电磁炮革命

源济

电磁炮革命（上）——中国海军成为“第一个吃螃蟹的人”

澎湃新闻特约撰稿 雪鸮

2018-02-26 08:07 来源：澎湃新闻

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春节前夕，国内外多家媒体披露了我国正在武汉进行电磁炮的装舰试验，意味着我国成为了世界上首个在军舰上安装电磁炮系统的国家。根据社交媒体披露的照片，该电磁炮系统的试验平台为072II级登陆舰“海洋山”号，目视可见搭载平台为了相关测试做了不少改装。从照片上也可看出，电磁炮系统的集成程度较高，炮管口径极大，在舰体其他部位也安装了不少配套供能系统。

这套电磁炮虽是试验装备，但相关技术有极大的应用潜力，其发射威力和低成本性也将会对制海和两栖作战产生巨大的影响。同时，一套成熟的电磁武器系统的问世，仍需中国在诸多关键子系统及其整合上做出巨大努力。

试验的电磁炮系统已经具备相当的集成度

海军强国缘何纷纷热衷于发展电磁炮？

在上世纪八十年代，美国海军曾经对舰炮是否有必要继续存在展开过一次大讨论，有相当一部分的人认为，在未来的海上作战中，舰对舰作战都在超视距范围内发生，舰炮所起到的作用微乎其微。不过，考虑到海军的存在并非全部是为了舰队作战，两栖火力掩护仍然是海军主力舰的主要任务之一；此外，大国海军的主力舰也时刻面临一些不对称威胁。因此，美军最终相信保留一门口径不大、射速较快的舰炮是非常必要的。

然而，传统火炮在威力和发射距离的提升上却遇到了瓶颈。炮弹发射的原理实际上就是在炮管内产生某种推动力，以巨大的力量将炮弹从炮管内推出并飞往目标。对于传统火炮而言，它利用高能炸药爆炸来产生这股推动力，但炸药只能爆炸一次，能量来源衰减较快，并且传统的高能炸药性能提升空间已经相当有限。正是因为这个原因，各大国在九十年代陆续开展了新原理火炮（投射器）的研制工作，其中，电磁炮（又称电磁投射器）无疑是最具吸引力的一个选项。

电磁轨道炮发射原理

中国目前开展试验的电磁炮属于电磁轨道炮，即依靠两侧轨道的驱动电流产生巨大磁场，同时限定炮弹前进的路线，来推动炮弹进行加速，最终在出膛时获得超高的速度和动能。

相比于传统火炮，由于电磁炮的两侧导轨可以为炮弹在炮管运动的过程中持续灌注能量，因此理论上更容易获得超过传统火药的出膛动能（最高约为传统火炮的十倍），并且出膛速度可以根据需要进行调整。此外，电磁炮所需要的仅仅是电能，成本优势更为明显。根据美国海军的统计，火炮发射药产生的每焦耳动能需要10美元，而电磁炮只需要0.1美元。能以更低的成本达到超强的射程和毁伤能力，正是电磁炮最吸引人的一点。

所谓量变产生质变。传统的舰炮射程较短，主要用作自卫，假使要对地打击、支援两栖作战，也必须在较近距离上，反倒对自身安全构成威胁；如果军舰想在较远距离上对岸上目标进行攻击，就必须使用昂贵的巡航导弹，有时也得不偿失。电磁炮的存在就让海军在对地打击、实时火力支援上有了一个完美的选择，它可以使舰队在距离岸边两百公里之外仍然具备低成本、大威力的打击方式——这样的能力是任何一支海军都梦寐以求的，更何况它还具备防空反导的潜力。

当然，优越的技术自然有着它的高门槛，成熟可用的电磁炮需要在诸多技术领域有着深厚的积累，目前也仅有中美两国的电磁炮达到了工程样机测试的阶段。

中国需要克服哪些难关？

如果想要使炮弹在出膛时的动能达到传统火药的十倍，根据能量守恒定律，电磁炮就必须在炮管内对炮弹输送十倍于前者的动能。如果电磁炮在此基础上还要保持相当高的发射频率，就必然对舰上的发电、充电、放电速率有很高的要求。换句话说，此前在高能火药中储存的化学能，都将由瞬间释放的电能来替代。

事实上，电磁炮的特点和最大技术难关正是在于其需要在很短的时间内具备极大的峰值功率。在电磁炮具体的使用上，如何分配、储存和释放电能，保障电能有效供应是比起电磁加速技术本身更核心的问题。目前主流的观点均认为，装备真正实用的电磁炮的军舰必须具备综合电力系统——其直接从舰船发动机中获得电能，并合理分配到舰船的推进系统、生活系统以及武器系统；该系统还可在不同的状态下实现不同的分配优先级，从而使军舰在战斗时能够保障电磁炮不断发射所需要的高电能。同时，采用综合电力系统的军舰显著增强了发电能力，不仅拥有了更多调配空间，主电力管线所承受的功率也比之前大得多，以便在同样的时间内传输给电磁炮系统更多的电力，从而提高电磁炮的射速和威力。

055的后续改进型号将有望采用综合电力系统

在此基础上，当我们将目光返回到担负此次试验的舰体，就不难认识到其非常明显的探索性质，以及综合电力系统的重要性。由照片可知，此次上舰试验的电磁炮系统不仅仅包括电磁炮本身，还包括了发电、充电、转换器和放电系统，它们在不大的甲板上占据了很大空间。尽管我国在电磁炮的集成性上已经做得很好，但是如果将整个电磁炮系统安装在不具备综合电力系统的军舰上，其配套系统会额外占用不少宝贵的舰体空间。毕竟在真正用于战斗的军舰上，如同照片中的测试舰一般在船上堆积数百吨的各种物资和组件的做法显然是不可能的——使用综合电力系统的军舰就可以节省大量的组件和空间。

 “海洋山”号舰体的甲板上几乎布满了炮身以外的配套试验设备

由此可见，尽管我国的电磁炮能够上舰本身已说明其达到了世界先进水平，但是我们仍然需要在电磁炮技术以外发展出一套更全面的技术——综合电力系统，来完美契合电磁炮的使用。研发出成熟可靠的综合电力系统正是各海军强国科研部门努力的方向。

技术是否会持续扩散？

既然我国电磁炮已经实现了上舰的突破性进展，那么它是否有可能被安装到坦克、飞机等其他平台呢？

以目前的科技水平，这可能很难做到。如上文所述，电磁炮系统不仅包括发射器本身，还有一系列的充电、放电、转化器等设备。以此次装舰的电磁炮系统为例，从军舰水线来分析，装备了电磁炮系统后的“海洋山”号几乎达到了满载排水量，按照072级的标准排水量和满载排水量计算（差值大约为一千吨），扣除其他装载的设备，整套试验用的电磁炮系统（包含配套设施）大约有三四百吨的重量。为了不影响舰体的重心和发射炮弹时军舰的稳定性，舰炮系统所占用的质量比例不宜过高，且应当尽量装备于较为宽大的舰体。现在看来，最适合这个条件的平台就是055级大型驱逐舰了。但考虑到舰体重心和电力系统所要求的严格条件，运用实战电磁炮系统的军舰必须全新设计建造，并且吨位庞大。

美国在陆地上实验的大型电磁炮

不过，根据我国电磁技术专家马伟明院士的《电磁发射技术》一文，我国也有可能将电磁发射技术用于多种常规兵器，除了以舰载电磁炮为代表的大口径、大发射质量技术路径之外，小口径、大初速、大射程也是一种发展方向。虽然说以目前人类的科技水平，很难将数百吨的配套设备小型化到坦克、飞机可以搭载的水平，但是也可以考虑将电磁加速设备作为一种加速手段用于常规兵器中。

电磁炮的本质是利用电磁产生的推动力加速目标物质，是一种加速的手段，如果我们围绕这一本质进行实用拓展，那么除去用于加速炮弹外，也可以运用于军队武器研发的方方面面，例如众所周知的电磁弹射器。考虑到高能火药在目前仍是非常强劲的主流弹药加速方式，如果可以在高能火药瞬间推动的基础上再辅以电磁加速，那么炮弹就可以产生更快的出膛速度，从而获取更远的射程。若将电磁加速设备整合在火炮、火箭发射器等传统发射装置上，就更方便对中远距离目标进行精确打击。同样，如果将电磁弹射用于各种导弹的发射，也有可能增加弹道导弹的射程。

诚然，在军事方面的应用必然是电磁加速技术最尖端的一面，但是如果将此电磁加速/减速技术民用化，诸如轨道列车、火箭等等都是它可能的应用方向。军用技术的民用化有着丰富的历史，可以说，未来民众的生活出行方式也存在出现革命性变化的可能。届时，上班族的通勤时间会大大缩短，人们也可以在极短的时间完成长途旅行。如果这种革命性的技术持续扩散到民用部门，势必会促进新的科技革命，为人类开启一扇新的大门，其意义将比电磁炮本身深远得多。

（未完待续）

源济

电磁炮革命（下）——先进电力技术点亮“未来战舰”

澎湃新闻特约撰稿 雪鸮

2018-02-28 17:08 来源：澎湃新闻

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电磁炮革命（上）——中国海军成为“第一个吃螃蟹的人”

电磁炮的装舰说明我军一种新的强力武器正在逐渐成熟，也标志着海军装备发展开始进入新时代。除了电磁炮，我国也正在加紧攻关其他难度更大、适用范围更广泛的舰用电力技术，每一项核心技术的突破，都意味着中国海军距离使用具备综合电力系统的“未来战舰”更近一步，相关技术甚至还可以让我国的“水下狼群”战技性能发生蜕变。本篇文章主要谈谈在舰用电力技术中最为关键的高密度发电技术和电力推进技术。

直流供电好在哪？

众所周知，最先获得“未来战舰”称号正是外形科幻的美国DDG-1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰。“朱姆沃尔特”级是世界上第一款宣称使用综合电力系统(IPS)的战舰，但这款战舰正是在这个核心技术上产生了暂时难以逾越的障碍，导致该项目被砍到了三艘，原本草案中的电磁炮装舰计划也遥遥无期，极有可能被取消。

“朱姆沃尔特”级的一号舰和二号舰均存在交直流变流转化问题。 

“朱姆沃尔特”级已经建成的一号舰和二号舰在海试期间，陆续产生了几次全舰停车的事故，这在之前使用传统动力的“宙斯盾”舰上是不可想象的。经过美国海军专家的分析，其本质原因是因为舰上用于驱动轮轴的直流电供应不足，最终导致了军舰停车。

简单来说，综合电力系统所采用的电能都来源于原动机（蒸汽轮机或燃气轮机）的驱动，带动发动机发电，美国“朱姆沃尔特”级在这一阶段所产生的电属于交流电，是非线性的，无法直接用于耗能巨大的各类装置。如果想要转化成可用的直流电，就必须经历较复杂的变流过程，系统稳定性不佳。然而，美国人并没有很好地解决将交流电转化为直流电的变流转化问题，主要是因为如果要将交流电转化为直流电，需要很多复杂的变流装置。

在万吨驱逐舰这种用电量极大的平台上，将发电所产生的交流电集中在一起完成变流工作是一项非常复杂的工作，相关设备既要完成一定程度的小型化使其不过度占用舰上空间，又要保证输出足够的直流功率，使得故障率大大增加。一旦其中一些重要节点发生故障，就有可能导致相关机组停止运行。在此基础上，“朱姆沃尔特”级实际上已经不可能加装电磁炮，电磁炮需要大量的直流电对电磁炮所配备的超级电容充电，并至多在几秒内完成一轮加速，快速发射就需要快速完成充电，因此安装电磁炮实际上对军舰连续供应直流电的能力有着更高要求。“朱姆沃尔特”级维持本身动力的直流电供应都会产生问题，更别说再安装一门电磁炮了。

我国在舰用发电系统的相关技术上则从原理上完美地解决了这个问题，目前我国在研的中压集成供电系统（已使用于常规潜艇，计划使用于水面舰艇及核潜艇）可以同时供应交变电，并着重加强了直流电的发电能力，可以直接满足不同设备对于直流电或交流电的需要，且在工作时两个模块互相不产生干扰，对舰艇其他部分也基本不存在电磁兼容性问题。这款发电机还大幅度减少了变流工作，节省了宝贵的舰上空间。

央视曾报道了我国试验的中压集成供电系统。 

根据相关资料，中压供电系统的最终目的就是要解决高能武器的上舰问题。考虑到舰上功率需求大的设备（推进模块、电磁炮等）基本上都需要使用直流电，我国未来的综合电力系统将直接采用直流电体制，功率将不再受到原动机转动频率的限制，有利于减少舰艇噪声，也可以根据需要调整发电功率。只有保障军舰上充足的直流电供应，才能让军舰各子系统发挥强大的战斗力，避免美国同类舰“趴窝”的事情发生。这一种综合电力系统的设计思路，实际上是依靠我国在发电技术上的高集成度，颠覆了传统思路，从源头上绕开了美国、英国综合电力系统面临的难关，走出了一条属于我们自己的技术路径。

电力推进将成未来战舰的重要特征

除了美国的“朱姆沃尔特”级驱逐舰，英国的45型驱逐舰也使用电力推进技术。不过，这种电力推进技术在推进原理上并无太大突破，还是依靠原动机运动所产生的电能，输送给感应电动机来带动螺旋桨轴系。虽然从技术的成熟度上来看，这一路线较为稳妥，但实际上这种做法有点像“为了电动而电动”，不仅没有结余任何传统螺旋桨轴系，还在其中增加了变电环节，降低了系统的稳定性和效率。45型驱逐舰在执行任务时的数次停车，就有电力推进系统过热的原因（也有消息称45型驱逐舰不适宜在热带海域作战）。

我国舰用电磁领域专家马伟明院士在接受央视采访时表示，我国已经成功研发了实际运用于核潜艇的无轴泵推系统。作为对比，美国计划在“弗吉尼亚”级的后期型号运用该项技术，但目前还未完成研发。可以说，在这一项技术方面，我国已经领先了世界其他国家。

央视报道的画面中出现了潜艇用无轴推进系统。 

与45型的电力推进系统不同，所谓“无轴推进系统”是更彻底、更模块化的先进电力技术，在保障充足稳定电力供应的前提下，将推进模块外挂在舰船外部，利用船体内的变频器来实现转速的控制，两者之间没有任何直接的接触，而传统的螺旋桨、轴系和舵都被完全取消。此外，人们还可以根据舰船任务的需要增减推进模块的数量和方向，完全不用考虑轴系的安排。如今这个设想在核潜艇上已经被实现，安装于水面舰艇上的无轴推进器也指日可待。

众所周知，此前我国核潜艇在控制噪声方面做得并不算很好，而核潜艇的噪声主要有三个来源——齿轮减速箱的噪声、传动轴的震动声以及螺旋桨的噪声，这些问题在使用无轴泵推系统的我国新一代核潜艇面前迎刃而解，使得其噪声水平可以降到海洋噪声水平之下。技术指标的进步必然会带来战术上的革新，在中国海军得到核潜艇的“目标艇”后，核潜艇战力的增长也将大幅增强。

现在看来，相比于重达万吨的水面战舰，我国下一代核潜艇也许将更快地实现综合电力系统的使用。根据相关的论文和官方报道，我国已经成功研发并在常规潜艇上使用了高功率密度发电技术和智能化配电系统，该技术也将同样运用于新一代主力核潜艇上，让未来我国“水下狼群”如虎添翼。

无轴推进器取消了所有传动轴系。 

在水面舰艇方面，综合电力系统的几大技术难点分别是高功率发电技术、先进电力推进系统、智能化配电系统以及相应的高能武器系统，目前，我国工程人员正在不断地公关突破这些技术。相比于核潜艇，水面舰艇的主动探测手段更多，并且考虑到需要安装先进电磁武器，其对综合电力系统的要求更高。因此， “未来战舰”距离实装部队仍需要等待一段时间。可见，与电磁炮背后的技术革命相比，电磁炮本身的难度实在是微不足道。

何时装备055型驱逐舰？ 

055型驱逐舰是我国近年来为实现海军装备现代化的重要成果之一。其排水量、火力通道数量和探测性能等关键指标均处于世界领先水平。055的下水标志着人民海军装备制造水平达到世界先进水平，也意味着人民海军战略转型发展又迈出了坚实而有力的一步。

现在的055型并非终极形态，它还有很大的提升空间。我国最新研发的综合电力系统的诸多子系统已经领先水平，部分技术更是在原理上起到了颠覆性的作用。新款的055外形不会有太大变化，但内部的大部分传统管线将被取消，更换成大容量电缆，军舰的“神经”和“血管”得到了升级。综合电力系统和电磁炮出现在 “未来战舰”上只是时间问题。

英国45型驱逐舰。

综上所述，电磁炮的上舰试验拉开了我军先进电力技术发展井喷期的序幕。九层之塔，起于垒土，经过科研人员不懈的努力，我国一些武器装备的研发上已经从学习对手、跟上对手逐渐过渡到了超越对手的阶段。相信随着时间的推移，大家将目睹这款“未来战舰”的诞生。