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第6章 急速破袭——动能武器(4)

美国联合防务公司从20世纪80年代开始研究电热化学炮技术。至今,公司已采用30毫米、60毫米、120毫米、127毫米、155毫米等不同口径的电热化学炮进行了原理论证和试验研究,共发射了1400余发炮弹。1993年6月,该公司向美国海军作战中心交付了世界上第一门60毫米电热化学炮,以进行验收试验。该公司在研究电热化学炮时,使用一种能提供额外化学能的高能工作流体作为发射药,例如碳氢化合物燃料。借助于高压的瞬间放电来加热该物质,然后加入氧化剂(例如过氧化氢),在等离子体的作用下,这种流体被汽化并同氧化剂混合发生化学反应,从中释放出大量的化学能用来加速炮弹。该公司称这个过程为燃烧增强型等离子体火炮技术(CAP)。据称,这项技术可使炮弹的初速提高25%,火炮有效射程提高2倍。CAP技术的缺点是,它需要大容量的电源为形成等离子体提供能量,过氧化氢具有不稳定性并且有引燃危险,对人员能造成严重烧伤。该公司一门燃烧等离子体电热化学炮样炮的试验结果表明,它可使30毫米弹丸的炮口能量比固体发射药火炮的提高35%。美国陆军弹道研究所已攻克做功工质这一技术难关,研制出一种可控的、能再现弹道性能的高性能电热化学炮工质。

GTdevices公司几乎没有透露他们研究的情况。外界猜测,他们考虑的工作流体是一种由铅、钛和水混合而成的泥浆,这种泥浆的内能仅是FMC公司的碳氢/过氧化氢混合物的一半,但它具备惰性、无毒、操作安全的特点。在高电流脉冲的激励下,它开始燃烧,进而产生大量气体,由于水中所含氢成分的分子量低,有利于提高火炮的弹道效率。但是,混合物中也含有大量能引起炮膛淤塞的颗粒。

上述两家公司的电热化学炮研究都是以美国陆军M256式120毫米坦克炮为基础,使用麦克斯韦实验室的电容器装置作为脉冲电源。在1989年10月到1990年2月间,美国陆军在加利福尼亚州的格林法姆试验场对两家公司的电热化学炮进行了比较评价。尽管此次评价结果并不令人满意,但美国陆军对这种新概念火炮仍寄予很大希望。

自1989年以来,联合防务公司参与了6项电热炮研究工程。其中包括实施美国陆军未来先进野战火炮计划,该公司已与通用动力/维克斯造船工程有限公司组成联合研究小组,承接了这项合同,合同要求设计一个能够将47千克重的炮弹投射到50千米远的增程榴弹炮,并要求初速不能低于1.2千米/秒,公司认为选用电热炮较为合适,为此,他们开始着手研制120毫米高速(3千米/秒)CAP炮试验装置。另外,还考虑在标准的M198式155毫米榴弹炮上采用CAP技术。

美国海军也于1990年底开始了电热技术的3年研究和发展计划。电热技术在舰炮对岸火力支援、对舰作战、对付飞机/反导弹防御等方面都拥有用武之地。美国海军对FMC公司的CAP技术备感兴趣。FMC公司初步估计认为,研制舰载CAP炮大约需10年的时间。美国海军已经同时与FMC公司的先进系统中心和通用动力地面系统两家研究部门签订了合同,合同要求这两家公司为在以色列的60毫米炮上进行高速电热化学试验提供必要的试验装置。这种火炮将能发射3.5千克的灵巧炮弹,初速要求达到1千米/秒,并计划安装在美国海军MK15“密集阵”炮塔上用于电热炮的试验研究。美国海上系统司令部正在考虑电热技术在末端防御系统中的应用问题,他们希望电热炮最终能取代“密集阵”系统中的常规火炮。

除美国外,俄罗斯已在FST-2坦克上试验了135毫米电热化学炮,初速可达1890米/秒。以色列为美国弹道导弹防御计划局研制的105毫米电热化学炮于1993~1995年在美国进行了一系列射击试验。法国与德国合作进行了电热化学炮的研究工作,德国研制的20毫米和45毫米试验炮的初速分别为2540米/秒和2374米/秒,另外还计划建立一个电热化学炮试验场。

目前,电热化学炮试验已取得了令人振奋的成果。世界各国都对电热化学炮表现出很大兴趣,美国、俄罗斯、英国、法国、德国、以色列等发达国家已在这一技术领域进行了理论研究和试验研究,尤以美国进展较快,技术最为领先。

四、终极破袭——电炮的未来

近年来,电磁、电热发射技术的发展较快,原理上的问题已基本解决,但由于工程技术及制造工艺上的复杂性,使其成为能够用于现代战场上的武器系统,还存在许多问题,需要进一步加以研究。今后的发展趋势是:

1.继续开展单项关键技术的研究

单项技术是武器系统赖以存在的基础。只有扎扎实实地解决好了各项单项关键技术,才能为武器系统的总体设计和研制提供必要条件。这些技术包括:

(1)电源及其小型化:目前采用的电源有电容器、单极发电机、补偿电机和蓄电池4种类型,另外还有作为单次使用的爆炸压缩发生器,以电容器为例,俄国目前的技术水平已达到1焦耳/克,日本达到2焦耳/克,美国达到3.3焦耳/克,且计划在未来几年达到10焦耳/克,为了能获得10兆焦的火炮口动能,若效率为10%,则需要电容器储能100兆焦,以美国目前的水平,其电容质量应为33吨,由此可见,电源的小型化是电磁炮发展中的主要难题。目前各国正在加紧研究结构更紧凑,比储能更高,体积与质量更小的强脉冲功率源。

(2)电源开关:电磁发射是在高电压、高电流环境下进行的,需要一种特殊的开关才能完成回路的闭合或切断。目前采用的开关有半导体真空开关、爆炸开关、气动开关、等离子开关、充气间隙开关及引燃管等。单次使用的开关,几个并联电流可达几兆安,但具有重复频率达几十赫的开关尚未很好解决。

(3)轨道烧蚀:这是以等离子体为电枢的电磁炮所特有的问题,它主要由于大电弧的热效应和带电粒子的轰击,使金属轨道和绝缘轨道都产生严重的烧蚀现象。烧蚀主要取决于脉冲电流值和电弧运动速度。

(4)弹丸设计:当弹丸速度超过3千米/秒时,由于气动力加热,弹头可能被熔化。在高速推进时,弹丸在膛内就可能发生损坏。

2.积极开展电磁炮武器系统概念研究

电磁炮作为一个用于战场作战的武器系统,目前还处于初级阶段,大部分是在实验室或试验场用于进行研究或演示试验的原理样机。作为一个具有强大生命力的新型武器系统,必须处理好威力、射程、精度、生存能力、快速反应能力、全武器系统质量和战地勤务使用、可维修性、可靠性等各方面的矛盾。因此,必须运用已经取得的各单项技术成果,在原理试验样机的基础上,通过对武器系统概念的研究,统筹协调,使其逐渐完善。从目前的发展趋势看,今后10~20年内,可能集中力量发展车载战术电磁炮,主要用于反装甲和防空,其中电热—化学炮(CAP)最有希望在本世纪末或下个世纪初作为实战武器系统,投入使用。使用CAP发射小质量的超高速弹丸,以极高射速形成弹幕,对付各种现代化的武装直升机、歼击机、掠海飞行的反舰导弹等。电磁炮作为实战武器系统投入使用,预计要到21世纪20~30年代。

3.积极开展超导技术在电磁炮武器系统的应用研究

目前,电源技术的发展,虽为电磁发射技术物化为武器系统做了许多有益的工作,但仍很不理想。超导技术的发展和应用,进一步坚定了人们发展电磁发射技术的信念。由于超导材料在超导状态下电阻为零和完全的抗磁特性,因此可以利用很少的电力来驱动强大的电流,建立起稳定的强磁场,或用超导线圈储存巨额电磁能,从而使电源的体积、质量进一步减小,进一步提高能量利用率。另外,超导线圈在超导闭合回路内,能量将长期保存,而不会损失。如果充电时间足够长,则用小型低压电源就可以进行线圈的励磁。按照目前的超导材料,也可以获得107焦耳/立方米以上的高能量密度,随着强磁场超导材料的发展,在未来10年内,可以将能量密度再提高一个数量级,达到108焦耳/立方米。近年来,美国科学家Homan等人将超导线圈应用于电磁炮,并做了理论分析,提出了设计方案,应用超导线圈后,电磁炮的能量转换率,从理论上说,可以提高到50%左右,从而大大改善电磁炮的供电系统,有助于电磁武器系统的小型化,这将引起电磁发射技术产生新的变革。

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