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讲武谈兵|日本首次试射舰载电磁炮欲用于“秒杀”高超武器

  • 产品概述

  近日,日本防卫省采购技术后勤机构对外宣布,成功进行了全球首次舰载电磁轨道炮的海上试射。该机构表示,正在大力推进舰载电磁轨道炮的研发进度,争取尽快装备到日本海上自卫队新一代主力战舰上,从而应对潜在的高超声速反舰导弹的威胁。

  电磁轨道炮属于电磁动能武器的一种,自20世纪70年代以来是最为热门的新概念武器之一。通常来说,世界武器发展从古至今经历了机械能时代(刀枪弓箭)、化学能时代(枪炮火箭)以及核能时代(、氢弹等核武器)。而随着高新技术的发展以及不断成熟,先进武器装备的发展已经一只脚踏入了电磁能时代,其中最为典型的代表就是电磁武器。

  按照不同的杀伤力以及工作原理,电磁武器可以大致分为电磁动能武器、电磁脉冲武器、人工智能武器、信息武器以及电磁失能武器等五大类。其中,电磁动能武器主要是指以电磁力或者电磁能来驱动弹丸以及物体,从而毁伤敌方目标或者达成作战目的的武器。目前最为成熟的主要有两类,一是电磁弹射器,另一种就是我们一开始提到的电磁炮。

  电磁炮的类型再进一步分类的话,可大致分为电磁轨道炮、电磁线圈炮以及电热炮等武器。在这几类电磁炮中,近年来各国投入最多精力研发的,就是相对来说技术难度最小的电磁轨道炮。

  从原理及结构来说,电磁轨道炮是最简单的一种电磁炮。其整体的结构包括高功率脉冲电源、大功率闭合开关、一对平行的金属导轨以及包括电枢在内的射弹。动手能力较强的读者们还可以利用手边的材料,自己组装一门威力极小的电磁轨道炮原理样炮。

  电磁轨道炮利用强大电磁能,将弹丸的速度加速到极高,大大超过传统化学能火炮的射程。

  与电枢制成一体化的射弹位于平行金属导轨的一段,主要材料能够使用固态金属块或者等离子体,而电枢的主要是作为滑动开关以及电路短路使用。金属导轨一定要采用导电性能好的材料,并且具备很好的耐烧蚀、磨损性能以及更高的机械强度和刚性,以便承受发射时的高速摩擦、高温烧蚀以及巨大的震动和后坐力等。

  平行金属导轨通常还会被镶嵌在高强度的复合材料绝缘筒内,性能类似常规火炮的筒形身管。这也是我们正真看到此次日本防卫省采购技术后勤机构测试的电磁轨道炮采用圆筒状炮管的原因,其实内部还是以方形的平行金属导轨为主。而平行金属导轨除了与电枢形成闭合电流回路以外,还要赋予弹丸以预定的射角以及射向。高功率脉冲电源则通过大功率闭合开关与平行金属导轨相连。

  发射时,开关闭合,高功率脉冲电源输出的电流通过整个回路产生巨大的磁场,而电枢电流与磁场相互作用形成一个向前推动的电磁推力。于是,电枢推动弹丸并不断加速,最后以超高速飞出平行金属导轨,即炮口。同时,导轨以及整个电磁轨道炮发射系统也要承受推动电枢以及弹丸运动的电磁推力的反作用力。

  与传统的化学能火炮相比,电磁轨道炮的技术优势比较多。除了原理及结构简单以外,电磁轨道炮第一个最为突出的优势就是弹丸初速高,通常都超过了2000米/秒,这是传统化学能火炮无论如何也达不到的初速。高初速可以大幅度降低瞄准、跟踪高速飞行目标的难度,大幅提升命中概率。

  电磁轨道炮的其他优势还包括:发射成本低,在相同炮口动能的情况下,其发射成本仅为传统化学能火炮的1%;发射时产生的炮口火焰、烟雾、冲击波以及后坐力,远小于传统化学能火炮;可以通过控制输出电流功率来灵活调整射程;弹丸重量可以大幅度的降低,从而大幅度的提高备弹量等。

  正是因为电磁轨道炮有着种种传统化学能火炮不能够比拟的优势,所以一些军事强国早在二战就试图研发出实用的电磁轨道炮。但限于当时的技术水平,这些研发工作都没取得太大的成就。直到20世纪70年代以后,在美国、法国、德国以及苏联等国军方的全力支持下,再加上技术的进步,电磁轨道炮终于开始一步步走向实用化,并且不断攻克耐高温烧蚀等技术难关。

  进入21世纪之后,美国海军在电磁轨道炮的研发上走在世界最前列,提出了炮口动能32兆焦的大型电磁轨道炮的研发计划,而参与该计划的分别是英国BAE系统公司和美国通用原子公司。2014年,美国海军率先将这两家公司研发的大型电磁轨道炮原型样炮,安装到军舰上测试。但由于诸多实用化难题始终没有办法解决且超支严重,美国海军最终停止了大型电磁轨道炮的研发。

  对于日本防卫省来说,电磁轨道炮这种很有前途的新概念武器,同样有着不同寻常的吸引力。在世界各国纷纷全力研发电磁轨道炮的背景下,日本防卫省自然也不甘落后。再加上日本在新材料、能源技术、微电子技术等方面还具有一定的优势,因此也具备了研发电磁轨道炮的基础。于是,从20世纪90年代开始,日本防卫省的有关技术研发机构,比如地面系统研究中心,一直在开展电磁轨道炮的技术攻关。

  与其他国家一样,日本防卫省一开始研发的都是小口径、低功率电磁轨道炮原理样炮,口径采用了16毫米,主要进行技术可行性探索以及验证工作。在原理及结构设计上证明可行之后,日本防卫省才进一步启动实用化的电磁轨道炮研发计划。与美国不同的是,日本防卫省研发的是大多数都用在防空反导的中小口径电磁轨道炮,而不是前者研发的那种用于超远程精确打击的大口径电磁轨道炮。

  在好莱坞科幻电影《变形金刚2》中,就有美国海军利用安装在“阿利·伯克”级导弹驱逐舰舰艏的超远程大口径电磁轨道炮,将霸天虎一派的大力神打得四分五裂的镜头。虽然是科幻情节,却较为真实地反映了美国海军研发电磁轨道炮的主要用途,就是实现上千公里以上的快速精确打击能力,其威力接近“战斧”巡航导弹,但是发射成本却少得多。

  正因为美国海军对电磁轨道炮提出了很高的要求,包括炮口动能、射程、弹丸初速以及效费比等,所以目前的技术水平很难满足设计目标。反过来,日本防卫省所提出的用于防空反导的中小口径电磁轨道炮,其研发难度就要小得多。

  2018年,日本防卫省首次对外公布了16毫米电磁轨道炮原理样炮的主要性能以及研发情况——其电源输出功率仅为1兆焦,可以将重20克的铝制电枢弹丸加速到2.7公里/秒。

  此后,日本防卫省真正开始启动了40毫米防空反导电磁轨道炮的研发计划,并且每年都拨款数十亿乃至上百亿日元的预算。

  2023年5月,日本防卫省首次公开了40毫米防空反导电磁轨道炮的原理样炮,并且在前不久完成了舰载海上试射。当然,从目前日本防卫省公布的40毫米防空反导电磁轨道炮原理样炮的外观设计来看,距离最终的实用化型号还有不少的距离。日本防卫省的目标是争取将实用化的40毫米防空反导电磁轨道炮,装备到规划中的新型弹道导弹防御舰上,主要用来拦截潜在对手的高超声速反舰导弹。

  根据目前日本防卫省公布的相关信息,安装在战舰上来测试的40毫米防空反导电磁轨道炮原理样炮全重约8吨,身管长度为6米,炮口动能5兆焦,未来要达到的目标是20兆焦以上。该炮目前发射的弹丸分为两种,一种是电枢一体化弹丸,全重300克,另一种为电枢分离式弹丸,全重320克。未来实用化的40毫米防空反导电磁轨道炮最大射程预计将达到200公里,弹丸全重10千克,理论射速为每分钟10发。

  现在,日本防卫省面对的最大难题就是平行金属导轨的发射寿命较低,原理样炮仅为120发左右。如果是实用化型号,则平行金属导轨的发射寿命至少要达到上千发,否则不要说用于作战,即便是平时射击训练以及实弹演习的要求都不足以满足。

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