自從法拉第電磁感應(yīng)定律、安培定則、左手定則等電磁力與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的原理被解構(gòu)清晰后，人們便開始研究各種各樣的電力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，憑借著電磁力，人們發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，同時(shí)人們也試圖用它開發(fā)用于投射彈藥的武器。早在1845年，就有人將一個(gè)線圈通入直流電，以產(chǎn)生的電磁力和內(nèi)部鐵磁性發(fā)射體產(chǎn)生“同性相斥”的排斥力作為推進(jìn)力，將發(fā)射體成功射出50米外。隨著科技的發(fā)展，蓄電技術(shù)，控制技術(shù)的日益提高，這種有著一百六十余年歷史的武器武器在如今再次得到了重視，成為各國競相開發(fā)的先進(jìn)設(shè)備，也成為科幻作者手中經(jīng)常被演繹的“未來科技”。

那么，電磁發(fā)射技術(shù)到底是因?yàn)槭裁丛蛴直恢匾暺饋淼哪?？目前?yīng)用又有什么樣的困難呢？

電磁發(fā)射技術(shù)的動(dòng)機(jī)——傳統(tǒng)火藥推進(jìn)技術(shù)遇上的阻力

進(jìn)入熱兵器時(shí)代后，人們目前所有的槍械和大炮都采用化學(xué)能火藥作為推進(jìn)劑，用炸藥作為殺傷戰(zhàn)斗部。雖然化學(xué)能武器相當(dāng)強(qiáng)悍——但是受制于材料學(xué)和化學(xué)材質(zhì)的物理性質(zhì)，目前有一些領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到了化學(xué)能武器的上限。

我們知道，目前APFSDS炮彈的代表是美國M829A3/4貧鈾彈芯穿甲彈，它采用8.1千克RPD-380推進(jìn)劑，能夠?qū)⑴趶棧?0千克彈芯）加速到1555米每秒，達(dá)到12.1MJ的出膛動(dòng)能。使用碳化鎢材質(zhì)的DM53/63穿甲彈因碳化鎢密度較低，發(fā)射體減輕到8.35千克，初速度提升到1750米每秒，出膛動(dòng)能達(dá)到了12.79MJ，基本上已經(jīng)是現(xiàn)役120/125口徑火炮的上限。

根據(jù)《Innovative boron nitride-doped propellants》這篇文章的數(shù)據(jù)：

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推進(jìn)劑能量密度是1156cal/g（1156卡=4838.8447048974焦耳），火焰溫度3573K（3300攝氏度），充填密度0.13g/立方厘米，作為對比，TNT炸藥的能量密度是4610焦耳/克，充填密度為1.6克每立方厘米。因此，M829A3發(fā)射時(shí)，8.1千克RPD-380可以釋放出39.18MJ的內(nèi)能（假設(shè)全部燃燒），但最終只有12.1MJ被轉(zhuǎn)化為彈體出膛動(dòng)能，其他都以火炮炮口火焰、炮管后座和炮膛升溫?fù)p失掉了，綜合機(jī)械效率僅有31%。

雖然大炮的機(jī)械效率并不高，但是為了將發(fā)射體加速到1500-1700米的超音速水平（約4.5倍音速），其付出的代價(jià)也是非常大的，除了需要沉重的車體/固定炮座和復(fù)雜的液壓系統(tǒng)承受后坐力外，大炮發(fā)射的巨大膛壓，以及炮彈出膛的高速摩擦對于火炮自身也是相當(dāng)難以解決的難題。

根據(jù)以上幾個(gè)圖片，我們能夠推出化學(xué)能火炮遇上的幾個(gè)難題：

第一，熱效率低下，大部分推進(jìn)劑能量未用于彈丸加速；

第二，火炮威力和系統(tǒng)總重量成正比；

第三，膛壓不均勻?qū)е禄鹋谇拜p后重，加工復(fù)雜；

第四，高速磨損導(dǎo)致高初速彈丸火炮壽命不足；

最后也是最關(guān)鍵的：受制于化學(xué)推進(jìn)劑的理化性能和炮膛材料極限，化學(xué)能火炮初速度有一個(gè)上限，目前APFSDS沒有超過2000m/s的出膛速度。

除了這些大麻煩以外，化學(xué)能火炮還有一些沒那么致命，但同樣很難受的問題：

第一，推進(jìn)劑極其易燃，中彈容易殉爆；

第二，推進(jìn)劑需要嚴(yán)格的防水防潮，過期必須銷毀，否則影響使用安全和性能；

第三，調(diào)整發(fā)射力度較為困難，分裝彈尚可通過增減藥包實(shí)現(xiàn)“有級調(diào)速”，定裝彈則不可調(diào)速，對于不同的炮彈彈種兼容性差；

第四，考慮到較強(qiáng)的初始膛壓和初始加速度，制導(dǎo)炮彈的元器件需要高抗過載性能。

由于這樣的原因在化學(xué)能火炮無法從理論上予以解決，從上世紀(jì)末以來，美國，中國，印度等較為先進(jìn)的國家開始轉(zhuǎn)向電磁發(fā)射技術(shù)，以求能夠?qū)崿F(xiàn)更高的初速度，更高的使用壽命和更優(yōu)越的通用性能。

電發(fā)射技術(shù)的三大流派——軌道炮，線圈炮，電熱炮

如一開始所說，電能發(fā)射器絕大多數(shù)和電磁感應(yīng)現(xiàn)象有關(guān)，不過也有另類的電熱炮的存在。我們先從電磁能發(fā)射器說起來吧。

一、軌道炮

軌道炮的原理來自于1821年法拉第提出的“單級電動(dòng)機(jī)”，這種電動(dòng)機(jī)沒有直流電動(dòng)機(jī)的換向器和交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，只是讓導(dǎo)體電流方向和磁場方向保持垂直即可。這樣一來，如果在軌道炮的上下兩側(cè)放上磁感線一致的電磁體，然后軌道作為電源線，兩條軌道之間的發(fā)射體（可以是鐵磁性金屬也可以不是鐵磁性金屬，或者由導(dǎo)電體包裹非導(dǎo)體彈丸）就會(huì)流過和磁場垂直的電流，從而產(chǎn)生高速驅(qū)動(dòng)力沿著軌道飛出。該技術(shù)也用于電磁彈射器和磁懸浮列車的驅(qū)動(dòng)。

電磁炮的機(jī)械效率非常出色。

假如我們采用電磁軌道炮加速M(fèi)829A3的10千克APFSDS到1550米每秒的速度，加速軌道控制在M256火炮的5.28米長度，炮身控制在5噸，速度為勻加速運(yùn)動(dòng)，彈托為120mm*120mm石墨烯版（人類目前導(dǎo)熱最強(qiáng)，電阻最低，熔點(diǎn)最高的物質(zhì)），厚度5mm，R=p*l/s(石墨烯的電阻率p=10-8Ω·/m；l—電阻長度；s—與電流垂直的電阻截面面積)。則：

V1^2-0=2AS,S=5.28M,V1=1550米/s，則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

根據(jù)F=BIL，一般電磁炮的強(qiáng)磁場可達(dá)6特斯拉，導(dǎo)體長度120mm=0.12米。所以I=2201705/0.12/6=3057922A。

石墨烯彈托的截面積為0.12*0.005=0.006平方米，長度為0.12米，電阻為10-8*0.12/0.006=0.00006Ω。

電阻發(fā)熱根據(jù)Q=i^2RT=3057922A^2*0.00006Ω*0.0069s=129519J=0.12MJ.

除此之外根據(jù)牛頓第三定律，火炮自身受到的后坐力和推進(jìn)力相同，都為2201705N，A=440.34米每二次方秒，末速度為440.34*0.0069s=3.04米，末動(dòng)能（通過液壓復(fù)進(jìn)機(jī)消除）為=1/2*5000*3.04^2=23250J=0.02MJ摩擦阻力和外圍空氣阻力不計(jì)入。

所以在忽略摩擦力和空氣阻力情況下，電磁炮的總耗能為12.1+0.12+0.02=12.22MJ，比起身管火炮耗費(fèi)39.18MJ才能達(dá)到相同的機(jī)械效率好了很多。

由于電磁炮發(fā)射并不受到火藥的物理極限束縛，只與加速軌道長度、彈體直徑、電流強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度有關(guān)（F=BIL的安培力公式，F(xiàn)=MA，V1^2-V0^2=2AS牛頓第二定律），因此在最理想的情況下，軌道炮可以很容易把發(fā)射體加速到3-4公里（約10-15馬赫）的速度，甚至有人設(shè)想過“電磁發(fā)射器”，在月球鋪設(shè)超長的加速軌道，把運(yùn)載月球開采的礦石的飛船直接射回地球。

二、線圈炮

和采用直線電動(dòng)機(jī)的軌道炮不同，線圈炮的磁場方向并不是和發(fā)射體運(yùn)動(dòng)方向垂直，而是和發(fā)射體方向平行。線圈炮的理論基礎(chǔ)來自于著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家卡爾·弗里德里?！じ咚梗锤鞣N高斯公式的發(fā)現(xiàn)者）對于磁場加速原理的演繹，所以也名為“高斯炮”。

線圈炮的線圈圍繞著炮管和炮彈布置，通入的電流為交變電流，和三相異步電動(dòng)機(jī)原理較為接近。它的理論為線圈通入交變電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場會(huì)反復(fù)為導(dǎo)電彈丸進(jìn)行相反方向勵(lì)磁產(chǎn)生交變電流，變化的電流又產(chǎn)生磁場，因此被外界的磁場牽引前進(jìn)，產(chǎn)生將彈丸拋出螺線管的動(dòng)力。由于炮管內(nèi)部不帶電，因此不會(huì)產(chǎn)生軌道炮軌道之間擊穿電壓的影響，但是相比軌道炮來說，其開關(guān)控制較為復(fù)雜，并且內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致磁損，這會(huì)會(huì)顯著影響初速度，同時(shí)彈體發(fā)熱也較多。

線圈炮的最早期歷史可以追溯到1845年，在1905年，克里斯蒂安·伯克蘭在奧斯陸設(shè)計(jì)了一種改良的線圈炮，成功將500克發(fā)射體加速到50米每秒，但遠(yuǎn)低于步槍的600米每秒導(dǎo)致沒有人采購他的發(fā)明。不過，在最近兩年，隨著大功率逆變器等一系列先進(jìn)設(shè)備投入使用，線圈炮也如同軌道炮一樣逐漸升溫。由于線圈炮無需內(nèi)部通過強(qiáng)大電流，因此也得到了一些重視，美國也發(fā)展出使用線圈炮原理發(fā)射戰(zhàn)斧導(dǎo)彈的裝置，中國“八一勛章”獲得者馬偉明也提出過采用電磁發(fā)射器發(fā)射武器的裝置，原理被推測也采用了線圈炮。最近中國曝出搭載在海洋山號登陸艦的某種電磁發(fā)射設(shè)備，也被推測為采用了線圈炮的原理，而國內(nèi)還展出過單人使用的線圈槍的圖片。

三、電熱化學(xué)炮

電熱化學(xué)炮并非“電磁炮”，采用的原理為電熱原理，通過電阻加熱、電弧加熱、離子流加熱等手段加熱化學(xué)工質(zhì)，產(chǎn)生數(shù)千度高溫，從而推動(dòng)炮彈彈丸前進(jìn)。

電熱化學(xué)炮的理論基于傳統(tǒng)化學(xué)能火炮和用于高速發(fā)射體實(shí)驗(yàn)的“輕氣炮”開發(fā)。

所謂的輕氣炮，是一種特殊的實(shí)驗(yàn)器械，主要是實(shí)驗(yàn)高速彈丸穿甲性能、內(nèi)彈道和加速度的設(shè)備。以高速試驗(yàn)的二級輕氣炮威力，分為兩個(gè)活塞，第一活塞采用化學(xué)能炸藥作為工質(zhì)，第二活塞內(nèi)部采用氫氣（或氦氣）作為工質(zhì)。在工作時(shí)，火藥點(diǎn)火壓縮第一活塞，其壓力足夠把氣態(tài)的氫氣壓縮到接近液化的壓力，然后旋即氫氣快速膨脹，推動(dòng)二級活塞，將彈丸頂出炮管，初速度可達(dá)2000米每秒以上，廣泛用于APFSDS理論模擬。不過，由于氫氣易燃易爆，而初始壓縮級要采用火藥動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，極易破壞密封而引發(fā)二級氫氣爆炸起火。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)師們采用了電熱替代輕氣炮的化學(xué)能炸藥，以電熱高溫驅(qū)動(dòng)一級高速膨脹，再推動(dòng)二級氫氣活塞完成剩余的階段，當(dāng)然也可以直接用于更加簡易的一級輕氣炮（可以加速到1500米每秒）。而電熱化學(xué)炮原理也來自于此，根據(jù)理想氣體方程，同等體積下氣體溫度越高，內(nèi)能越大，從而擁有更大的壓力，進(jìn)而能夠推動(dòng)炮彈高速前進(jìn)。由于目前的RPD-380推進(jìn)劑已經(jīng)達(dá)到了3400K的溫度，那么電熱炮需要加熱到4000K以上的溫度才能夠有效提升炮彈出膛速度。

由于電熱化學(xué)炮除了熱源和傳統(tǒng)化學(xué)能火炮有差別外，其他結(jié)構(gòu)基本可沿用化學(xué)能火炮，因此被認(rèn)為是難度較低的一種電炮，目前也是被視為下一代坦克炮的有力候補(bǔ)者。

但是，既然電炮如此具有競爭力，可是為什么它“生長”了一百年，卻仍然是“未成年”的少年呢？

電炮的代價(jià)——力量與成本的等價(jià)交換

我們知道，化學(xué)能的瓶頸來自于材料極限和能量密度，而電炮目的就是要越過化學(xué)能火炮推進(jìn)劑的能量密度，克服或繞過火炮的材料極限，但是談到這里又何嘗容易。

首先，使用電炮需要一個(gè)強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能設(shè)備，以保證加速彈丸時(shí)的能量供給。但是，根據(jù)目前人類掌握的各種材料的能量密度，甚少有材料能夠超過高能炸藥。如前文所述，電磁炮在發(fā)射1枚M829A3穿甲彈時(shí)，需要12.22MJ能量，如果通過柴油機(jī)發(fā)電的話，以柴油機(jī)機(jī)械效率為30%計(jì)算，柴油熱值為46.04MJ/kg，需要在0.0069秒消耗接近1千克柴油才可以把炮彈發(fā)射出去，總功率高達(dá)588萬千瓦！

顯然，想要讓坦克/軍艦背負(fù)如此大功率的發(fā)電機(jī)是不可能的，那就只剩一個(gè)辦法：先把能量集中起來，再統(tǒng)一釋放出去。為了實(shí)現(xiàn)如此高強(qiáng)度的放電電流，顯然用于電磁彈射的飛輪儲(chǔ)能是來不及的（畢竟電磁彈射的末速度和跑道長度都大于電磁炮），那就需要超級電容器的加持。這一來還得去尋求石墨烯的幫助。

目前，石墨烯超級電容器已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)達(dá)到20Wh（20*3600=72000J=0.07MJ）/KG的水平，假設(shè)未來技術(shù)將其提升一倍，則容納12.22MJ能量則需要：12.22MJ/0.14MJ=84.86KG的石墨烯超級電容器，如果考慮和目前坦克一樣的每分鐘6發(fā)的射速，則需要500千克左右的超級電容器。不過，由于目前坦克柴油機(jī)受制于同時(shí)要兼顧坦克推進(jìn)和設(shè)備供電，就算是單獨(dú)配備一臺(tái)1000千瓦發(fā)電機(jī)，充滿500千克超級電容器，以備6發(fā)電磁炮彈發(fā)射，也需要72秒的時(shí)間，平均1發(fā)炮彈充電時(shí)間需要12.22秒，顯然這樣高耗能的火炮并不適合戰(zhàn)車使用。所以，目前各國開發(fā)的電磁炮，都是以戰(zhàn)艦為主要運(yùn)用對象開發(fā)的。

第二個(gè)難度就是如何在有限的空間內(nèi)容納數(shù)百萬安培的強(qiáng)大電流的電力線路，以及承受高達(dá)數(shù)萬焦耳的強(qiáng)烈放熱。我們知道，12萬焦耳的強(qiáng)大電熱在0.0069秒內(nèi)釋放出來，相當(dāng)于18701千瓦的加熱功率，相當(dāng)于9000個(gè)2千瓦家用電磁爐，水的比熱容是4200J每千克，18701千瓦能夠讓30多千克的水1秒升溫1度，80秒就能讓30千克的水從20度燒開，而這么多的水自然降溫的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上升溫的速度。

第三個(gè)難度在于炮彈的內(nèi)部設(shè)計(jì)。由于無論是軌道炮還是線圈炮都會(huì)在導(dǎo)電彈體（彈托）內(nèi)通過高強(qiáng)度電流，周圍還有強(qiáng)大的磁場，我們的地磁場只有0.5-0.6高斯，而6特斯拉的磁場相當(dāng)于60000高斯，約是地磁場的100000倍。在數(shù)百萬安培電流，100000倍地磁場情況下，很多電子設(shè)備根本無法容忍如此惡劣的工作環(huán)境，所以絕大多數(shù)目前實(shí)驗(yàn)的電磁炮彈只是一根簡單的鐵棒，不安裝雷管，炸藥和制導(dǎo)系統(tǒng)。但是，如果沒有制導(dǎo)系統(tǒng)的話，就算未來的大功率電磁炮能把數(shù)十公斤炮彈以每秒3公里速度拋射到200公里外，它也無外乎只是一顆沒有目標(biāo)的流星而已，砸不砸到人都是拼運(yùn)氣。所以，電磁炮不配備制導(dǎo)系統(tǒng)，那就只能當(dāng)做近距離反坦克炮和軍艦CIWS武器了。

結(jié)語：技術(shù)開發(fā)需要漫長的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)

電炮自從1845年原理誕生，到如今32MJ電磁炮實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)度過了漫長的165年的春秋，在這165年里，它就像一個(gè)長不大的孩子，用羨慕嫉妒恨的眼光看著化學(xué)炮從1850年代的阿姆斯特朗后膛加農(nóng)炮發(fā)展到二戰(zhàn)時(shí)登峰造極的“古斯塔夫巨炮”，再到如今“萬發(fā)炮”、APFSDS等百花齊放的年代，迄今才因?yàn)樾铍娂夹g(shù)和發(fā)射技術(shù)的改進(jìn)才得以“二度入學(xué)”，但距離“成年畢業(yè)”還需要時(shí)間的磨礪。這充分證明，實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)實(shí)踐往往有著巨大的鴻溝，并不能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室隔三差五推出“高新科技”，就誤以為幾年內(nèi)就能“白菜化”，真正的讓技術(shù)從理論變成現(xiàn)實(shí)，不僅需要科學(xué)家，工程師的艱苦努力，更需要客戶的認(rèn)可。因此，發(fā)展技術(shù)，切記要戒驕戒躁，腳踏實(shí)地辦事。