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武備巡禮

【武備巡禮】電磁軌道砲

DDG-1000火砲系統比較      (製表:王保羅)
DDG-1000火砲系統比較      (製表:王保羅)

前言

 一般人受到電影(變型金剛等)影響,總以為電磁砲是發射電磁波或光束之類的科幻武器。其實,這種認知完全錯誤。所謂電磁軌道砲(Railgun),亦稱電磁砲或磁軌砲,仍發射實體砲彈,但發射時採用電磁推進,不同於傳統火藥推進。此種電磁推進模式,也應用在航艦的電磁彈射系統(EMALS)。要達到推送砲彈或飛機的程度,當然需要極大動能。因此,如何在瞬間產生足夠電能,並穩定輸送至磁圈裝置,最後以極大動能推送物體,就成為全球各國研發電磁砲的主要課題。

 電磁的運作原理

 早在1918年,便有專家開始研究電磁推進的可行性。1980年代,曾有中東地區某火砲專家試圖研發長程軌道砲,利用層層疊架的超長軌道砲管發射砲彈,號稱最大射高可以突破大氣層,最大射程和彈道飛彈相當,但該名專家卻遭暗殺而中止研發。不過,若從全球各國的研發進度來看,電與磁的研發比重,仍以電為大宗。目前,有美國、俄羅斯、中共、土耳其等國研發電磁砲或電磁彈射系統。

 某些軍事專家會以「佛萊明定律」解釋電磁砲,但實情絕非如此簡單。電磁砲的原理和單極馬達相似,以電流產生的「勞侖茲力」(Lorentz force-運動於電磁場的帶電粒子所感受到的作用力)來加速物體,使其沿平行導軌移動,並進入下一個軌道繼續加速。電磁砲與傳統馬達的差異,在於其內部結構不需要場磁鐵(永久磁鐵)。

 電磁砲的基本結構由單環電流組成,需要極大電流(超過100萬安培)來產生足夠的砲口初速。常見類型是利用驅動電流通過平行導線,增加電樞產生的磁場(類似直流串繞馬達),稱為增強型磁軌砲,可減少電量需求。電樞被用以加速絕緣、不導電的子彈。通常固態金屬導體是電磁砲電樞較好的材料來源,但也可以使用電漿電樞與混合電樞。與傳統火砲以火藥推進的原理相同,電漿電樞以類似的方式推動非導體的固態載荷。電漿電樞以電漿將金屬電樞與導軌連結,在速度超過閾值後,固體電樞亦能轉為混合電樞。

 目前,有2種原理運作:電磁線圈和電磁軌道。應用電磁線圈原理的電磁砲,缺點是能量效率低、體積龐大、高速發射砲彈時需要很長的砲管等。不過,電磁線圈原理已成功應用在美國福特號航艦上的電磁彈射系統(EMALS)。電磁軌道比電磁線圈更加靈敏,其2根導軌是2個電極,砲彈則是可滑動的電刷。當2個電極通電時,就能讓能量在瞬間集中釋放出來,產生電磁力推送砲彈。因此,電磁軌道砲在較短砲管內能夠將砲彈加速到超高速,體積小於電磁線圈砲,且能量效率高。

 軍事層面的運用

 電磁砲的砲口初速遠高於傳統火砲,極高的砲口初速可延長射程,並增加命中目標的速度,使其剩餘動能產生爆炸效果,以摧毀硬性/軟性目標。因此,若能研發重量輕、穩定的電源供應技術,系統總體積和重量將小於火藥推進的傳統彈藥,甚至小一號的電磁槍也可能問世。電磁砲的慢動作試射影片中,常出現砲彈被火團包圍,是因高速摩擦空氣產生的結果。不過,電磁砲的砲彈和導軌直接接觸而產生高溫,會發生導軌燒灼現象。

 英國航太系統集團(BAE Systems)展示電磁砲原型砲彈,砲口初速達7.5馬赫,命中目標速度達5馬赫,採用脫殼翼穩設計(脫殼翼穩常用於主戰車的穿甲彈設計)。美國廠商提供的相關影片,則透露未來電磁砲的砲彈將內含大量次彈械(子母彈),並利用高速彈幕殺傷目標。

  美軍認為電磁砲的最大射高超過20公里,可以做為中高空防禦系統。除了攜彈數量較多,電磁砲的發射成本也遠低於中高空防空飛彈,亦可用於抵禦反艦武器,如海軍5吋砲搭配HVP可於30浬(約55.56 公里)處構築對反艦巡弋飛彈(ASCM),甚至是反艦彈道飛彈(ASBM)防禦的第2道防線。

 現今部署情況

 目前,電磁砲仍處於研發試射階段。美國通用動力公司(GE)和英國航太系統集團(BAE Systems),均已推出先導量產型的電磁砲。未來,美軍有意先安裝於聯合高速運輸艦(JHSV)艦艉的直升機甲板上,以進行測試。不過,軍事媒體普遍認為剛下水服役的DDG-1000朱瓦特級匿蹤驅逐艦,才是真正能部署電磁砲的船艦。因為DDG-1000採用整合式動力系統(IPS),整合柴油發動機和發電機組,可提供足夠電量來發射電磁砲。美軍預計將量產3艘DDG-1000,首艘朱瓦特號配置2門155公厘口徑榴砲的先進火砲系統(AGS),後續2艘則可能直接換裝電磁砲。為了能更有效率地測試EMRG,美軍目前於新墨西哥州的白沙飛彈試驗場(White Sands Missile Range),以及維吉尼亞州海軍水面作戰中心(NSWC)的達格倫分部各設有1座EMRG測試基地,前者利用沙漠廣大面積的特點測試最大射程,後者則專注於電磁砲的射速、電池壽命和能源運用上,測試若順利,可望於2年內交付。

 電磁的未來發展

 實際上,電磁也廣泛應用於其他生活層面,如交通設施(磁浮列車)、家用產品(電磁爐)等。未來,藉由電磁的導入,軍武層面的應用將更為廣泛。如電磁砲、電磁槍、電磁彈射系統、甚至電磁防護罩等。特別是電磁防護罩,若看過電影「超級戰艦」的觀眾,都會對外星戰艦的電磁防護罩留下深刻印象。未來戰場上,配備電磁防護罩的戰甲車輛或船艦,對於雷達毫米波或其他探測裝置,將可能有強大的干擾/反制/匿蹤能力,若電磁運用不斷精進,未來的軍武攻防將邁入另一個境界。

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