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美国海军电磁导轨炮发展简析

冷战后,美国海军提出了“由海向陆”战略,对陆火力支援能力需要大幅提高,电磁导轨炮的全新发射机理使其能有效突破传统舰炮的炮口初速,从而能够显著增大射程,成为满足美国海军作战需求的有效解决方案。

一、基本情况

电磁导轨炮由两条平行导轨和沿导轨滑动的电枢构成,两条导轨与电源相连,电枢位于两根导轨之间,传导电流并推动炮弹运动。当大功率脉冲电源快速放电时,瞬间强电流从一根导轨流入,经电枢后从另一根导轨流出,同时在两根导轨间形成强磁场,磁场与流经电枢的电流相互作用,产生强大的洛伦兹力,推动电枢和弹丸运动。

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图1 电磁导轨炮组成示意图

美海军对电磁导轨炮的性能要求主要包括:早期炮口动能20~32兆焦,后期达到64兆焦,炮口初速大于2500米/秒,射程200~370千米,射速6~10发/分,导轨寿命1000发。

二、发展现状

美国海军2001年开始对电磁导轨跑的可行性进行研究。2005年启动了“电磁导轨炮创新性海军样机”第一阶段。2012年11月,美国海军决定将电磁轨道炮技术指标中的炮口动能从最初的64兆焦降至20~32兆焦,射程也相应地从370千米降为90~200千米;同年,BAE系统公司和通用原子公司交付两门样炮,炮口动能相继突破32兆焦的预定指标,标志着第一阶段研制工作结束。

2013年6月第二阶段正式启动,由BAE系统公司开展后续研究,开发可供重复发射的脉冲电源、自动装填系统和热管理系统,2017年完成第二阶段研制工作。2018年,美国海军计划对具备连发功能的电磁导轨炮样炮开展海上演示试验。

电磁导轨炮研制中,需要突破的关键技术包括高功率密度储能装置,高强度、耐烧蚀的导轨材料,高超速制导炮弹技术等。

(1)高功率密度储能装置

与电磁弹射器采用交流电制不同,电磁导轨炮在两导轨间通以直流电,因此美海军选定以电容器为基础构建电磁导轨炮的储能装置。储能装置需在几秒内完成充电,在几毫秒内完成放电,电制需要符合舰上电力系统要求,电源体积也需满足舰艇平台要求。目前,试验用的单发电磁导轨炮采用的储能装置为通用原子公司的商用电容器组。

未来,储能装置将以模块化的高能脉冲电源储箱(HEPPC)的形式安装上舰。目前,共有三家承包商同步研发高能脉冲电源储箱,分别是雷声公司、通用原子公司、L-3应用技术公司。2016年5月,雷声公司开始向美海军交付首批高能脉冲电源储箱;2017年3月,通用原子公司完成高能脉冲电源储箱制造,尺寸与标准10英尺船用集装箱相同,高能脉冲电源储箱含多个电容器储能模块,每个模块的储能超过415千焦,储能密度较同类产品提高了一倍;L-3应用技术公司也有望在一年内交付另一种高能脉冲电源储箱。

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图2 电磁导轨炮脉冲成型网络和电容器储箱

针对充电问题,为避免由舰上电网直接向电容器组供电,降低充电过程对舰艇电网造成的冲击。美海军研究实验室联合德州大学先进技术实验室,研发了以锂离子电池为核心的中继充电系统。2016年初,美海军选定K2公司作为该系统中锂离子电池的供应商。

(2)高强度、耐烧蚀的导轨材料

电磁导轨炮发射时,两条导轨和电枢间通以兆安级的巨大电流,并承受数万g的加速度。因此,导轨材料必须高强度、耐高温、耐腐蚀。

美国海军研究实验室材料科学与技术分部、等离子物理分部、法-德圣路易研究院等机构对电磁导轨炮的导轨材料进行了深入研究,对比了不同材料在不同工况下的性能。从已掌握的情况看,美海军正在测试的导轨材料为AL-25铜铝合金。这种材料的熔点、密度与纯铜相当,电导率和热导率有所下降,但克服了高温条件下纯铜抗拉强度、屈服强度相对较低的不足。

(3)高超速制导炮弹

高超速制导炮弹是美国海军研发的一种可兼由电磁导轨炮和传统火炮发射的通用化、低风阻、多任务、低成本炮弹。这种炮弹不安装火箭发动机,仅利用低阻外形实现超高速远程飞行,并通过闭环火控指令制导系统、紧凑型GPS制导装置及姿态控制系统实现精确打击,可执行防空反导、对陆对海打击等多种任务。

2014年,BAE系统公司展出了高超速制导炮弹的设计模型:尾部有4片弹翼,其中2片为固定弹翼,2片活动弹翼用于控制炮弹飞行;采用次口径通用化弹体,通过配置直径不同的4片铝制弹托(未来可能采用更轻的碳纤维复合材料)适应不同口径的火炮,包括电磁导轨炮、海军127毫米Mk45型舰炮、155毫米“先进舰炮系统”以及陆军155毫米榴弹炮。高超速制导炮弹采用GPS+闭环火控指令制导,有动能和高爆两种战斗部。动能战斗部装药不超过0.1千克,采用触发引信,撞击目标后,战斗部在目标内部爆炸形成破片,杀伤目标,可用于防空反导;高爆战斗部装有约0.9千克高爆炸药,采用近炸引信,炮弹在空中爆炸形成破片,杀伤目标,可用于打击水面和地面目标。

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图3 BAE系统公司展出的高超速制导炮弹模型自上而下分别由127mm舰炮、155mm舰炮、电磁导轨炮发射

(4)装填机构

研发电磁导轨炮装填机构是美海军“电磁导轨炮创新性海军样机”第二阶段的重要任务之一,相关工作由BAE系统公司承担。目前,尚未检索到装填机构所涉及的关键技术,但从美海军公布的试验视频中可以分析出其运行流程。

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图4 美海军水面战中心达尔格伦分部电磁导轨炮样炮的弹仓特写

根据视频中显示的信息,具备连续发射能力的电磁导轨炮样炮目前已运至海军水面战中心达尔格伦分部,并开展了连续发射试验。样炮的炮弹存储于炮管下方的圆柱形弹鼓内,装填时,炮弹被装入扬弹机,扬弹机随后开始转动,当扬弹机转至指定位置后,装填装置将扬弹机内部的炮弹推入炮膛,完成装填。随后,扬弹机复位,并装入下一发炮弹。脉冲电源充电过程与装填过程同步,整个充电周期大约10秒。

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图5 电磁导轨炮装填过程(图中红圈所示)

三、发展影响

电磁导轨炮威力大、成本低,且安全性好。电磁导轨炮弹丸初速可达2500米/秒以上(是现有火炮初速的2倍多);发射制导弹丸,可显著提高射击精度(精确度可达5米);电磁炮发射一枚炮弹的成本约25000美元,仅为常规导弹的百分之一。此外,电磁导轨炮不需要传统火炮的化学发射药和炸药,安全性好。

电磁导轨炮可在多个领域应用。电磁导轨炮一旦研制成功,可作为传统火炮的补充,一方面可大幅提升火炮威力,最大射程增至185千米。另一方面,通过发射制导炮弹,还可执行反舰、防空、反导等多种任务。

(蓝海星 白旭尧)

本文经授权转发自中国船舶重工集团有限公司旗下“蓝海星智库”微信公众号,供参考借鉴,不代表战略学人观点

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