻底放弃研究，积累下的丰富经验最终让美国在新世纪的电磁炮研究上得到巨大突破，取得了对它国的绝对领先优势。实际上放眼美国所有的国防武器研究项目，到处都充满了项目上的折返，这本就是武器发展的必要之路，武器只有在反复尝试中，才能找到正确的道路，但美军这种带有先见性的预先研究，却让它始终处处抢占先机。

对于中国来说，即便可以通过跟踪外国技术的发展来节省时间和成本，但关键技术是买不来的，尤其是这类需要大量工程实际经验积累的项目。中国也只有加强预研，才可能在电磁炮领域不再大幅落后。