中美發展電磁炮的差異

一、為什麼要研發電磁炮？ 

   電磁炮是利用電磁力發射技術製成的一種武器，與傳統大炮用火藥爆炸力推動砲彈不同，由於電磁炮與電磁場力作用的時間長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起各國軍關注，自80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發展計畫中，已成為越來越重要的部分。中國的電磁炮技術全球第一，美國在2022年就放棄了電磁炮，這是因為美國電磁炮技術不行，雖然中國電磁炮起步晚但後來居上。中國在電磁炮領域取得了巨大的進展，並成功超過了美國。中國大陸央視首次曝光電磁發射試驗現場，發射過程「不用火藥、沒有轟鳴、不見火光」，電磁炮也可作為森林消防利器，可發射滅火彈對山火實現遠程打擊。電磁彈射技術可軍用兩用，用途很多說明中國電磁彈射技術已非常成熟。不僅有艦載電磁炮，而且有車載電磁炮，也說明中國電磁炮實現了「小型化、通用化、系列化、實戰化」。2016年4月媒體報導，中國曾在內蒙古炮兵靶場對電磁炮進行了首次試驗：「25公斤彈丸被發射到250公里以外的預定區域」。衛星照片顯示，中國電磁炮長達33.5米，可擊穿10米厚混凝土炮靶和多層裝甲板。 

   相比於動輒幾十萬、數百萬美元的導彈來講，電磁炮的成本大約在2.5~3.5萬美元，非常便宜。如果哪個國家成功研發了電磁炮，並且應用於軍事戰爭，那麼不僅擁有強大的作戰武器，還能大幅度降低作戰成本，畢竟“大砲一響，黃金萬兩”，現代戰爭打的也都是“錢”。強大的動能，如果再配上能擊中目標後爆炸的電磁炮，那麼在未來，一炮一艦想來也有可能，普通的艦艇裝甲、坦克裝甲等，在穿透力超強的電磁炮面前，宛如薄紙。總的來說，電磁炮的理論威力強於傳統砲彈，但受限於所需技術攻關較難，即便是美國這樣的軍事強國，在諸多因素之下，也只能無奈選擇放棄。中國在電磁炮領域起步較晚，但進步卻十分迅速，特別是幾年前，中國就將電磁炮成功搭載在936號坦克登陸艦上(圖1)，這無疑向外界透露在電磁炮技術領域取得了重大成功，中國可能在2025年成為全球第一個正式裝備服役電磁炮的國家。 

二、電磁炮的技術原理 

     電磁發射的基本原理就是通電的導體在磁場中會受落倫茲電磁力產生運動即物理中的法拉第定律，和普通的電動機差不多但是結構有差異，主要有(1)軌道發射技術(2)線圈發射技術(3)重接發射技術。三種發射技術中軌道發射技術結構最常用也最簡單，但工程技術較難，線圈發射技術次之，但要達到超高速很難。而重接發射技術難度就比前兩者都要高一些，但在重載發射能力上它是最強大的，目前電磁炮多用軌道發射技術。圖2是軌道彈射的原理，導軌就是電極，電流方向由正極流向負極，發射彈頭有一個導電的電樞，通電時電流從導軌穿過電樞從另一條導軌回到電源構成一個迴路，根據物理上安培右手定則，電流通過導體會產生環形磁場，根據法拉第左手定則，這個磁場將驅動電樞上通過的電流，推動電樞往右方前進，在小電流下這個驅動力並不明顯，但在百萬安倍的電流下就會變成巨大的推動力，將電樞加速到數千米/秒。但是軌道發射不僅要有超級電源，還要有防燒蝕的導軌技術。線圈炮的原理則是利用線圈產生的磁場吸引中間的“彈丸”，將其持續加速，並且可以通過多級將其不斷加速，達到比較高的速度。但這個線圈發射原理有個缺點是中間的鐵磁物體磁通容易飽和，阻礙了速度的進一步提高。重接發射原理有點像線圈炮，不過線圈炮是線圈中心通過發射物，而重接炮則是線圈的中軸線垂直方向發射，兩個線圈的磁場通過導線將磁場“重新連接”起來，所以被稱為是“重接炮”。重接發射有一個優勢，可以用多個線圈並聯加速，簡單了說就是可以將發射物體的重量加大，可以發射高速重載的物體，比如航空母艦艦載機用的電磁彈射就是屬於重接發射原理的一種，它能將30~40噸的物體在2-3秒內加速到飛機的起飛速度。從公佈的央視視頻中可以發現發射的電磁軌道是雙排的，表示兩條軌道同時加速的。電磁彈射其實非常複雜，因為涉及到儲能以及超高功率的強迫儲能與輸出發電系統、彈射導軌及其冷卻系統、超高功率的變頻器與控制系統、電磁干擾屏蔽系統等。 

   電磁炮利用電磁力將彈頭加速到。不需要火藥推進劑，只需要電能就可以產生強大的殺傷力。電磁炮的核心部件是一對平行的導軌和一個金屬彈丸。當導軌通上大電流時，它們之間就會產生一個強大的磁場。這個磁場會對彈丸施加一個垂直於導軌方向的力，使彈丸沿著導軌向前加速。加速度與電流的大小和導軌的長度成正比，因此只要提高電流或增加導軌長度，就可以讓彈丸達到更高的速度。電磁炮的優點是可以發射非常快速的彈丸，比傳統火砲或火箭彈快得多。目前已知的電磁炮出膛速度可以達到2000米/秒至3000米/秒，而傳統火砲或火箭彈的速度一般在1500米/秒以下。這意味著電磁炮可以打得更遠、更準、更快。其次，它不需要攜帶或儲存危險的火藥或火箭推進劑，只要有足夠的電能就可以隨時發射。這樣可以減少後勤壓力和安全風險。再次，它可以發射各種形狀和材質的彈丸，只要是導體就行。這樣可以根據不同的目標和環境選擇合適的彈丸類型。可以說，電磁炮就像一個超級大號的直線電機，把金屬彈丸當成動子來加速。它也像一個巨型的橡皮筋槍，把電能當成橡皮筋來儲存和釋放。它甚至像一個未來版的弓箭，把導軌當成弓弦來拉伸和鬆開。它是一種充滿科幻感和創造力的武器。電磁力可將物體推至高速形成砲彈引起各國軍方震驚，電磁炮在未來武器上必有一席之地。電磁炮跟傳統火砲不同，它的核心原理就在於“電磁力”，整個發射系統最主要的是加速線圈，當電流經過線圈時會產生磁場，磁場之間會產生安培力，這股力可以在短時間內對金屬砲彈進行加速，從而實現“發射”功能。無需火藥的電磁炮，在整個發射過程中可以做到無煙低噪音，而且電磁炮在發射砲彈時能量極其巨大，速度快，受電子乾擾小，很適合用來打擊戰機、艦船、堅固工事等等，如果能不斷研發下去，不排除可以擊毀低軌衛星的可能性。 

三、中國的電磁炮有多厲害？ 

   中國的電磁炮研究開始於2006年，2018年全美廣播公司報導中國在進行全球最強電磁炮試驗，該武器將於2025年列裝。中國的第三艘航母上出現電磁彈射器意味著中國已掌握電磁彈射技術，而電磁彈射也是電磁炮的基礎。中國電磁炮速度可達每秒2.5公里，並且能以這一速度擊中200公里內的目標。與此同時，專家表示，該武器發射成本相對較低，單次發射成本在2.5萬至5萬美元。據美國CNBC電視台報導，美國情報部門2014年首次發現中國磁軌炮試驗。2015年至2017年間，中方對該武器進行了改進，並於2017年12月裝備軍艦，首次進行了海上試驗。中國最近幾年的電磁炮項目進行的如火如荼，並已取得了兩個關鍵性的成果。一個是馬偉明院士團隊成功研製的"強迫儲能裝置"，一個是北京有色金屬研究院研發的"雙面高溫超導薄膜"。前者是電磁炮充足電力的保障，它的作用在於電磁炮在一次發射結束之後可以迅速聚集起能量進行下一波發射，而北京有色金屬研究院的超導薄膜則是電磁炮上加速裝置的最為核心的部件。海軍可能是中國產電磁炮的首批用戶，而首批裝備的電磁炮可能用於055大型驅逐艦或者054B遠洋護衛艦。國產艦艇全電推進系統的關鍵技術已經被攻關，則意味著中國海軍新建造的艦艇將逐步進入「全電推進」時代。取消了傳動軸這種大型設備之後，節約出來的空間用於安裝電磁炮這樣的大型設備綽綽有餘。由於電磁炮擁有較高的初速和較遠的射程，在海基反導領域有著得天獨厚的優勢，美軍原本計劃用電磁炮代替「密集陣」近防系統，也就是說一門電磁炮可以代替傳統的主炮加近防系統但最終放棄。隨著電磁炮技術的成熟，其射程未來可能會達到200至300公里，已經超過了目前世界上大多數反艦飛彈的射程，電磁炮很有可能成為改變未來海戰作戰模式的武器系統之一。   

   中國海軍未來要走向深海，自然也需要強有力的武器來裝備在非航母遠洋編隊上，其中電磁炮與艦載高超音速導彈便是不錯的選擇。當然主要也是中國攻克了電磁炮的難題，其關鍵還是在於電能，歸功於在電磁領域做出巨大貢獻的馬偉明院士，在電力消耗方面，中國比美國具優勢。美軍電磁炮射程大概在180公里，傳統艦載火砲射程在十幾至幾十公里，而中國電磁炮射程可以高達270公里。外媒報導，中國電磁炮的速度高達7.5馬赫左右，綜合實力成功超過美國的電磁炮。為什麼許多國家想要研發電磁炮？一方面是考慮到成本，相比於動輒幾十萬、數百萬美元的導彈來講，電磁炮的成本大約在2.5~3.5萬美元，簡直就是太便宜了，如果哪個國家成功研發了電磁炮，並且應用於軍事戰爭，那麼不僅擁有強大的作戰武器，還能大幅度降低作戰成本，現代戰爭打的也都是“錢”。強大的動能，如果再配上能擊中目標後爆炸的電磁炮，那麼在未來，一炮一艦想來也有可能，普通的艦艇裝甲、坦克裝甲等，在穿透力超強的電磁炮面前，宛如薄紙。總的來說，電磁炮的理論威力強於傳統砲彈，但受限於所需攻克難關較多，所以很多國家在研發了數年過後就放棄了，即便是美國這樣的軍事強國，在諸多因素之下，也只能無奈選擇放棄。 

四、美國電磁炮發展歷程 

   相對於中國，美國早在很久以前就提出了電磁炮的概念，但真正開始研製電磁炮，要追溯到2003年，當時美國海軍啟動了電磁軌道炮項目，旨在開發一種能夠以超高速發射固體彈丸的未來武器，以對抗各種空中和地面威脅。美國海軍曾計劃在2020年之前將電磁炮部署在艦船上，但這一計劃屢次推遲和縮減，最終可能會被取消。美國海軍在電磁炮技術的開發中遇到了許多困難和挑戰，主要涉及到供電系統、火控系統、通訊鏈路、彈丸設計以及發射平台等方面。儘管美國海軍在2017年取得了一些重大突破，成功實現了電磁炮的高速連續發射，並展示了其強大的殺傷力，但這些成果未能得到海軍高層的重視和支持。美國海軍認為電磁炮並不能取代傳統火砲和導彈，而且還需要更多的時間和資金來完善其技術和戰術應用。據美國媒體報導，在2021年和2022年的軍費預算中，美國海軍幾乎沒有向電磁炮項目投入任何新的資金，只有少量資金用於應用研究，而非技術研發。這意味著美國海軍已經放棄了電磁炮項目。美國認為高超音速導彈是更有前途和實用的未來武器，能夠滿足不同的作戰需求。總的來說，美國在電磁炮領域經過了16年的艱苦探索，但沒有達到預期的成果，反而陷入了技術和戰略的困境。美國海軍或許已經認識到在這一領域的落後和錯誤，但無力挽回局面，只能選擇放棄和轉向，這無疑是美國在軍事科技領域的一個重大挫敗。在電磁炮領域，中國已經成功超越了美國，這是中國軍事科技的一大成就，也是中國海軍實力的一大提升。目前，世界上已有多個國家和機構在研究利用電磁武器進行空間發射的可行性和技術方案。如果能夠成功實現電磁武器空間發射，那麼中國將在太空領域取得重大突破，為人類探索宇宙開闢新的道路。總之，中國電磁炮的發展前景十分廣闊，不僅可以提升海軍的戰略威懾能力，也可以促進軍民融合發展，還可以為人類探索宇宙提供新的可能。  美軍暫時放棄繼續研發電磁炮的原因如下:

1.美國電磁炮射程低、速度慢、精準度差、易暴露

    美軍理想中的電磁炮射程為400~500公里，速度為6馬赫，但16年下來，最終試驗結果只有大概180公里，平常速度只有3馬赫而且美國電磁炮的精準度也是一大缺點，在180公里射程中，他們電磁炮的射擊圓概率偏差都要大於100米，而且還特別容易受其他因素影響。此外，美軍研發電磁炮是打算安裝在DDG-1000隱身驅逐艦上的，但電磁炮的強磁現象，很容易暴露己方位置。 

2.美國電磁炮成本高、耗能大、威力小

   電磁炮的砲管燒蝕情況十分嚴重，整體壽命較短，而且美國電磁炮的射速也很低，大概1~3次/分鐘，如果要提高電磁炮射速，就需要可冷卻砲管以及使載艦核動力化，此舉無疑會大幅度增加成本。為什麼電磁炮射速慢？這是因為電磁能量快速吸收與儲存的系統難題還沒攻克，簡而言之就是電力不夠，每發射一次，就需要充電。而現代戰艦的電力分配十分緊張，日常照明、垂直導彈發射器、各類電子設備等，都需要電力，電磁炮所需的電力跟戰艦本身就存在衝突，所以從今時今日的軍事科技來看，電磁炮的強大耗電量是一大難題。當具備高速動能的電磁砲彈擊中目標後，很可能會直接穿透過去，而不是在擊中目標後爆炸，所以威力也不是很大。而且美國軍事實力強大，能取代電磁炮的武器比比皆是，例如“朱姆”驅逐艦就安裝了兩門AGS155毫米傳統艦炮和兩門“博福斯”57毫米艦炮來替代電磁炮。在很多人的眼中，美國作為全球軍事強國，連他們都放棄的電磁炮，其他國家研發也不會有什麼成果。事實上，美國為繼續研發電磁炮的原因是“經費緊張”，美軍的“全球部署”著實要花費海量軍事經費，也就是說，美國太多地方需要軍費了，而難以突破的電磁炮反而成成累贅。