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超凡脱俗的电磁炮

2022-04-23程醉

第二课堂(初中版) 2022年1期
关键词:电磁炮炮口初速度

程醉

在《变形金刚》系列电影中,美军使用一款神秘的舰载炮,超远距离将爬在金字塔顶端的机器人打得粉身碎骨的场景,一定让大家记忆犹新。现在,这款在影片中被称为"电磁炮"的武器已经变成了现实。

电磁炮的原理

每一种新型武器的诞生或出现,其背后总会有一套相对的理论、原理作为支撑。电磁炮自然也不例外,并且人类对它的研究可以说是历史悠久。

这还得从19世纪英国科学家法拉第发现的“电磁感应定律”说起。电与磁,大致可以比喻成一对相生相克的挛生兄弟。电能够生磁,磁也可以生电,但千百年来人类就是看不见也摸不着它们。直到法拉第发现磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动,同时,如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动,导线上也会产生电流,也就是磁场中的电荷和电流会受到洛伦兹力的作用。

从此以后,电磁技术便拉开了飞速发展的序幕。比如说发电机、广播、无线通信等,已经融入我们生活的方方面面。在二战时期,法国、德国、日本等国因为战争的需要都曾研究过电磁炮。其中,德国的汉斯莱曾将10克弹丸用电磁炮加速到每秒1.2千米的初速度。

电磁感应又称磁电感应现象,是指闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动,导体中就会产生电流的现象。这种利用磁场产生的电流叫感应电流。好莱坞大部分科幻电影中所谓的电磁炮,其实就是依据这种物理现象想象而来的。

那么,真实存在的电磁炮究竟是什么呢?

电磁炮是利用电磁力沿导轨发射炮弹的武器。简单地说,就是电源在经过升压电路之后,给电容充电,然后再控制电容对固定在炮管中的加速线圈放电,线圈在通电后就会产生磁场,其与感应电流的磁场相互作用就能產生电磁场力,从而吸引钢铁一类的物质加速运动,也就是发射出炮弹。

不过,这只是电磁炮中最原始也最简单的一种,被称之为“线圈炮”。而目前世界各国正在研制或者已经开始试射的电磁炮,一般采用的都是“轨道炮”的模式,也被称之为电磁轨道炮或导轨电磁炮。

电磁轨道炮由两条平行的长直导轨组成,导轨间放置一个电枢,电枢前放置弹丸。一般来说,使用时电流会从这个导轨的一侧开始通电,然后它会流经中间的电枢,然后再到导轨的另外一侧,从而形成一个闭环。由于强大的电流通过了两个导轨和中间的电枢,于是便产生了一个很强大的电磁推力,这个推力可以推动中间的电枢对其前面的弹丸加速并发射出去。

简单地说,我们大致可以把两根导轨看作是弹弓的弓架,中间的电枢看作是弹弓的皮兜,而电磁场则可看作是弹弓上的皮筋,由电磁场产生的电磁推力则可看作是弹弓上皮筋的伸缩力。

电磁炮的优势

先进的电磁炮虽然很神秘,也很科幻,但是它的威力却不容小觑。与常规火炮相比,电磁炮的优点是对于弹丸的作用时间长,因此炮口动能大。美军实验中的电磁炮炮口动能达到33兆焦,而美国的127毫米口径火炮的炮口动能仅10兆焦。

1兆焦大致相当于一吨重的汽车以每小时160千米的速度行驶所具有的动能。而美军电磁炮的威力就相当于一辆33吨重的卡车,以每小时160千米的速度撞击目标。我们不难想象其打击效果是何等惊人。

另外,从一段美国海军研制的电磁炮测试视频画面来看,其射出的炮弹不但可以轻易击穿水泥板、汽车,甚至还能一次击穿八块钢板。

而电磁炮另外一个引人瞩目的地方就是它的射速。据美军最新公布的实验室数据显示,其射速高达7倍音速,折算下来,其炮口初速度在每秒3000米以上。

我们知道,子弹的飞行速度在每秒700~800米,一般炮弹的飞行速度通常也不过每秒800~900米,即便是坦克发射的穿甲弹炮口初速度也只有每秒1500米。

实际上,炮弹在7倍音速的情况下,钢铁就如同豆腐。即便是炮弹里不装炸药,仅依靠动能就有破坏100千米以外三道混凝土墙或8厘米厚钢板的能力。

如果说炮口动能和射速是电磁炮威力惊人的两个重要表现,那么它的射程就能够让其称之为“革命性武器”了。比如说美国的127毫米口径火炮射程可以超过22~23千米,而电磁轨道炮由于初速度高,其射程可达180~ 200千米。

巡航导弹的射程虽然超过了300千米,但是其不但造价昂贵,一枚“战斧”导弹高达140万美元以上,并且一艘战舰的携带量也不会超过70枚。同时还无法在海上完成装卸,补充弹药时必须返回港口,这样使得它的作战效率大大降低。而电磁炮每发射一次的成本,大约在2.5万美元。

同时,电磁炮由于射速高,所以稳定性比较好,弹丸的飞行时间也比较短,受外界条件的影响比较小,因此通常来说它的命中精度也比较高。而在战争中,命中精度提高1倍,其破坏威力则要提高4倍以上。

所以,电磁炮以射程远、精度高、成本低,运输及补充便利等多项优势而被各国军方寄予了厚望。

电磁炮的应用

由于电磁炮较常规武器享有很大的优势,因此世界各国都在不遗余力地推进电磁炮的研发和试验。目前来看,电磁炮作为发展中的高技术武器,其未来在军事方面的用途应该说十分广泛。

从海军来说,电磁炮最直接的用途就是利用自身优势取代传统舰炮。从2019年开始,我国海军的“海洋山”号电磁炮舰频频出海测试。据报道,“海洋山”号上的电磁炮以每秒2500米左右的炮口初速度,打击了约200千米以外的目标。

从陆军来说,电磁炮是一款非常实用的反坦克利器。因为电磁炮的炮口初速度和飞行速度极高,所以它的穿甲能力也非常强。美军披露的数据显示,其使用电磁炮发射质量为50克,速度为每秒3000米的弹丸,就可穿透25毫米厚度的坦克装甲。

而对于空天部队来说,电磁炮不但可以代替高射武器和防空导弹,执行防空任务,还可以用于摧毁在临近空间飞行的低轨道卫星,也可以用来拦截敌方发射的各种导弹。

传统火炮属于化学能武器,而电磁炮则属于动能武器。化学能武器目前基本达到了能量的极限,已经不会再有飞跃式的提升。各种常规火炮为了提升炮弹动能,就只能是加大口径和增加弹药量。因此以电磁动能代替化学能的电磁炮,才被认为是颠覆未来战争的新式武器。

不过,由于受到各种技术的限制,比如说,电磁炮在发射时其电磁能的释放特征太过明显,几乎就相当于把自己的位置坐标暴露于大庭广众之下。因此,电磁炮要成为一款成熟的武器可能还有很长一段路要走。

(编辑文墨)

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