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确定!中國已解決電磁炮彈道問題:制導炮彈,5馬赫,高度15千米

作者:星辰大海路上的種花家

據《南華早報》報道稱,國内知名學術期刊上有專家發表論文表示,電磁炮發射炮彈時彈道偏離的問題已經解決,目前彈道已經精确可控,即使在沒有制導的情況下也能夠達到散布範圍要求,而論文中還透露,這種解決了彈道偏離的炮彈是一種智能制導炮彈!

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這表示傳聞中的電磁炮不但是實錘了,而且還解決了彈道精度問題!正式上艦是不是可以提上日程了?美軍的電磁炮傳聞已經在2021年下馬,究竟是真的嗎?

中國已解決電磁炮彈道問題:制導炮彈,5馬赫,高度15千米

據海軍工程大學陸俊勇上司的團隊發表在《電工技術學報》的論文表示,中國海軍測試了一種電磁軌道炮,能以5馬赫的速度将炮彈發射到15千米的高度,這裡空氣稀薄,氣壓隻有海平面的十分之一,炮彈飛行阻力很小,可以讓炮彈飛行很遠的距離。

這種炮彈還有一對滑翔翼,這表明這是一種制導炮彈,可以在這個高度沿着一條平滑的滑翔曲線飛向目标,在滑翔3分鐘後命中目标,假如改進下滑翔翼,按目前最遠的滑翔炸彈飛行距離,這種炮彈的飛行距離甚至可達130千米以上。

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但是超出所有人預料的是,測試結果竟然被宣布不成功,因為彈丸沒有遵循預期的彈道,無論是射程還是最大射高都沒有達到設計名額,這讓參與測試的科學家頗為洩氣,一種劃時代的武器竟然出現了如此低級的錯誤。

陸俊勇上司的團隊很快就找到了問題的原因,竟然是彈丸在飛行過程中保持穩定的旋轉速度過快造成空氣阻力左右不均衡,導緻炮彈在飛行過程中偏離了設計中的軌迹,嚴重影響了彈道的品質,導緻了高度與射程都未能達到設計名額。

炮彈旋轉不是更穩定麼?怎麼反而會偏離目标?

大炮有滑膛炮與線膛炮兩種,比如迫擊炮和主戰坦克的大炮(大部分都是滑膛炮),滑膛炮的炮管内沒有膛線,發射中炮彈是滑過炮管的,是以叫做滑膛炮,滑膛炮的炮彈是沒有自旋穩定,一般都需要尾扇穩定。

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線膛炮與滑膛炮炮口差別

線膛炮大家應該非常熟悉了,炮管内有膛線,纏距比較長,炮彈發射時腰部的紫銅彈帶會和膛線緊密貼合,進而順着纏距在炮管内轉動,盡管炮管内的膛線沒幾圈,但由于炮彈高速穿過炮管,是以炮彈轉速非常高,比如59式坦克的100毫米線膛炮,炮彈初速900米/秒,轉速能達到1.8萬轉/分,也就是每秒300圈,是不是很恐怖?

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線膛炮炮彈的紫銅單帶

滑膛槍準頭很差,線膛槍命中率很高,原因就是旋轉的子彈在飛行時彈道更穩定,并且在命中目标前都能保證尖頭朝前,這對于子彈的侵徹力來說也更能保證(對人體殺傷的話不如翻滾、不穩定的子彈,是以有部分子彈會在彈頭開缺口破壞穩定性)。

與滑膛槍相比,線膛槍還有一個好處時密封性好,火藥氣體的威力能大部分傳遞給子彈,射程也更遠,但是線膛炮的炮彈也有一個問題,一個是射擊角度過大時炮彈可能為尾部着地,因為炮彈太過穩定,一直到落地仍然保持出膛時的姿态,是以射擊角度過大的迫擊炮隻能使用滑膛模式。

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另一個是偏流,受到膛線纏角的影響,旋轉的彈丸沿彈道飛行時,對射面産生方向偏差,也就是偏流,右旋膛線産生的偏流偏向射面右側,左旋膛線産生的偏流則偏向左側。炮兵在設定射擊諸元時必須要對偏流加以修正。

從陸俊勇上司的團隊發表的論文來看,這個問題就是旋轉造成過的,并且還是轉速過快導緻偏離,簡單地說,炮彈在發射時會旋轉!這就有一個問題了,論文的選題是電磁軌道炮,問題來了,難道電磁炮也分滑膛炮和線膛炮嗎?

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答案是不分!目前按電磁炮原理分有三種,分别是使用導電軌道發射的軌道炮、線圈發射的線圈炮以及重接線圈的重接炮,第一種發射的扁形或者帶彈托的炮彈,因為需要在通了正負極的導電軌道上滑動發射,這種炮彈在發射時肯定不能旋轉的,因為炮膛内不允許有這樣的條件。

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線圈炮的炮膛倒是圓形,但需要用導磁材料制造,大機率是複合材料,是以更不适合刻上膛線為炮彈增加一個旋轉力矩,是以線圈炮也不能旋轉;

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重接炮就更不行了,因為這種炮是用來發射片狀的導電物體,不過這種結構用在電磁彈射器上機率要更高,比較适合發射低速重載的載荷,因為可以并聯線圈以增加“力矩”。

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經過分析就知道了,所有電磁炮在發射時彈丸是不旋轉的,想要彈丸旋轉隻能在彈丸飛出炮口後才能讓它轉起來,方法也很簡單,在炮彈尾部的尾扇扇增加一點點角度即可,此時進過氣流的沖刷(或者使用微型火箭推動旋轉),炮彈就旋轉起來了,這種方式會增加炮彈的穩定性,炮彈的彈道更加可預測。

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RPG出膛後旋轉

然而根據論文的說法是炮彈的轉速被設計太大了,橫向滾動超出預期,并且還産生了額外的阻力,導緻彈道與射程都無法滿足最初的設計要求,陸俊勇上司的團隊使用了AI輔助分析,很快就找到了最佳轉速範圍,調整後解決了問題。

7馬赫200千米:吓死你個鏟鏟

陸俊勇上司的團隊中提到的炮彈速度最高隻有5馬赫,不過在此前釋出對的幾篇論文中提到的資料是7馬赫,并且射程可達200千米左右,假如按上文描述的制導炮彈,那麼一枚幾十千克的炮彈就相當于一發射程超過200千米飛彈。

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對于一般艦隊的防空系統來說,200千米外發起打擊還是相對比較安全的,假設兩強相遇,一方裝備電磁軌道炮,來了個三分鐘急速射,如果按30秒間隔發射,能發射大約6枚炮彈,如果按15秒間隔,那麼能發射12枚,如果雙炮齊射,可以發射24枚,各位想想啊,一枚7馬赫速度抵達的炮彈,雷達甚至都來不及反應就命中目标了,然而成本卻隻有一枚知道炮彈的價錢,在反艦時瞬間就變成了反艦飛彈,是不是相當震撼?

中國解決了軌道燒蝕問題,美軍卻無法解決在2021年下馬了

上文介紹了三種電磁炮,分别是軌道炮、線圈炮和重接炮,目前最接近實用化的是軌道炮,也就是結構最簡單的兩條軌道外加一個限制的外殼的軌道炮,原理用中學實體就知道了,導電物體在左右軌道超強電流中産生的磁場驅動下高速前進。

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結構簡單到“令人發指”,但要制造卻相當困難,原因很簡單,計算下各位就明白了,假設要将一枚30千克的炮彈加速到7馬赫,那麼用掉的電能大約是9.375e+7焦耳,約合26度電,假設軌道長度是30米,入口速度是零,出口速度是2.5千米/秒,那麼平均功率為3,900,000KW,也就是3900MW。

這意味着什麼各位知道嗎?軌道炮的效率即使能達到80%,也會有18.7兆焦的能量釋放在炮膛内,差不多是4.4千克TNT的能量,簡單的說,絕大部分是彈托的電樞與軌道接觸時産生的電弧釋放的能量,在極端高溫下,軌道的燒蝕以及電化學作用會将軌道嚴重腐蝕,正常情況下,如果“炮膛”沒有在當時炸裂也會在最多幾十發炮彈發射後,導軌與炮膛就被燒毀無法使用。

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美國的電磁炮下馬就是因為這個軌道燒蝕問題無法解決進而在2021年下馬!美國介入研發電磁炮在很早以前,甚至最早可以追溯到1980年代:當時美國陸軍實驗室就開展了軌道炮的理論研究計劃,1990年,美國陸軍與德克薩斯大學奧斯汀分校合作建立了先進技術研究所 (IAT),該研究所專注于涉及固體和混合電樞、軌道-電樞互相作用和電磁發射器材料的研究。

  • 2005年,美國海軍研究辦公室 (ONR) 正式開始了軌道炮項目,來自BAE系統公司和通用原子公司的軌道炮參與了競争;
  • 2007年,電磁導軌炮(EMRG)進行了第一次試射,但遭遇了一個導軌嚴重燒蝕的問題,在改進了導軌之後,從2008年開始每年都要試射約300次,ONR表示BAE公司的發射速度頻度更好一些。
  • 2010年12月,美國海軍水面作戰中心成功完成了33兆焦耳電磁導軌炮的發射試驗,初速達到了2~2.5千米/秒。
  • 2011年10月31日美國海軍網站報道,海軍研究實驗室(NRL)的科研人員成功完成了電磁導軌炮(EMRG)項目實驗室規模電磁導軌炮系統的第1000次試射。

幾十年研發下來,通用原子與BAE公司都拿出了自己的電磁炮産品,初速以及炮口動能等關鍵名額都不錯,唯獨有一個問題無法解決,也就是電磁炮的炮膛與内壁燒蝕問題無法解決,這導緻了一個非常嚴重的問題,軌道炮在設計十幾發之後就因為燒蝕問題精度下降了,幾十發之後就徹底報廢了,如果不準備一堆電磁炮炮管,估計連一一場小規模的戰争都無法堅持下來。

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美軍無法想象這種近乎地獄般的後勤支援要求,折騰了很久都無法解決,2018年時電磁炮的預算就被劃撥到了RDT&E(研究、發展、試驗與鑒定)資金項目中,并且原計劃上艦測試也不斷延誤,終于在2021年時美軍的新一年度預算中電磁炮的研發就被削減了,2022年财年的預算中,EMRG的資金已經消失不見,這表示美國海軍的電磁炮項目正式壽終正寝了!

到目前為止美軍還沒有重新開機研究的迹象,不過日本的電磁炮倒是非常積極的和美軍合作,但是就全球電磁炮主流技術水準而言,目前的日本研究還在幼稚園的水準。

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中國電磁炮研究起步時間和美軍差不多,負責研發的是西安電子工程研究所(206研究所)和中國電子科技集團公司(27研究所),不過由于中國技術底子比較薄,進度比較慢,一直到1990年才實作了303EMG型電磁炮第一次發射,當時的“炮彈”品質隻有30克。

2001年5月,位于北京的有色金屬研究院擔負起高溫超導薄膜研發工作,中國電磁炮研究開始加速。在2006年5月德國第13屆國際電磁發射學術大會上,中國出了52篇論文,僅次于美國的72篇論文。

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據國外衛星圖檔顯示,2011年,中國在内蒙古白城火炮試驗基地進行了電磁炮試射,電磁炮的軌道長度達到了33.5米,靶标為12塊60度傾角的混凝土加上多層均質鋼闆靶标、不同厚度的單塊混凝土靶标,據外網報道稱,10米混凝土靶和均質鋼闆靶均被擊穿。

2018年2月份,網上突然出現了一張072 II型“海洋山”登陸艦的照片,船艏位置有一門體型相當大的巨炮,炮管用迷彩條包裹,分成大小兩節,總長度為18.5米,比白城測試的電磁炮短了15米,在甲闆上的後勤支援子產品也要比美軍公開的6個少了3個,但不确定是否有部分子產品在登陸艇甲闆的艙室内。炮塔與大陸傳統的艦炮有些類似,顯然這是一門電磁炮,而且看起來還是一門成熟度非常高的電磁炮。

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據網傳消息,這次的電磁炮測試已經可以将一枚25千克的炮彈加速到7.3馬赫(2.48千米/秒,另一說是2575米/秒),擊中了250千米外的一個目标。這表示中國在電磁炮領域已經小型化成功,并且已經裝艦測試。

中國進展速度如此之快,燒蝕問題是這麼絕解決的?

2022年11月10日《華中科技大學學報自然科學版》發表了一篇《電磁軌道發射裝置絕緣支撐體研究現狀及展望》,對絕緣與軌道損傷的原因與結果以及解決作了簡單綜述:

  • 原因:等離子體電樞伴随的高溫燒蝕和沖擊是造成材料損傷的主要原因;
  • 結果:軌道材料耐燒蝕性能較差或易出現結構損傷,C形鋁電樞帶來的基體侵蝕、金屬污染及沖刷損傷。
  • 解決:陶瓷材料的增韌技術是解決等離子體電樞軌道炮絕緣問題的關鍵;複合材料的成分和制備工藝改進技術及表面噴塗技術是解決C形鋁電樞軌道炮絕緣問題的有效手段.

中國科學家測試了大量材料,并論證了不同材料的炮筒内燒蝕過程,最終确定了一種高韌性、高強度、絕緣性能優異的相變增韌、晶須增韌或者纖維增韌的氧化鋁和氮化矽複合材料或将成為可以滿足電樞軌道炮絕緣支撐材料;

确定!中國已解決電磁炮彈道問題:制導炮彈,5馬赫,高度15千米
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有網友會懷疑種花家可能洩密了,其實不會,因為這些都是網上公開就能查到的資料或者是學術論文,上文提到的論文各位也可以去直接查詢,還是免費的。

這次公開的論文則是已經解決了炮彈飛行過程中偏離目标的問題,對于無指導的普通炮彈來說能增加射擊精度,對于有制導的炮彈來說,可以減少在飛行過程中姿态控制的調整次數,這對于炮彈制導系統控制裕度等要求大幅降低,能降低成本并提高命中精度。

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不過更關鍵的是,此前有很多網友都對中國電磁炮頗有微詞,原因是遲遲未能裝備,從陸俊勇上司的團隊發表的論文我們也能了解到,電磁炮一直都在完善改進中,并且還正在走向越來越成熟,看到的朋友都應該慶祝一下,估計要不了多久,我們055改進型上就能看到電磁炮了。

參考:https://www.scmp.com/news/china/science/article/3262607/chinas-rail-gun-sends-smart-bomb-stratosphere-hypersonic-speed-then-something-goes-wrong

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