美国电磁轨道炮——研究历程、技术现状与对未来战争的影响

电磁发射技术是当今世界各军事大国都在竞相发展的一类新概念武器技术。目前，美国海军正在研发与该项技术紧密相关的电磁轨道炮及超高速射弹技术，并取得了许多开创性的成果。

电磁轨道炮主要由导轨、电枢及电源三部分组成。导轨是一对平行的金属轨道，用于传导电流。这对金属轨道是由耐烧蚀、耐磨损、具有良好机械强度的材料制成的。金属轨道镶嵌在用高强度材料制成的绝缘筒内，构成炮管。电枢是由导电金属或等离子材料制成的，位于两金属轨道之间，它的前端装有射弹，电枢带着射弹一起在导轨间运动，如图 1 所示。当电磁轨道炮发射时，电流沿着一条导轨流经电枢，再由另一条导轨流回，从而构成闭合回路。当电流流经两平行导轨时，在两导轨之间产生强大磁场，这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生强大电磁力，推动电枢和置于电枢前面的射弹沿着导轨加速运动，从而获得高速度。

图1 电磁轨道炮工作原理图

早在20世纪50年代，美国就提出了电磁轨道炮的概念。随着技术的进步，20世纪80年代美国将电磁轨道炮作为战略武器进行研发，90年代冷战结束后研发进度放缓。21世纪以来，美国对电磁轨道炮的重视程度逐步加大，其发展历程可划分为以下3个阶段：

1）概念研究阶段：1958—1980 年，提出电磁轨道炮概念，并进行初步物理验证。

2）技术开发阶段：1980—2000 年，在实验室环境和模拟环境下，进行电磁轨道炮部件和分系统的演示验证，并明确了电磁轨道炮的关键技术以及各项关键技术所需达到的技术等级。

3）工程研制阶段：2000 年至今，在模拟环境和实际环境下，进行电磁轨道炮系统原型验证。

1958 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Bostick 提出了电磁轨道炮的概念，并率先进行了等离子体电枢的轨道发射试验。随后在 1961 年，Radnik 和 Lathan 经过反复论证，认为电枢的速度受制于电枢焦耳热，且轨道与电枢间的接触电弧会对轨道造成破坏，得出了电磁轨道炮工程应用不可行的结论，电磁轨道炮的研究曾一度停滞不前。

20世纪60年代末，电磁轨道炮的研究开始复苏。1977年，澳大利亚国立大学建造了ANU试验型电磁轨道发射装置，开展质量为克级以上的电枢高速发射研究，并成功地将质量为3g的聚碳酸酯射弹利用等离子体电枢在5m长的轨道上加速到5.9km/s，开启了电磁轨道发射技术全面研究的大门。

1978年，由美国陆军提议，美国国防部分别成立了电磁轨道炮研究委员会以及技术咨询工作组，展开了电磁轨道炮武器化研究。1985年，美国国防高级研究计划局与美国陆军共同制定了相应的电磁技术论证计划，同时联合启动了以反装甲为应用目的的陆基电磁炮计划，德克萨斯大学承担了该计划9MJ实验炮和射击靶的研究。80年代，劳伦斯利弗莫尔国家实验室和洛斯阿拉莫斯实验室共同对电磁轨道炮进行研究，将2.2g的射弹在5m长的轨道上加速到10km/s的超高速度。20世纪90年代，美国桑迪亚国家实验室将2.4 kg射弹加速到2.6km/s。20世纪90年代末，经过10多年的发展，由DARPA和陆军支持的电磁炮技术在毁伤能力、飞行时间、精确打击、减少后勤以及提高生存能力方面取得了一些实质性的进步。由于美国海军当时正在发展用于远程火力支援的弹射推进武器系统，考虑到电磁炮技术的优势，美国防部授权美海军在战舰上应用电磁武器。相对于在陆面车辆使用电磁武器的局限，在海面战舰上装备电磁武器具有一定的相对优势（尤其是电源和冷却方面），从此以后，海军开始主导电磁轨道炮技术的研发。

从2000年开始，美国海军开始主导电磁轨道炮的工程化研制工作。至今为止，经过长达十几年的努力，美国电磁轨道炮技术取得了长足的进步，不仅射弹出口动能由8MJ提高到了32MJ，而且其小型化工作也取得了很好的成果（如图2、图3所示）。总得来说，美国电磁轨道炮技术已经具备了一定的实战能力。下面将从3个时期介绍美国在工程研制阶段的主要发展历程。

图2 最初研制的8MJ电磁轨道炮缩比样机

图3 2017年公布的试验用32MJ原型样机

1）2000—2005年，美国海军制定了电磁轨道炮工程化研究规划，并研制 8MJ 的电磁轨道炮缩比样机。

2001年11月，美国海军在德克萨斯大学奥斯汀先进技术研究所召开了一次海军电磁炮发展研讨会，确定电磁轨道炮研制的预期目标是发展炮口动能为64MJ的舰载电磁轨道炮，以满足美海军对未来海上火力支援的需求，并制定了一个三步走发展计划，如表1所示。

表1 2001年制定的美国电磁轨道炮研究规划

2003年4月，美国海军与英国Qinetiq公司合作，进行8MJ电磁轨道炮样机试验。试验样机如图4、图 5所示，采用的32MJ电容器电源在苏格兰成功进行了90mm口径（1/8缩比）电磁轨道炮发射试验，射弹炮口速度为2500m/s，炮口动能约7MJ。

图4 美国海军的 8MJ 电磁轨道炮样机

图5 美国海军8MJ电磁轨道炮样机的32MJ脉冲形成网络

2）2005—2012 年，美国海军研制 32 MJ 电磁轨道炮样机。

在8MJ电磁轨道炮样机试验获得成功的基础上，2005年8月，美国海军启动了旨在研制32MJ电磁轨道炮样机的 Innovative Naval Prototype (INP) 项目。同年10月，美国海军分别与 BAE 系统公司和通用原子公司签订电磁轨道炮研制合同。

2008年1月，美国海军采用通用原子公司研制的32MJ的电容器电源，BAE 系统公司研制的电磁轨道炮进行了发射试验。该次试验的射弹质量约3.41kg，射弹炮口速度2500m/s，炮口动能为10.8 MJ，能量转换效率达到了33%。此次试验取得成功之后，美国海军开始尝试调试 100MJ电容器电源和32MJ炮口动能的电磁轨道炮。在调试后的试验中，发射约重3kg的铝制射弹，炮口速度达到7倍声速，发射能量高达 10.68MJ，并且精确地击中近400km外的目标 。

2009年2月和4月，海军分别与BAE系统公司和通用原子公司继续签订了2100万美元和2200万美元的合同，要求两个公司在36个月内完成炮口动能为32MJ紧凑型电磁轨道炮的最终设计、制造与试验。2010年 12月10日，美国海军在弗吉尼亚州达尔格伦水面作战中心先后两次试射电磁炮。在试验中电磁炮的射弹速度达7倍声速，靶目标位于约370.4 km以外，射程为海军常规武器10倍。

2012年，BAE 系统公司和通用原子公司分别交付了他们研制的电磁轨道炮样机（如图6、图 7所示）。这两种电磁轨道炮样机设计用于发射能量为20～32MJ 的射弹，足以将射弹推进92.6~185.2㎞（从射程上来讲，已经具备为陆军提供火力支援，具有反巡航导弹和反弹道导弹能力）。2012年2月28日，美国海军成功完成了全尺寸电磁轨道炮（32MJ）工程测试，标志着32MJ电磁轨道炮研制获得成功。

图6 BAE 系统公司研制的电磁轨道炮样机

图7 通用原子公司研制的电磁轨道炮样机

3）2012 年至今，美国海军开始着力提升 32 MJ 电磁轨道炮的实战化能力。

美国海军在 2012完成32MJ电磁轨道炮样机的工程测试后，并没有按照在2001年规划的重点，进行功率更大的64MJ电磁轨道炮的研制工作，而是将研究重点放在了32MJ电磁轨道炮的实战化能力的提升上。

2013年，在32MJ电磁轨道炮样机全尺寸工程测试的基础上，美国海军水面作战中心分别对BAE 系统公司和通用原子公司交付的电磁轨道炮工程样机进行了更深入的测试和评估。经过比较后，美国海军研究局选择了BAE系统公司对电磁轨道炮项目进行进一步开发，重点研究发射系统的可重复发射技术。

2014年7月，美国海军研究局将两套电磁轨道炮原型机安装到米利诺基特号联合高速船上，预计于2016年进行海上演示试验，不过该计划最终未能执行。

2015年5月8日，美国国会和海军部长都表示对电磁轨道炮项目研制进度不满，敦促美国海军加快推动电磁轨道炮项目从测试阶段转向装备阶段。2015年12月30日，美国海军水面作战中心主任皮特·芬达少将称：“电磁炮的演示工作和研发工作有冲突，并表示将延迟演示验证，集中力量推进电磁轨道炮的开发，同时还认为美国有能力在5年内研制出一套实用的电磁炮。” 

2017年3月，美国海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁轨道炮试验样机，在20MJ出口动能的条件下，实现了平均每分钟4.8发的射速。同年7月，该样机在20MJ出口动能的条件下，实现了每分钟10发的射速。在这两次试验中，该电磁轨道炮样机利用GPS技术引导射弹，发射速度可达7242㎞/h，能够击穿161㎞外的混凝土墙。此外，根据美国海军研究署发布的信息，美国海军在2018年电磁轨道炮的重点研究是在32MJ出口动能的条件下，实现每分钟10发的射速。此外，通用原子

公司研制的10 MJ中程多任务电磁轨道炮系统也于 2017 年完成了装配工作，并运送到美国犹他州的达哥威试验靶场进行进一步验收测试。

图8 美国海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁轨道炮试验样机

根据美国技术成熟度评估标准，美国电磁轨道炮技术已达到技术成熟度标准 7（系统原型在实际运行环境下的验证），目前正努力将其推进到技术成熟度标准 8（实际系统完全通过测试和验证）。

2015 年，在美国海军年度技术总结中指出，电磁轨道炮主要面临的技术挑战主要包括以下4 个领域：发射器技术、超高速射弹技术、高功率源技术和舰艇结合技术。这些问题大都已经得到了一定程度的解决，取得了不小的进展，主要表现在以下几个方面：

1）发射器寿命得到了大幅度提高。2011年10月31日，美国海军成功完成了大口径电磁轨道炮样机的1000次发射试验。2017年3月，美国海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁轨道炮试验样机，在20MJ出口动能的条件下，实现了平均每分钟4.8发的射速。同年7月，该样机在20MJ出口动能的条件下，实现了每分钟10发的射速。此外，美国海军计划在2018年，在32MJ出口动能的条件下，实现了每分钟10发的射速。这表明美国电磁轨道炮发射器寿命等问题已得到了较好的解决。

2）超高速射弹性能已基本达到要求。2006年10月，在90mm口径的电磁轨道炮共进行了23次射击试验，射弹初速从837~2519m/s，射弹质量从2.31～3.402kg，炮口动能为0.841～7.79MJ。2010年12月10 日，美国先后两次试射电磁炮，在试验中电磁炮的炮弹速度达7倍声速，靶目标位于约370.4㎞以外，射程为海军常规武器的10倍。

3）超高速射弹的制导能力得到了验证。2016年3月14日，通用原子公司宣布，在美国陆军犹他州达格威试验场，配装制导电子单元样机的电磁炮射弹成功演示了编程动作，并通过遥测链路与地面站进行了部件性能通信。在本次试验中，完成了对制导电子单元、集成传感器和处理器的测试，降低了电磁炮发射超声速射弹的风险，提升了技术成熟度。此外，2017年，在美国海军水面作战中心达尔格伦分部的电磁轨道炮样机的试验中，也验证了超高速射弹对静止目标的制导能力。

4）高功率源技术已初步满足实战需求。2004年，英国BAE 系统公司对朱姆沃尔特级隐身驱逐舰供能系统的可行性研究指出，朱姆沃尔特级隐身驱逐舰能够保证2门炮口动能为32MJ的电磁轨道炮以每分钟6～12发的射速发射运行。鉴于2014年，美国海军已计划在朱姆沃尔特级隐身驱逐舰上进行电磁轨道炮试验（后由于电磁轨道炮炮管寿命等问题的限制，未能实施），以及2018年2月第2艘朱姆沃尔特级隐身驱逐舰1001号的交付，都表明了美国高功率源技术的稳定性和可靠性，已能够满足电磁轨道炮的实用化需求，高功率源本身在高频重复运行下的热管理问题亦应该得到了较好的处理。

综上所述，自2000年美国海军接手电磁轨道炮技术的工程化研究以来，美国在电磁轨道炮发射器寿命、超高速射弹性能和制导能力、高功率源的开发等诸多电磁轨道炮关键技术领域取得了许多开创性的成果。但在电磁轨道炮的小型化、效率转换和整个系统的鲁棒性等问题，都还没有得到很好的解决。2017年，美国海军也表示其电磁轨道炮有望在2025年左右实现在舰艇上部署。据此看来，美国电磁轨道炮要想真正地形成战斗力，还有很长的路要走。

鉴于电磁轨道炮技术具有多种特殊优势，美国将其视为将改变战争游戏规则的颠覆性武器。电磁轨道炮技术对未来战争的影响主要包括以下两个方面：

1）电磁轨道炮技术对反介入/区域拒止（A2/AD）能力形成了新的挑战。美军认为，目前反介入/区域拒止（A2/AD）能力极大削弱了美国的军事技术优势，其中一个重要的原因就是由于美国海军舰艇只有有限的弹药库容量，无法有效应对反介入/区域拒止能力。例如，美国海军的巡洋舰配有122个导弹发射舱；美国海军的驱逐舰配有 90 或者 96 个导弹发射舱。其中一部分要用来装载/发射Tomahawk 对地巡航导弹和反潜火箭，剩余才被用来装载/发射地对空导弹。巡洋舰和驱逐舰通常配有十几枚到几十枚地对空导弹，再加上有时需要2枚地对空导弹来应对1枚反舰巡航导弹或者反舰弹道导弹，因此，这些舰艇防御反舰导弹的能力是比较有限的。

电磁轨道炮技术可以在很大程度上弥补美国在这方面的能力缺陷。根据2015年7月美国海军发布的工业信息需求，电磁轨道炮超高速射弹的舰上最小存储数量为650枚，再加上电磁轨道炮高达上百千米的有效射程和精确制导能力，无疑会对目前的介入/区域拒止能力造成现实影响。

2）电磁轨道炮技术对世界核稳定状态带来了新的威胁。自二战以来，核武器确保相互毁灭为我们带来了几十年的和平。从某种意义上来说，在核武器出现以前，各个国家考虑的是如何打赢战争；而在核武器出现以后，各核大国之间更多是考虑如何避免战争。

随着以电磁轨道炮为代表的颠覆性武器技术，如高功率微波技术、激光技术和智能无人机技术的兴起，未来的核稳定状态很有可能会受到威胁。英国《经济学人》周刊在 2018 年1月发表的未来战争特别报告，就阐述了这种观点。该报告认为颠覆性武器对核稳定状态的影响，主要体现以电磁轨道炮为代表的颠覆性技术武器成为战斗力以后，能力日益强大的网络武器、太空武器、导弹防御武器、远程常规打击武器和自动武器系统，有可能危及双方的核报复打击能力。美国国防部负责政策的前副部长詹姆斯·米勒认为，上述武器有能力对指挥控制设备形成巨大威胁。他还认为，随着颠覆性武器技术的发展，争端导致危机，危机导致战争，以及战争迅速升级的可能性正日益增大。从这个角度来看，电磁轨道炮技术有能力会对现有的核稳定状态造成一定的影响，加大发生战争冲突的可能性。

综上所述，经过几十年的发展，美国电磁轨道炮技术取得了很大的突破，解决了许多技术和工程化难题，已达到实弹试验的水平，但要进行实际列装还有较长的路要走。不过，鉴于美国电磁轨道炮一旦列装，将极大改变目前的战争规则，紧盯美国相关技术的发展，提前进行相应的靶场建设，积极探索开发电磁轨道炮武器是十分有必要的。