百岁少年

自从法拉第电磁感应定律、安培定则、左手定则等电磁力与导体运动关系的原理被解构清晰后，人们便开始研究各种各样的电力驱动的设备，凭借着电磁力，人们发明了电动机，同时人们也试图用它开发用于投射弹药的武器。早在1845年，就有人将一个线圈通入直流电，以产生的电磁力和内部铁磁性发射体产生“同性相斥”的排斥力作为推进力，将发射体成功射出50米外。随着科技的发展，蓄电技术，控制技术的日益提高，这种有着一百六十余年历史的武器武器在如今再次得到了重视，成为各国竞相开发的先进设备，也成为科幻作者手中经常被演绎的“未来科技”。

那么，电磁发射技术到底是因为什么原因又被重视起来的呢？目前应用又有什么样的困难呢？

电磁发射技术的动机——传统火药推进技术遇上的阻力

进入热兵器时代后，人们目前所有的枪械和大炮都采用化学能火药作为推进剂，用炸药作为杀伤战斗部。虽然化学能武器相当强悍——但是受制于材料学和化学材质的物理性质，目前有一些领域已经发展到了化学能武器的上限。

我们知道，目前APFSDS炮弹的代表是美国M829A3/4贫铀弹芯穿甲弹，它采用8.1千克RPD-380推进剂，能够将炮弹（10千克弹芯）加速到1555米每秒，达到12.1MJ的出膛动能。使用碳化钨材质的DM53/63穿甲弹因碳化钨密度较低，发射体减轻到8.35千克，初速度提升到1750米每秒，出膛动能达到了12.79MJ，基本上已经是现役120/125口径火炮的上限。

根据《Innovative boron nitride-doped propellants》这篇文章的数据：

Using the MCVEC [13] thermochemical equilibrium program, baseline RPD-380 calculated heat of explosion is 1156 cal/g, with a flflame temperature of 3573 K at loading density of 0.13 g/cc;

RPD-380推进剂能量密度是1156cal/g（1156卡=4838.8447048974焦耳），火焰温度3573K（3300摄氏度），充填密度0.13g/立方厘米，作为对比，TNT炸药的能量密度是4610焦耳/克，充填密度为1.6克每立方厘米。因此，M829A3发射时，8.1千克RPD-380可以释放出39.18MJ的内能（假设全部燃烧），但最终只有12.1MJ被转化为弹体出膛动能，其他都以火炮炮口火焰、炮管后座和炮膛升温损失掉了，综合机械效率仅有31%。

虽然大炮的机械效率并不高，但是为了将发射体加速到1500-1700米的超音速水平（约4.5倍音速），其付出的代价也是非常大的，除了需要沉重的车体/固定炮座和复杂的液压系统承受后坐力外，大炮发射的巨大膛压，以及炮弹出膛的高速摩擦对于火炮自身也是相当难以解决的难题。

根据以上几个图片，我们能够推出化学能火炮遇上的几个难题：

第一，热效率低下，大部分推进剂能量未用于弹丸加速；

第二，火炮威力和系统总重量成正比；

第三，膛压不均匀导致火炮前轻后重，加工复杂；

第四，高速磨损导致高初速弹丸火炮寿命不足；

最后也是最关键的：受制于化学推进剂的理化性能和炮膛材料极限，化学能火炮初速度有一个上限，目前APFSDS没有超过2000m/s的出膛速度。

除了这些大麻烦以外，化学能火炮还有一些没那么致命，但同样很难受的问题：

第一，推进剂极其易燃，中弹容易殉爆；

第二，推进剂需要严格的防水防潮，过期必须销毁，否则影响使用安全和性能；

第三，调整发射力度较为困难，分装弹尚可通过增减药包实现“有级调速”，定装弹则不可调速，对于不同的炮弹弹种兼容性差；

第四，考虑到较强的初始膛压和初始加速度，制导炮弹的元器件需要高抗过载性能。

由于这样的原因在化学能火炮无法从理论上予以解决，从上世纪末以来，美国，中国，印度等较为先进的国家开始转向电磁发射技术，以求能够实现更高的初速度，更高的使用寿命和更优越的通用性能。

电发射技术的三大流派——轨道炮，线圈炮，电热炮

如一开始所说，电能发射器绝大多数和电磁感应现象有关，不过也有另类的电热炮的存在。我们先从电磁能发射器说起来吧。

一、轨道炮

轨道炮的原理来自于1821年法拉第提出的“单级电动机”，这种电动机没有直流电动机的换向器和交流电动机的旋转磁场，只是让导体电流方向和磁场方向保持垂直即可。这样一来，如果在轨道炮的上下两侧放上磁感线一致的电磁体，然后轨道作为电源线，两条轨道之间的发射体（可以是铁磁性金属也可以不是铁磁性金属，或者由导电体包裹非导体弹丸）就会流过和磁场垂直的电流，从而产生高速驱动力沿着轨道飞出。该技术也用于电磁弹射器和磁悬浮列车的驱动。

电磁炮的机械效率非常出色。

假如我们采用电磁轨道炮加速M829A3的10千克APFSDS到1550米每秒的速度，加速轨道控制在M256火炮的5.28米长度，炮身控制在5吨，速度为匀加速运动，弹托为120mm*120mm石墨烯版（人类目前导热最强，电阻最低，熔点最高的物质），厚度5mm，R=p*l/s(石墨烯的电阻率p=10-8Ω·/m；l—电阻长度；s—与电流垂直的电阻截面面积)。则：

V1^2-0=2AS,S=5.28M,V1=1550米/s，则A=220170.5米每二次方秒

F=MA=10*220170.5=2201705N

S=1/2*A*T2.所以T=0.0069s

根据F=BIL，一般电磁炮的强磁场可达6特斯拉，导体长度120mm=0.12米。所以I=2201705/0.12/6=3057922A。

石墨烯弹托的截面积为0.12*0.005=0.006平方米，长度为0.12米，电阻为10-8*0.12/0.006=0.00006Ω。

电阻发热根据Q=i^2RT=3057922A^2*0.00006Ω*0.0069s=129519J=0.12MJ.

除此之外根据牛顿第三定律，火炮自身受到的后坐力和推进力相同，都为2201705N，A=440.34米每二次方秒，末速度为440.34*0.0069s=3.04米，末动能（通过液压复进机消除）为=1/2*5000*3.04^2=23250J=0.02MJ摩擦阻力和外围空气阻力不计入。

所以在忽略摩擦力和空气阻力情况下，电磁炮的总耗能为12.1+0.12+0.02=12.22MJ，比起身管火炮耗费39.18MJ才能达到相同的机械效率好了很多。

由于电磁炮发射并不受到火药的物理极限束缚，只与加速轨道长度、弹体直径、电流强度和磁场强度有关（F=BIL的安培力公式，F=MA，V1^2-V0^2=2AS牛顿第二定律），因此在最理想的情况下，轨道炮可以很容易把发射体加速到3-4公里（约10-15马赫）的速度，甚至有人设想过“电磁发射器”，在月球铺设超长的加速轨道，把运载月球开采的矿石的飞船直接射回地球。

二、线圈炮

和采用直线电动机的轨道炮不同，线圈炮的磁场方向并不是和发射体运动方向垂直，而是和发射体方向平行。线圈炮的理论基础来自于著名的数学家、物理学家卡尔·弗里德里希·高斯（即各种高斯公式的发现者）对于磁场加速原理的演绎，所以也名为“高斯炮”。

线圈炮的线圈围绕着炮管和炮弹布置，通入的电流为交变电流，和三相异步电动机原理较为接近。它的理论为线圈通入交变电流时，线圈产生的磁场会反复为导电弹丸进行相反方向励磁产生交变电流，变化的电流又产生磁场，因此被外界的磁场牵引前进，产生将弹丸抛出螺线管的动力。由于炮管内部不带电，因此不会产生轨道炮轨道之间击穿电压的影响，但是相比轨道炮来说，其开关控制较为复杂，并且内部会产生涡流，导致磁损，这会会显著影响初速度，同时弹体发热也较多。

线圈炮的最早期历史可以追溯到1845年，在1905年，克里斯蒂安·伯克兰在奥斯陆设计了一种改良的线圈炮，成功将500克发射体加速到50米每秒，但远低于步枪的600米每秒导致没有人采购他的发明。不过，在最近两年，随着大功率逆变器等一系列先进设备投入使用，线圈炮也如同轨道炮一样逐渐升温。由于线圈炮无需内部通过强大电流，因此也得到了一些重视，美国也发展出使用线圈炮原理发射战斧导弹的装置，中国“八一勋章”获得者马伟明也提出过采用电磁发射器发射武器的装置，原理被推测也采用了线圈炮。最近中国曝出搭载在海洋山号登陆舰的某种电磁发射设备，也被推测为采用了线圈炮的原理，而国内还展出过单人使用的线圈枪的图片。

三、电热化学炮

电热化学炮并非“电磁炮”，采用的原理为电热原理，通过电阻加热、电弧加热、离子流加热等手段加热化学工质，产生数千度高温，从而推动炮弹弹丸前进。

电热化学炮的理论基于传统化学能火炮和用于高速发射体实验的“轻气炮”开发。

所谓的轻气炮，是一种特殊的实验器械，主要是实验高速弹丸穿甲性能、内弹道和加速度的设备。以高速试验的二级轻气炮威力，分为两个活塞，第一活塞采用化学能炸药作为工质，第二活塞内部采用氢气（或氦气）作为工质。在工作时，火药点火压缩第一活塞，其压力足够把气态的氢气压缩到接近液化的压力，然后旋即氢气快速膨胀，推动二级活塞，将弹丸顶出炮管，初速度可达2000米每秒以上，广泛用于APFSDS理论模拟。不过，由于氢气易燃易爆，而初始压缩级要采用火药动力驱动，极易破坏密封而引发二级氢气爆炸起火。为了解决这个问题，设计师们采用了电热替代轻气炮的化学能炸药，以电热高温驱动一级高速膨胀，再推动二级氢气活塞完成剩余的阶段，当然也可以直接用于更加简易的一级轻气炮（可以加速到1500米每秒）。而电热化学炮原理也来自于此，根据理想气体方程，同等体积下气体温度越高，内能越大，从而拥有更大的压力，进而能够推动炮弹高速前进。由于目前的RPD-380推进剂已经达到了3400K的温度，那么电热炮需要加热到4000K以上的温度才能够有效提升炮弹出膛速度。

由于电热化学炮除了热源和传统化学能火炮有差别外，其他结构基本可沿用化学能火炮，因此被认为是难度较低的一种电炮，目前也是被视为下一代坦克炮的有力候补者。

但是，既然电炮如此具有竞争力，可是为什么它“生长”了一百年，却仍然是“未成年”的少年呢？

电炮的代价——力量与成本的等价交换

我们知道，化学能的瓶颈来自于材料极限和能量密度，而电炮目的就是要越过化学能火炮推进剂的能量密度，克服或绕过火炮的材料极限，但是谈到这里又何尝容易。

首先，使用电炮需要一个强大的发电机和储能设备，以保证加速弹丸时的能量供给。但是，根据目前人类掌握的各种材料的能量密度，甚少有材料能够超过高能炸药。如前文所述，电磁炮在发射1枚M829A3穿甲弹时，需要12.22MJ能量，如果通过柴油机发电的话，以柴油机机械效率为30%计算，柴油热值为46.04MJ/kg，需要在0.0069秒消耗接近1千克柴油才可以把炮弹发射出去，总功率高达588万千瓦！

显然，想要让坦克/军舰背负如此大功率的发电机是不可能的，那就只剩一个办法：先把能量集中起来，再统一释放出去。为了实现如此高强度的放电电流，显然用于电磁弹射的飞轮储能是来不及的（毕竟电磁弹射的末速度和跑道长度都大于电磁炮），那就需要超级电容器的加持。这一来还得去寻求石墨烯的帮助。

目前，石墨烯超级电容器已实现量产达到20Wh（20*3600=72000J=0.07MJ）/KG的水平，假设未来技术将其提升一倍，则容纳12.22MJ能量则需要：12.22MJ/0.14MJ=84.86KG的石墨烯超级电容器，如果考虑和目前坦克一样的每分钟6发的射速，则需要500千克左右的超级电容器。不过，由于目前坦克柴油机受制于同时要兼顾坦克推进和设备供电，就算是单独配备一台1000千瓦发电机，充满500千克超级电容器，以备6发电磁炮弹发射，也需要72秒的时间，平均1发炮弹充电时间需要12.22秒，显然这样高耗能的火炮并不适合战车使用。所以，目前各国开发的电磁炮，都是以战舰为主要运用对象开发的。

第二个难度就是如何在有限的空间内容纳数百万安培的强大电流的电力线路，以及承受高达数万焦耳的强烈放热。我们知道，12万焦耳的强大电热在0.0069秒内释放出来，相当于18701千瓦的加热功率，相当于9000个2千瓦家用电磁炉，水的比热容是4200J每千克，18701千瓦能够让30多千克的水1秒升温1度，80秒就能让30千克的水从20度烧开，而这么多的水自然降温的速度远远赶不上升温的速度。

第三个难度在于炮弹的内部设计。由于无论是轨道炮还是线圈炮都会在导电弹体（弹托）内通过高强度电流，周围还有强大的磁场，我们的地磁场只有0.5-0.6高斯，而6特斯拉的磁场相当于60000高斯，约是地磁场的100000倍。在数百万安培电流，100000倍地磁场情况下，很多电子设备根本无法容忍如此恶劣的工作环境，所以绝大多数目前实验的电磁炮弹只是一根简单的铁棒，不安装雷管，炸药和制导系统。但是，如果没有制导系统的话，就算未来的大功率电磁炮能把数十公斤炮弹以每秒3公里速度抛射到200公里外，它也无外乎只是一颗没有目标的流星而已，砸不砸到人都是拼运气。所以，电磁炮不配备制导系统，那就只能当做近距离反坦克炮和军舰CIWS武器了。

结语：技术开发需要漫长的理论和实践基础

电炮自从1845年原理诞生，到如今32MJ电磁炮实验，已经度过了漫长的165年的春秋，在这165年里，它就像一个长不大的孩子，用羡慕嫉妒恨的眼光看着化学炮从1850年代的阿姆斯特朗后膛加农炮发展到二战时登峰造极的“古斯塔夫巨炮”，再到如今“万发炮”、APFSDS等百花齐放的年代，迄今才因为蓄电技术和发射技术的改进才得以“二度入学”，但距离“成年毕业”还需要时间的磨砺。这充分证明，实验室和商业实践往往有着巨大的鸿沟，并不能因为实验室隔三差五推出“高新科技”，就误以为几年内就能“白菜化”，真正的让技术从理论变成现实，不仅需要科学家，工程师的艰苦努力，更需要客户的认可。因此，发展技术，切记要戒骄戒躁，脚踏实地办事。