磨刀不誤砍柴工 解讀美國研發電磁炮的成功之路
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作者：装甲车辆专家刘晓峰
21世纪美军电磁炮发展历程
电磁炮是一种纯电能武器，主要原理是利用流经火炮导 轨或线圈的强电流感应产生的电磁力 来加速弹丸的发射装置,这种发射方式又被称为「电磁发射器」或「脉冲能量电磁炮」。而电磁炮又由于工作方式的不同，被分为导轨炮和线圈炮两种。根据美军近几年公开的资料分析,美军对于电磁炮的兴趣和重视程度已经远高于传动的化学动能炮，电磁炮技术已成为美军新概念火炮技术的研发重点。电磁炮凭借其诸多特点，注定将成为未来战场中不可缺少的武器，所以了解美国21世纪电磁炮研制历程，对于我国抓住新军事变革的战略机遇、为人民军队研制出更先进的兵器，具有一定的帮助。
美军对于电磁炮的研究起始于上世纪70年代，而当时我国火炮研究的主要精力还放在大口径化学动能炮的身管自紧技术、炮管镀铬技术等基础课题的研究。美军经过近40年的艰难探索，不仅熟练掌握了电磁炮的工作规律，而且在实用性和可靠性方面都有了长足发展，这其中最主要的还是要归功于电容器技术的进步。2007年，美国科学家已经开发出一立方米能够提供10兆焦能量的电容器，由此促成了电磁炮在军舰上的射击试验。除此之外，美军在电磁炮的导轨材料、专用弹丸等技术上均取得了突破性的进展。
当今，电磁炮虽然仍属于尖端技术，但已经没有那么高不可攀，制约电磁炮列装投入使用的关键技术问题是如何实现电磁炮的小型化、轻量化。目前世界各国都没有解决这一问题的技术。回顾美军过去几年来在电磁炮小型化方面的探索，美国国防部在本世纪初成立了专门促进和研制装甲车辆用电磁炮的专门科研单位，但是受到资金和基础科学双重制约，项目进展缓慢。
为了加快电磁炮技术应用于新研制的兵器并尽快装备部队，美国国防部高级研究计划局（DARPA）在2006年启动了未来战斗系统电磁迫击炮实验室演示项目,并计划于2008年结项。该项目的最终目标是研制一款120毫米口径的电磁炮(线圈炮和导轨炮),使用的弹药是改进型迫击炮弹，设计初速能够达到420米/秒以上。由于研制单位此前开展过舰载式电磁炮的研制，虽然海军用电磁炮属于导轨式电磁炮，与陆军使用的线圈电磁炮在工作原理上有所不同，但由于两种炮原理想通，所以设计部门在电磁炮系统紧凑性和电源装置小型化方面有比较丰富的技术储备。根据项目组的研制计划，电磁迫击炮研制项目共分为三个阶段完成，第一阶段为小尺寸试验阶段，主要通过模型试验进行电磁弹射迫击炮的技术论证，摸清炮管长度、弹丸重量、电容器功率之间的关系，并证明电磁弹射技术能够成功应用于迫击炮，承担研制项目的桑迪亚国家实验室经过反复试验，认为45个线圈和50个线圈这两种尺寸的迫击炮综合性能最佳，于是同时进行两种尺寸的迫击炮研制工作。第二阶段是全尺寸试验阶段，这是在第一轮试验成果的基础上，制作出与实际产品1:1比例的模型，从发射效能和外观样式都十分接近最终的产品，完成这一阶段的研制后，电磁迫击炮的研制就算基本完成了。第三阶段的研制任务是将已经造好的迫击炮放在各种环境下进行测试，通过贴近实战的试验，通过改进设计，排除隐藏的问题。截止到2008年，桑迪亚国家实验室设计完成了两种全尺寸线圈炮样炮。几乎与此同时，德克萨斯大学先进技术学院成功研制了全悬臂式电磁导轨炮全尺寸样炮。同年3月, 得克萨斯大学先进技术学院研制的全悬臂式电磁导轨炮成功发射了改进后的120毫米迫击炮弹,炮口初速431米/秒,完全达到项目要求。至此，美国研发的第一款实战型电磁炮宣告成功。
有了第一次的成功，美国国防部高级研究计划局又继续追加项目经费，并且制定了更加科学的研制计划。美国科研部门认为：下一阶段的工作目标，是进一步提高电能转化为动能的转化效率，而且火炮系统的体积要更加紧凑，电容器体积在保持原有功率的前提下再缩小30%，还要兼顾新型电磁炮与各种武器尤其是装甲车辆的兼容性。除此之外，军方还对技战术指标做了更高的要求：为提高射速，新型电磁炮必须具备反复射击的能力，要进一步提高电磁迫击炮的射程和射击精度，进一步提高速时火炮的可靠性。目前，美军对于高性能电磁迫击炮的研制工作还在进行当中。
与陆军电磁炮缓慢的研制进度相比，由于舰船内用于安装火炮系统的空间远大于装甲车辆，所以海军的电磁炮研制更为顺利，装备速度也比较快。 早在2001年，美国海军就与德克萨斯大学先进技术学院合作,对较大射程的电磁炮进行概念研究和可行性技术论证。经过研究和模型试验，美国海军认为在舰艇上几乎不受空间限制，所以更适合选用空间较大但威力更强的导轨式电磁炮。2007年1月,第一套电磁轨道炮正式交付海军，火炮口径为90毫米。2008年1月31日进行发射试验，这款舰载电磁炮能够将重量3.5千克的铝制平头弹丸以7马赫的速度射出，经测算，炮口动能达到10.64兆焦，再次刷新了此前该炮创下的9兆焦动能的纪录。
由于舰载电磁炮的性能超过了预期目标，美国海军将更高性能舰载电磁炮的研制工作列入了最新提出的「创新性海军」计划当中。根据计划，新研制当电磁炮项目需要进行发射装置、弹丸、电源以及舰载集成等4个方面的技术研究。不仅研究项目繁多，而且美国海军还要求新型电磁炮必须尽早装备使用，其中，要求研制部门在2020年前完成各项必要试验，使电磁炮具备装备部队的条件，在2025年以前完成全面列装。
德克萨斯大学先进技术学院将新型舰载电磁炮的研制工作分为两个阶段进行。第一阶段的研制重点放在发射装置的设计与改进方面，并开展与之配套的弹丸部分的预研制；第二阶段研制重点是完成与发射装置相匹配的弹丸研制，最终的目标是经过两轮研制，能够拿出可供演示并且可以开展装备兼容性改进设计的电磁炮系统。2009年，「创新性海军原型」计划通过军方验收,并于同年2月，著名军火商BAE系统公司地面与武器部与美海军和德克萨斯大学先进技术学院签署三方合作协议，正式开始新型电磁炮的研制工作。由于资金、技术、政策三大保障全面到位，第一阶段的研制工作以极快的速度于2011年全部结束；以研制弹丸为主的第二阶段研制工作也于2015年顺利完成。由此，美国海军拥有了两款性能优异、可以装备使用的舰载导轨式电磁炮。
更高的追求
从美国研制电磁炮的最新动态来看,电磁导轨炮因为结构简单,成为目前的研究重点,发展比较迅速,很有可能成为第一种实 现武器化的电磁炮。美国军方与科研部门现已达成共识，一致认为电磁炮技术的研究主要集中在脉冲电源、导轨和弹丸方面,这些问题是实现电磁炮进快进入实用阶段的前提。
美海军设想的驱逐舰载导轨炮的功率需求为15～30兆瓦，海军舰船上的 电源必须能保证脉冲电源系统的快速再充电,使电磁导轨炮获得较高的持射速,从而满足火力支援的需要。而对于陆军而言，由于受到装甲车辆的空间限制,陆军用电磁炮需解决高储能密度问题。虽然近年来小型化脉冲电源已有 了很大进步，据美国《军事技术》杂志报道：现有技术可实现3兆焦 /立方米的储能水平,这样的性能还不能装配在坦克装甲车辆的直射火力上。
电磁导轨炮的导轨通常由厚铜条或其它导体材料制成,相互平行地嵌在火炮身管内。所以一般实验室里的固定发射导轨体积大都比较庞大,但车载电磁炮的导轨必须实现轻量化、小型化。而经过试验，目前烧蚀现象最轻的导轨材料是钨，但是钨的价格昂贵,而且钢度较差,不适于直接作为导轨炮的材料。目前,各国正在对各种铜合金(铜和银、铌、钨、铁、铬、碲、铝)和碳化钨等一些合金和半导体材料进行实验。
美海军计划于2020年研制出64兆焦电磁炮的全尺寸模型；在2030年之前使64兆焦电磁炮技术达到成熟，以此取代155毫米「先进舰炮系统」，使之成为未来战舰主炮的标配。据美军公开资料显示,美海军第一代电磁舰炮的炮口初速为2 500米/秒,其发 射的制导弹丸能以5马赫的弹着速度打击目标, 射速超过6发/分;进行直瞄火力支援时,弹丸能在6秒内命中目标。由于弹丸动能巨大,舰载电磁炮的杀伤效果是现有火炮的3~5倍。最大射程能够达到数百千米,所以美国海军未来的雄心是让电磁炮代替部分航空炸弹或巡航导弹打击目标。
成功的关键
纵观美国电磁炮技术的研制与应用能够取得成功的关键，很大程度上得益于正确的科研工作管理模式。首先，不论是美国国防部高级研究计划局还是美国海军，对科研单位的产品从来是研制一款就装备一款，装备不了高精尖，就把高精尖的技术挪到一些短平快的科研项目上，力求尽快装备、收回投资。而且军方在选择科研单位的过程中慎之又慎，一旦选中，轻易不会更换研制单位，这就使科研单位有机会培养出一支专业化无可比拟的科研队伍，新产品装备部队换来源源不断的资金极大促进了研制工作高效、顺利地进行，花大力气购置的新设备也有了用武之地，并且积累了大量的技术储备。这样做的结果是第一款产品可能会存在一些缺憾，而随后研制的新展品却十分成熟，而且研制过程越往后进行就越顺利。从科研部门的角度来看，美国虽然每年兵器行业科研立项比我国多，但美国科研单位相对来讲更多，而且这些科研单位鱼龙混杂，不仅有科研院校的，还有军火商的、私营公司的，很容易行程无序竞争，造成混乱。但美国军工科研秩序基本保持稳定，新产品层出不穷，除了依靠几个军工寡头垄断市场以外，也得益于军方只看竞争力、不搞平衡均沾的政策。科研单位想要争取到一个科研项目，必须经过长期的准备工作，只有练就一身过硬本领才能在众多科研单位的角逐中脱颖而出。
回顾美军很多军用技术的发展轨迹，一般是先将一些已经成熟的简单技术投入应用，用装备赚来的钱继续投入下一轮研制，这种「研究一批高精尖、应用一批短平快」的方法，能够尽快收回投资成本，以科研促科研。这种科研管理办法在我国研制三代坦克的时候得到充分运用，被称为「螺旋式上升」，所以在三代坦克列装部队以前，总设计师就已经为国家收回了全部投资。但想要实现这样的科学管理模式，除了要选对科研单位，也要赋予科研单位总师绝对的权利。美国科研工作的管理模式是总设计师在项目研制过程中拥有绝对的财政权、人事权、方案选定决策权。美国这么喜欢搞三权分立的国家在这个时候都要三权统一。与之相同的是，在三代坦克研制之前，时任国防科工委副主任的邹家华曾经请祝榆生出山担任三代坦克总设计师，在问及担任总师有什么要求时，祝榆生就提出科研三权统一于总师的要求，这在当时的中国是前所未有的，邹家华和祝榆生这样做在当时来讲也是冒着一定的政治风险的。然而从实际效果来看，科研工作三权统一是正确的。我国三代坦克的研制工作不仅仅是出一款新车那么简单，而是从试验设备、生产设备、试验检测方法等，全部更新换代。一代坦克的研制有苏联援华项目支撑着，二代坦克研制有一代留下的底子撑着，三代坦克的研制却要一切从头再来。虽然面对的难度是空前的，但取得的成就也是空前的。三代坦克的成功研制完成了这个看似不可能完成的任务，这就是科学的科研工作管理模式发挥出的巨大力量。
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