美國海軍電磁導軌炮發展簡析_風聞

冷戰後，美國海軍提出了“由海向陸”戰略，對陸火力支援能力需要大幅提高，電磁導軌炮的全新發射機理使其能有效突破傳統艦炮的炮口初速，從而能夠顯著增大射程，成為滿足美國海軍作戰需求的有效解決方案。

一、基本情況

電磁導軌炮由兩條平行導軌和沿導軌滑動的電樞構成，兩條導軌與電源相連，電樞位於兩根導軌之間,傳導電流並推動炮彈運動。當大功率脈衝電源快速放電時，瞬間強電流從一根導軌流入，經電樞後從另一根導軌流出，同時在兩根導軌間形成強磁場，磁場與流經電樞的電流相互作用，產生強大的洛倫茲力，推動電樞和彈丸運動。

 

圖1 電磁導軌炮組成示意圖

美海軍對電磁導軌炮的性能要求主要包括：早期炮口動能20～32兆焦，後期達到64兆焦，炮口初速大於2500米/秒，射程200～370千米，射速6～10發/分，導軌壽命1000發。

二、發展現狀

美國海軍2001年開始對電磁導軌跑的可行性進行研究。2005年啓動了“電磁導軌炮創新性海軍樣機”第一階段。2012年11月，美國海軍決定將電磁軌道炮技術指標中的炮口動能從最初的64兆焦降至20～32兆焦，射程也相應地從370千米降為90～200千米；同年，BAE系統公司和通用原子公司交付兩門樣炮，炮口動能相繼突破32兆焦的預定指標，標誌着第一階段研製工作結束。

2013年6月第二階段正式啓動，由BAE系統公司開展後續研究，開發可供重複發射的脈衝電源、自動裝填系統和熱管理系統，2017年完成第二階段研製工作。2018年，美國海軍計劃對具備連發功能的電磁導軌炮樣炮開展海上演示試驗。

電磁導軌炮研製中，需要突破的關鍵技術包括高功率密度儲能裝置，高強度、耐燒蝕的導軌材料，高超速制導炮彈技術等。

（1）高功率密度儲能裝置

與電磁彈射器採用交流電制不同，電磁導軌炮在兩導軌間通以直流電，因此美海軍選定以電容器為基礎構建電磁導軌炮的儲能裝置。儲能裝置需在幾秒內完成充電，在幾毫秒內完成放電，電制需要符合艦上電力系統要求，電源體積也需滿足艦艇平台要求。目前，試驗用的單發電磁導軌炮採用的儲能裝置為通用原子公司的商用電容器組。

未來，儲能裝置將以模塊化的高能脈衝電源儲箱（HEPPC）的形式安裝上艦。目前，共有三家承包商同步研發高能脈衝電源儲箱，分別是雷聲公司、通用原子公司、L-3應用技術公司。2016年5月，雷聲公司開始向美海軍交付首批高能脈衝電源儲箱；2017年3月，通用原子公司完成高能脈衝電源儲箱製造，尺寸與標準10英尺船用集裝箱相同，高能脈衝電源儲箱含多個電容器儲能模塊，每個模塊的儲能超過415千焦，儲能密度較同類產品提高了一倍；L-3應用技術公司也有望在一年內交付另一種高能脈衝電源儲箱。

圖2 電磁導軌炮脈衝成型網絡和電容器儲箱

針對充電問題，為避免由艦上電網直接向電容器組供電，降低充電過程對艦艇電網造成的衝擊。美海軍研究實驗室聯合德州大學先進技術實驗室，研發了以鋰離子電池為核心的中繼充電系統。2016年初，美海軍選定K2公司作為該系統中鋰離子電池的供應商。

（2）高強度、耐燒蝕的導軌材料

電磁導軌炮發射時，兩條導軌和電樞間通以兆安級的巨大電流，並承受數萬g的加速度。因此，導軌材料必須高強度、耐高温、耐腐蝕。

美國海軍研究實驗室材料科學與技術分部、等離子物理分部、法-德聖路易研究院等機構對電磁導軌炮的導軌材料進行了深入研究，對比了不同材料在不同工況下的性能。從已掌握的情況看，美海軍正在測試的導軌材料為AL-25銅鋁合金。這種材料的熔點、密度與純銅相當，電導率和熱導率有所下降，但克服了高温條件下純銅抗拉強度、屈服強度相對較低的不足。

（3）高超速制導炮彈

高超速制導炮彈是美國海軍研發的一種可兼由電磁導軌炮和傳統火炮發射的通用化、低風阻、多任務、低成本炮彈。這種炮彈不安裝火箭發動機，僅利用低阻外形實現超高速遠程飛行，並通過閉環火控指令制導系統、緊湊型GPS制導裝置及姿態控制系統實現精確打擊，可執行防空反導、對陸對海打擊等多種任務。

2014年，BAE系統公司展出了高超速制導炮彈的設計模型：尾部有4片彈翼，其中2片為固定彈翼，2片活動彈翼用於控制炮彈飛行；採用次口徑通用化彈體，通過配置直徑不同的4片鋁製彈託（未來可能採用更輕的碳纖維複合材料）適應不同口徑的火炮，包括電磁導軌炮、海軍127毫米Mk45型艦炮、155毫米“先進艦炮系統”以及陸軍155毫米榴彈炮。高超速制導炮彈採用GPS+閉環火控指令制導，有動能和高爆兩種戰鬥部。動能戰鬥部裝藥不超過0.1千克，採用觸發引信，撞擊目標後，戰鬥部在目標內部爆炸形成破片，殺傷目標，可用於防空反導；高爆戰鬥部裝有約0.9千克高爆炸藥，採用近炸引信，炮彈在空中爆炸形成破片，殺傷目標，可用於打擊水面和地面目標。

圖3 BAE系統公司展出的高超速制導炮彈模型自上而下分別由127mm艦炮、155mm艦炮、電磁導軌炮發射

（4）裝填機構

研發電磁導軌炮裝填機構是美海軍“電磁導軌炮創新性海軍樣機”第二階段的重要任務之一，相關工作由BAE系統公司承擔。目前，尚未檢索到裝填機構所涉及的關鍵技術，但從美海軍公佈的試驗視頻中可以分析出其運行流程。

圖4 美海軍水面戰中心達爾格倫分部電磁導軌炮樣炮的彈倉特寫

根據視頻中顯示的信息，具備連續發射能力的電磁導軌炮樣炮目前已運至海軍水面戰中心達爾格倫分部，並開展了連續發射試驗。樣炮的炮彈存儲於炮管下方的圓柱形彈鼓內，裝填時，炮彈被裝入揚彈機，揚彈機隨後開始轉動，當揚彈機轉至指定位置後，裝填裝置將揚彈機內部的炮彈推入炮膛，完成裝填。隨後，揚彈機復位，並裝入下一發炮彈。脈衝電源充電過程與裝填過程同步，整個充電週期大約10秒。

圖5 電磁導軌炮裝填過程（圖中紅圈所示）

三、發展影響

電磁導軌炮威力大、成本低，且安全性好。電磁導軌炮彈丸初速可達2500米/秒以上（是現有火炮初速的2倍多）；發射制導彈丸，可顯著提高射擊精度（精確度可達5米）；電磁炮發射一枚炮彈的成本約25000美元，僅為常規導彈的百分之一。此外，電磁導軌炮不需要傳統火炮的化學發射藥和炸藥，安全性好。

電磁導軌炮可在多個領域應用。電磁導軌炮一旦研製成功，可作為傳統火炮的補充，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，通過發射制導炮彈，還可執行反艦、防空、反導等多種任務。

（藍海星 白旭堯）

本文經授權轉發自中國船舶重工集團有限公司旗下“藍海星智庫”微信公眾號，供參考借鑑，不代表戰略學人觀點****。****