日本海上電磁軌道炮介紹-日本電磁炮技術
近日曝光的一組網絡圖片展示了一門安裝于測試艦艇，從未出現過的大口徑艦炮，分析相關照片和網絡信息，基本可以判定這是人類第一門開始實際上艦測試的電磁軌道炮！此前，盡管美國海軍曾經在艦艇上進行過電磁炮原型的靜態展示，但從未將其實際裝艦測試。不管這一次測試的最終結果如何，僅僅從當前這一步來說，這門神秘的大管子就已經創造了世界海軍史上新的一頁！這也是中國海軍建設從補課應急轉向蓄力趕超新階段的又一力證！
有效加速物體，將其發射到指定的地方，是人類自古以來的重要追求。從弓箭、投石機開始的機械能時代，進化到以、推進劑燃燒爆炸為能源的化學能時代，最終來到了利用電磁力推進物體到高速和超高速的電磁發射時代。這是人類科技的又一大步，也是未來發射方式的必然選擇。
1、電磁發射的基本原理
“電磁發射”的基本原理并不復雜，沒有超出中學物理教科書的范疇。微觀上帶電粒子在磁場中受到的“洛倫茲力”，在宏觀表現為所謂的“安培力”：在磁場中的通電導線，將受到垂直方向的推力。其公式可以簡單表示為：垂直于磁場的一段通電導線，在磁場中某處受到的安培力的大小F跟電流強度I和導線的長度L的乘積成正比 F=BIL。附圖是電磁軌道炮的原理，完滿闡釋了洛倫茲力和安培力的定義。
電磁發射的基本原理
2、電磁發射技術的主要分類
按照發射長度和末速度的不同，目前的電磁發射技術可分為三大類：
主要應用于航母艦載機彈射的電磁彈射技術，其發射軌道長度一般不超過100米，其末速度可達100m/s（360公里/小時）的級別；
用于電磁炮和近防炮的電磁軌道炮技術，其發射長度一般10米左右，末速度可達2-3 km/s（8-9倍音速）；
用于航天發射的電磁推射技術，其發射軌道長度在千米級別，其末速度可達8km/s（第一宇宙速度）。附圖來自于相關論文，直觀說明了三種技術的差別。
三種主要的電磁發射技術類別：電磁彈射、電磁軌道炮、電磁推射
在三類電磁發射技術中，主要應用于航母艦載機發射的電磁彈射技術的表現可謂一枝獨秀。不但相比于其他兩種還基本走不出實驗室的技術門類，已經率先實現了實用化；而且和以前的蒸汽彈射方式相比，在各項指標上也是全面領先。在馬院士團隊的相關論文中，給出了電磁彈射與蒸汽彈射器的主要參數對比表，數據兩相參照，電磁彈射的壓倒性優勢可謂是一目了然。
而相比于已經投入實際運用并確立了絕對優勢的電磁彈射，同屬一脈的電磁軌道炮和航天電磁推射技術的發展，就只能以步履蹣跚來加以描述了。曾經寄予厚望的電磁軌道炮，盡管完成了一些原型測試，可本身的一系列重大技術困難嚴重阻礙了其進一步發展和實用化。這也是本次中國電磁軌道炮原型上艦，格外引發轟動的原因之一。而主要應用于航天領域的電磁推射，由于其需要的巨大投資及固有技術缺陷，導致還基本處于PPT和原型設計測試階段。
NASA的電磁推射模型，常常被誤認為電磁彈射系統
3、“更高、更快、更強”---電磁發射的諸多優點
對于廣義的電磁發射技術的優點，馬院士在其相關論文中總結為“更高、更快、更強”：
“更高”：首先指的是發射速度高，可超越化學能發射的速度極限，速度可從100m/s 到8km/s，傳統一般僅1km/s以下；其次是發射效率高，理論效率可達50% ，傳統發射方式如蒸汽彈射僅為4% ~ 6%；最后是有效載荷比大，這一點在電磁炮和航天推射系統中表現尤為突出；
“更快”，首先指的是啟動時間短，從冷態到發射僅需幾分鐘；其次是發射間隔短，可以在數秒內實現重復發射；最后是保障要求低，對輔助配套設施要求低，僅需一定充電功率和少量冷卻水。對比一下，傳統的蒸汽彈射系統需要24小時以上的時間來進行系統預熱，彈射一次需要消耗近一噸的淡水；
“更強”，首先指的是發射動能大，電磁彈射可達120MJ，航天推射可達千兆焦，電磁炮動能毀傷能力強；其次是發射負載可變，可靈活調節電流實現不同載荷發射；最后是持續作戰能力強，可靠性高，可維護性好，操作維護人員少。
而具體到電磁軌道炮領域，相關的論文對其優點總結如下：相較于傳統身管火炮，電磁軌道炮不僅炮口初速更快、射程更遠、綜合毀傷能力更強，其快速、精確、可控的特性也使之更易于融入信息化作戰體系。從武器裝備發展所追求的“遠程、快速、精準”三個維度來看，電磁軌道炮都要優于傳統身管火炮，代表著未來的發展方向。
為了搞清楚電磁軌道炮實現中所遇到的諸多困難，我們需要再次從工程實現的角度觀察其基本組成結構。一般來說：電磁軌道炮由大功率脈沖電源、電能控制模塊、兩條平行金屬軌道（“導軌”）、位于兩軌道間且與兩軌道保持滑動電接觸的載流電樞和電樞推動的彈丸以及絕緣固定裝置幾部分組成（如下圖所示）。
電磁軌道炮原理圖
在電磁軌道炮發射時：首先，電樞及其上固定承托的炮彈被壓入炮膛（兩軌道之間）；其次，接通電源開關，高達幾百萬安培的超強電流由后膛饋人，流經軌道、電樞、另一側軌道，形成閉合回路。其電流是如此的強大，以至于早期使用的電樞常常被汽化為等離子云；于此同時，兩根軌道中的反向電流在軌道之間區域形成超強磁場，對載流電樞產生電磁力作用（洛倫茲力）；隨后，強大的電磁力直接驅動電樞（或其變身而成的等離子云）并帶動其上的拋射物（炮彈）迅速加速，其瞬時加速度G值可達45000g以上；最后，在上述超級加速度的驅使下，拋射物（炮彈）在十米不到的軌道長度內被加速至7-9倍音速（2-3km/s）的超高速度并發射出去。
這個過程中的物理規律咋看起來非常簡單，可觀察其發射過程就可以發現，其中匯聚了諸多的極端狀態。其所要求的諸多極端條件疊加在一起，就使得電磁軌道炮的實際工程實現困難重重。這些問題實際上都和發射過程中的“超強電流、超高加速度、超高發射速度”這三超密切相關：
1、超高電流對電源系統的挑戰
從電磁發射原理部分的安培力公式分析可知，為了在極短的軌道距離內，達到很高的末端速度，增加推力的幾乎唯一方法就是提高電流強度。為此，電磁軌道炮通常需要使用超過幾百萬安培的超強電流來產生超強的磁場，并最終形成強大的推力。而要生成這樣強大的電流，對配套的電源系統要求極高。電源要在毫秒量級時間段內釋放幾兆焦甚至更多的電能，以滿足軌道炮超高速發射性能需求。同時，為便于電源運載，軌道炮電源還需要應具有能量密度高、結構緊湊的特點。
在實際使用的過程中，不但要解決與其配套的脈沖電源小型化的問題，還必須有效預防由于電源震蕩反向充電所導致的電源損毀問題。而且為了滿足電磁軌道炮實際使用的射速指標（如MD要求的不低于每分鐘十發），配套的電源系統還必須具備反復快速充放電的能力。這些要求，就決定了一般的艦艇電力系統都難以支持，必須要采用新一代綜合全電體系，并針對性的依據軌道炮的要求進行優化設計。
2、導軌設計制造困難，使用壽命不足
導軌是電磁軌道炮中最重要的部件之一，需要綜合考慮強度、斥力、尺寸、電流熱損失以及耐磨損等一系列問題。由于流經軌道的電流強度極大（幾百萬安培），在軌道上因電阻而產生的熱損失也很大，這不但降低系統效率，甚至會導致軌道的表面發生局部融化而受損；同時軌道也不可能很長，因為這會導致系統結構和質量龐大（如使炮管口徑大得驚人）難以部署；而且軌道炮中兩條軌道的電流方向相反，這會產生一股與電流大小成正比的斥力。由于電流極強，因此兩條軌道之間的斥力也相當大。這一切，就導致了導軌的設計制造極其困難，而其使用壽命又極低。正如相關論文中所說：
軌道發射器的使用壽命一直制約著電磁軌道炮的發展，是現階段阻礙電磁軌道炮應用于實戰的主要限制因素之一。軌道在工作過程中，不僅承載兆安級大電流，同時也與電樞之間保持著幾千米每秒的滑動電接觸，在這樣的極端條件下，軌道和電樞之間會發生熔化、轉捩、刨削等問題，影響軌道的使用壽命。早期電磁軌道炮試驗裝置多采用等離子體電樞，軌道只能單次使用。20世紀90年代后，開始采用固體電樞技術，并針對熔化、轉捩、刨削等現象開展了大量的仿真與試驗研究，取得了一系列的成果，使軌道的使用壽命大幅增加。目前軌道的使用壽命雖已提升到百發的量級，但距離真正的實戰應用要求還有不小的距離。
論文中的電磁軌道炮身管的截面設計示意圖，注意其中的導軌位置和內徑比例
3、電樞與彈托設計是一大難點
“電樞”是用來連接兩條軌道，將其構成導電回路的重要構件。同時，一般還將其設計成容納射彈的載體，此時又稱為“彈托”。電樞不但和導軌一樣要承載幾百萬安培的超強電流，而且還是一個連接彈頭，承擔極大推力和加速度的運動部件，這就使得其設計制造難度甚至還超過導軌。電樞需要采用高強度、耐磨損的特殊輕質導電材料制造，并對其形狀結構進行特別設計，既要允許大電流流過，或經受住導流板與軌道間形成的等離子體的作用，又要承載、保護、順利發射和及時與射彈分離。
在電磁軌道炮技術的發展過程中，出現了多種不同結構、材料和性能的電樞。從早期的C型、U型、馬鞍型到后來的刷狀電樞、準流體電樞、曇花一現的等離子電樞、再到目前發展中的復合電樞、石墨烯電樞等等，至今為止電樞的損傷問題，例如樞軌接觸界面間的燒蝕、刨削現象，也并未得到完全解決。在某些極端的情況下（如采用等離子電樞的一些實驗中），甚至出現過發射一次導軌就開裂報廢的情況。
早期常用的C型和馬鞍形電樞
4、超高g值使“精確制導”實現困難
相對于電磁彈射技術最大不過6g的平均加速度，電磁軌道炮需要實現45000g以上的超級水平。比較一下，現有武器中對加速度要求很高的空空戰術導彈，其可承受的有效g值也不過是30-40g，和電磁炮的45000g相比也是3個數量級以上的差距。45000g+的加速度，對絕大部分的機械和電子設備也會帶來破壞性的影響。超高加速度g值要求，成為實現精確制導的最大攔路虎。
無論什么樣的精確制導方式，都需要兩樣東西的配合，即：可以感知方位并確定后續方向的導引頭和配合導引頭進行姿態調整的部件（如可調彈翼、氣動噴管等）。但問題是這兩類部件都普遍對g值敏感，在電磁炮的超高g值條件下，現有的設計不但無法有效工作，而且會產生自身的結構破損。為此必須要開發出適應超高g值和電磁環境的相關元件，但這需要時間和相應成本。
電磁炮發射后彈托（電樞）分離的場景，發射出去后就只是慣性飛行
5、超高g值亦使得“復合彈頭”構型困難
傳統的炮彈、導彈通常都可以選擇安裝多種彈頭，無論是化學裝藥亦或核彈頭。但在超高g值條件下，要找到能夠有效穩定，又能夠受控爆炸的彈頭，同樣是一個困難的任務。化學裝藥通常穩定性不夠，核彈頭在超高電磁環境下就更加危險。所以目前我們看到的電磁軌道炮，其彈頭通常就是一塊實心金屬，其殺傷效果完全依靠自身超高速度打擊的物理破壞作用。但這樣的打擊方式，又對精確制導有著極高的要求，畢竟其著彈處的有效打擊半徑極小，稍有偏差威力就明顯不足。
在無制導的條件下，以極高的速度出膛的彈頭，只要有發射時有微小的偏差，在其彈著點末端就是不小的差距。在艦艇的實際使用條件下，由于發射平臺本身的不規則位移是無法避免的，其彈著點要保持精確已經十分困難。而現有的實心彈頭模式，稍有偏差其威力就直線遞減。由于超高g值的存在，現有的電磁軌道炮基本被限制為實心彈頭和無制導慣性彈道的組合，這不但限制了其應用范圍，更互相耦合嚴重影響了其實際作戰威力。
MD展示的電磁軌道炮彈頭，基本就是一塊有形狀的耐高溫金屬
6、能量轉化效率低下，高溫形變問題難解
看MD發布的電磁軌道炮測試視頻和照片，通常你會驚訝的發現，電磁軌道炮的發射場景常常是烈焰噴吐，與科幻影視里面不過是炮口一縷青煙的電磁炮毫不相同，倒更像是導彈發射的場景。其核心問題就出在能量轉化效率不高：目前技術水平來說，發電機對脈沖電源的充電效率可達90％，但脈沖電源對炮口能量的轉換效率則很低，一般還在10-20％之間，遠低于電磁軌道炮50％的理論轉換效率。
這不但加大了對脈沖電源功率的要求，使大量的能量浪費為熱能，還導致了我們看到的火光沖天的畫面。不但加大了對系統散熱性能的要求，更致命的是發射過程中產生的高溫，會導致射彈的微小形變（其彈頭部分的溫度會超過1000度，而彈體其他部分遠沒有這么熱），進而對飛行軌道產生影響。再加上炮身本身的潛在偏移，導致在無制導條件下，其遠距離命中精度相當難看。
（三) 電磁軌道炮的未來發展
面對電磁軌道炮發展中的這一系列難題，就衍生出了兩條不同的發展道路。其一，就是繞開上述的問題，將電磁軌道炮的使用方向從遠距離打擊轉為近防。既然發射大質量的彈丸比較困難，干脆轉為近防的小質量彈頭；既然難以解決精確制導和復合彈頭問題，干脆轉為近距離無制導彈幕；由于距離要求低、初速也可以適當減慢，其軌道、電樞和能源問題解決起來也相對簡單。這是MD在原有電磁軌道炮發展受挫時，所思考的一條迂回之路。
但這樣做的問題是，不但相對于已有近防系統優勢有限，也完全背離了原先發展電磁軌道炮所期望的遠距離、低成本、可有效破防的初衷。而另一條路，就是逢山開路遇水填橋，迎難而上，努力按照實戰要求解決問題，真正的讓電磁軌道炮成為所謂改變規則的革命性武器。從目前披露的照片和相關論文來看，中國開發者無疑走的是這一條路。那么為了到達這一點，需要到達什么要求？要進行哪些工作？
1、必須實現可耐受超高g和超強磁場的精確制導彈藥
如前所訴，實現精確制導是有效遠程打擊的先決條件。這是由于精確打擊是信息條件下作戰的主要特點，軌道炮發射超遠射程彈丸，由于在膛內電樞與軌道接觸狀況復雜、電樞出口速度快以及受環境因素影響，彈丸在無制導條件下打擊精度還不夠高。。
而目前的制導彈藥最大只能承受20000g以下的重力加速度值，必須要開發可耐受40000-50000g以上的制導彈藥，才能夠做到與電磁軌道炮相匹配的水平。并且，由于在電磁炮發射過程中存在強磁場作用，很可能造成制導電子元器件不準確或失靈。在相應彈藥的設計過程中，還必須充分考慮相關電磁防護的工作。實現精確制導是充分發揮電磁軌道炮性能的一個重要一環。可喜的是，無論從網絡信息還是從相關論文中都可以看出，我國這一方面的工作一直都在進行中。
相關論文中的軌道炮遠程制導炮彈結構圖
2、以高拋重彈為重點發展方向
受到電樞、軌道和彈頭設計的限制，進一步提高電磁軌道炮的發射速度相對困難。而為了實現更有效的遠程打擊，采用加大彈丸質量、提高炮口動能，并采用盡可能規避空氣阻力的高拋彈道，就成為了一個很好的選擇。在來自相關論文的下圖中，給出了在初速同為2.5km/s的情況下，不同質量的細長圓錐體彈頭的的彈道曲線數據。
可以看出，如果能夠“采用60kg彈丸以2.5km/ s 炮口初速發射，炮口動能達187.5MJ，最大射高為120km左右，射程可達到400km....且由于彈丸在高于30km高空飛行時，幾乎不受空氣阻力影響，高射高發射也更利于形成有益于彈丸飛行的空氣動力學條件”。而且，在此情況下落地的彈頭還可以具有1.5km/s的末端速度。讀圖可知，MD提出發展彈丸質量20kg，炮口動能達到64MJ的指標，是有其道理的。
同樣初速下不同質量彈頭的彈道曲線差異
3、發展動能打擊和爆炸復合的新型彈頭就像當代主戰坦克常常同時備有高爆彈頭和頭一樣，根據目標類型的不同，電磁軌道炮應該有選擇不同類型彈頭的需求。在解決了精確制導問題后，彈丸發展的下一步要解決的就是動能打擊和爆炸打擊的不同類型選擇問題。為了有效的打擊高價值海上目標，更可能需要兩者的復合。
值得一提的是有網友提到了北理工王海福教授團隊獲得國家科技進步獎的“活性毀傷元”技術，按照其描述：（該類型材料）既具有類似金屬的力學強度，又含有與高能相當的化學能，還具有與惰性材料類似的安全性，可以直接機械加工，只有高速命中目標后才會發生爆炸。理論上講這的確是和電磁炮匹配的最佳搭檔。引用網友的觀點如下：
“由于電磁炮發射炮彈的速度極快，巨大的瞬間加速度使得炮彈裝藥引信的可靠性和安全性都面臨著難以克服的嚴峻考驗，所以現階段的電磁炮實驗所使用的都是實心金屬炮彈，只能憑借高速飛行的動能摧毀目標，這無疑對電磁炮的毀傷能力和精度產生了不利的影響，同時也極大地限制了電磁炮的應用范圍.....使用活性毀傷元材料制造的炮彈不僅可以在高速命中目標以后依靠巨大的撞擊能量引發劇烈爆炸，對目標造成嚴重的雙重毀傷和二次毀傷;而且炮彈無需引信和裝藥這種危險的火工品，極大地提高了在儲備、運輸、發射過程中的安全性，使得電磁炮擁有了極大的可靠性和實戰性。”
實際上，在未來可能會看到的電磁軌道炮彈頭更有可能是一種復合彈頭。組合了精確制導部件的堅固頭端，可以將落地時的巨大沖量傳給打擊目標，緊跟而來的類似上述“活性毀傷元”的爆炸性材料進一步在目標的內部給予范圍打擊。我們不難想象，組合了精確制導、復合彈頭的高拋重彈可以對目標產生多么大的毀傷效用！即便是航母這樣級別的目標，也完全可能在400公里以外一碼入魂。這樣的水平才稱得上所謂的革命性！
相關論文中給出的部分軌道炮彈設計思路
4、與船舶綜合全電技術的無縫組合
在上面談到的其實都還只是電磁軌道炮發射部分的工作，作為一種全新的高能武器，軌道炮對電源有極高的性能要求，軌道炮電源在毫秒量級時間段內釋放幾兆焦甚至更多的電能，以滿足軌道炮超高速發射性能需求。同時，為便于電源運載，軌道炮電源還應具有能量密度高、結構緊湊的特點。為了使其能夠有效的運行起來，就需要有效解決其供電需求。就以本次上艦測試為例，除了看得到的炮塔之外，還有一系列支援模塊，特別是在艙內看不見的相關電力模塊的支持。
電磁發射系統框圖
而把電磁軌道炮放在整個電磁發射系統的角度上看，前面提到的導軌、電樞、彈頭等等，不過是下圖中的一個小小的脈沖發射模塊的組成部分。電磁軌道炮要成為真正有效、可靠的武器，還需要一系列相關系統的支持，包括：儲能系統、脈沖功率變換系統、電網輸配電和管理系統等等。而這些部分，都需要得到新一代的艦艇綜合電力系統的有效支持。只有在新一代全電推進的艦艇上，電磁軌道炮才可能成為艦艇的主要武器系統，并有效的工作。反過來說，也正是由于電磁軌道炮這樣的新一代高能武器的出現，才使得綜合全電變得至關重要。
（結語）從補課應急到蓄力趕超的中國海軍
單單從電磁軌道炮的發展來說，個人以為不論中美要將其投入實際使用，達成其預想的戰斗效能都還有很長的一段路要走。即便文中列出的幾個主要的困擾點逐步得以解決，要將其有效的工程化、實用化、制式化，并探索出合適的戰法，都還需要一段不短的時間。但無論是是這一次創造了人類武器發展史記錄的936，還是五百年來第一次領先世界的055，都標志著中國海軍的發展進入了一個全新的階段，我將其總結為：從補課應急到蓄力趕超。
所謂的“補課應急”，可以認為是對過去幾十年中國海軍發展的總結。“補課”是在補整個海軍體系的課，從水面到水下、從天空到太空、從硬件到軟件、從制度到人力資源；“應急”是在應的急，在潛在強敵的陰影下，時刻準備以弱勢的裝備對抗全世界最強大的對手，時刻準備著以重大的犧牲應對最壞的情況。所以要苦逼的以每型一兩艘的速度迭代開發裝備，不斷試錯，小步快走；所以要以仰望的姿態不斷學習。
但隨著國家經濟和工業的迅猛發展，特別是改開四十年以來的巨大進步，中國海軍可以依托的已經不再是一片積貧積弱、一窮二白的土地，而是一個建立了全世界最完整的產業鏈、有著相當于美日德之和的工業規模，還在不斷快速進步的強大祖國。經歷了一代代人的努力奮斗，中國軍隊幾百年中器不如人的狀況已經開始改變了，就像936上面的標語那樣，可以擁有“建設世界一流海軍”所需的“世界一流武器裝備”。
相信以055和936為標志，接下來還會有一系列振奮人心的進步。中國海軍已經進入了一個“蓄力趕超”的新時代。所謂的“蓄力”是指要通過接下來十年、十幾年的認真建設，把已經擁有的強大潛力轉化為實實在在的海軍“戰力”；所謂“趕超”是指后進模仿的道路已經走得七七八八了，現在需要認真的結合中國和世界實際，制定合理的戰略戰術以及裝備發展規劃。爭取在后互聯網時代超越強敵、取得領先。
最后，讓我們一起期待中國海軍和中國的科技工作者和建設者給我們帶來更多的驚喜！
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