装备系列电磁专题-电磁炮

请务必阅读正文之后的免责条款部分 证 券 研 究 报 告 行 业 研 究 军 工 军 工 行 业 行 业 中信证券军工 军临天下 第 69 期 军事装备系列军事装备系列电磁电磁专题之一专题之一 电磁炮电磁炮 中信证券研究部中信证券研究部 2018年10月16 日 陈俊斌 电话 010 60836703 邮件 chenjb 执业证书编号 S1010512070001 本期引言 本期引言 据参考消息等媒体报道 近日俄电磁武器正在试验场接受测试 或将用于叙利亚战场 此前 美国海军研究学会新闻网也披露了美海军电磁炮研究最新进展 身管寿命的关键技术取得突破 未来有望加速上舰 我国近年来在电磁炮领域也取得了明显进展 且在电磁炮上舰方面有望实现 弯道超车 电磁炮有望成为新一代具有颠覆性意义的尖端武器 对未来战争的攻防体系建设意义电磁炮有望成为新一代具有颠覆性意义的尖端武器 对未来战争的攻防体系建设意义 重大 重大 电磁炮较之传统火炮优势显著 应用前景广阔 电磁炮较之传统火炮优势显著 应用前景广阔 电磁炮具有初速高 射程远 威力大 操控 便捷 稳定性好 能量转化效率高等特点 对于反坦克装甲 防空反导 火力支援意义重大 陆 基方面可填补常规火炮与短程导弹之间的空白 舰载领域有望成为对岸火力支援最佳方式 天基 方面可参与反导弹 反卫星作战 此外 电磁炮相关技术也在民用领域也应用广泛 电磁炮研制领域美国处于领先地位 我国有望实现弯道超车 电磁炮研制领域美国处于领先地位 我国有望实现弯道超车 美国早在上世纪 70 年代末便开 始系统地进行电磁炮的研究 冷战后与英国合作 电磁炮逐步走向实用化 近年来美国电磁炮进 展较慢 在马伟明院士带领下 我国在中压电力系统方面取得了突破性进展 自主研发的电磁炮 或已上舰演示 未来有望加速发展实现弯道超车 本期 军临天下 我们将介绍电磁炮的优势及应用领域 重点介绍中国和美国电磁炮的发展 历程与概况 如果您有任何疑问 欢迎交流 对我们的栏目有特别的期望或者要求 欢迎提出意 见和建议 图 1 通用原子公司电磁炮概念图 资料来源 通用原子公司官网 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1 目录目录 电磁发射 武器装备的又一革命性技术电磁发射 武器装备的又一革命性技术 3 电磁发射 或成为化学能武器后的又一革命性技术 3 电磁炮是最典型的电磁发射器 3 电磁发射技术还可用于电磁弹射和电磁推射 4 电磁炮介绍 杀伤力更强的新一代尖端武器电磁炮介绍 杀伤力更强的新一代尖端武器 4 轨道炮是电磁炮发展的主流 4 电磁炮优势 高速 杀伤力强 灵活便捷 6 电磁炮用途 反装甲 防空反导 火力支援 9 美国电磁炮概况 发展美国电磁炮概况 发展有所放缓 后续有望装载上舰有所放缓 后续有望装载上舰 11 冷战期间美国大力开发电磁炮 冷战结束后发展有所放缓 11 21 世纪初 美轨道炮上舰演示成功 未来有望搭载 DDG 驱逐舰 13 我国电磁炮概况 或已上舰演示 发展有望加速我国电磁炮概况 或已上舰演示 发展有望加速 16 我国电磁发射研究持续升温 16 试验型发射器迅速发展 16 我国轨道炮或已开始上舰演示 17 电力技术优势明显 我国电磁炮上舰或弯道超车 17 其他国家电磁炮进展慢于中美 19 电磁炮概念相关公司简介电磁炮概念相关公司简介 19 通用原子 General Atomics 19 BAE 系统公司 BAE Systems plc 20 赛晶电力电子集团有限公司 21 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 插图目录插图目录 图 1 通用原子公司电磁炮概念图 1 图 2 轨道炮弹丸穿透钢板 3 图 3 美军电磁炮击中目标 3 图 4 线圈炮工作原理 5 图 5 线圈炮构造原理 5 图 6 重接炮工作原理示意 5 图 7 轨道炮示意图 6 图 8 电磁轨道炮与 20mm 火炮弹道对比 7 图 9 美国防部副部长沃克查看轨道炮击穿的钢板 7 图 10 美 提康德罗加 级巡洋舰 CG 72 维拉湾号 8 图 11 主动电磁装甲发射装置 9 图 12 里根提出星球大战计划 战略防御倡议 11 图 13 Green Farm 实验室 90mm 口径单发轨道炮 SSG 12 图 14 Green Farm 实验室设施示意图 12 图 15 搭载于 DD X 舰的轨道炮概念图 13 图 16 搭载于 DD X 舰的电磁炮概念 14 图 17 美达尔格伦水面作战中心轨道炮试射瞬间 14 图 18 美海军于 2012 年 2 月首次进行轨道炮全威力样机发射试验 15 图 19 2000 至 2014 年我国电磁发射和轨道炮技术相关文献数量折线图 16 图 20 北京特种机电技术研究所 BISET 4m 试验型发射装置 17 图 21 舰船综合电力技术国防科技重点实验室 18 图 22 福特号航母第一次出海海试 18 图 23 通用原子公司电磁炮项目介绍 20 图 24 BAE 公司的电磁炮产品 20 图 25 脉冲功率技术优势 21 表格目录表格目录 表 1 电磁弹射 电磁炮和电磁推射技术对比 4 表 2 电磁炮 轨道炮 重接炮的对比 6 表 3 舰载不同火力支援方式的性能对比 10 表 4 20 世纪末美海军舰载轨道炮的目标图像 13 表 5 美军轨道炮实验研究和舰载轨道炮应用研究情况 15 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 电磁发射电磁发射 武器装备的又一革命性技术武器装备的又一革命性技术 电磁发射电磁发射 或成为化学能武器后的又一革命性技术或成为化学能武器后的又一革命性技术 冷兵器时代 人们通过弓 投石车等将人力转化为箭矢 石块的机械能攻击敌方 火药 发明促使人类发明出枪炮等武器 令弹丸能够借助物质燃烧 爆炸释放的化学能获得更高的 初速度 造成更大的杀伤力 化学能武器初速低 化学能武器初速低 能量能量转化效率低 安全性转化效率低 安全性差差 目前 常规火炮的弹丸初速较低 一 般难以超过 2km s 由化学能向弹丸机械能的转化效率较低 仅 20 左右 武器系统附带发 射药 在各环节均需要安全保障 鉴于化学能武器存在种种问题 各国开始发展电磁发射技术 引发了新一轮武器技术革鉴于化学能武器存在种种问题 各国开始发展电磁发射技术 引发了新一轮武器技术革 命 命 电磁发射技术 简称 EML 是一种通过电磁力 即洛伦兹力 做功 让弹丸达到极大出 射初速度的技术 能源主要为电能 有望成为继机械能 化学能武器之后的又一轮武器革命 性技术 电磁发射技术主要应用于电磁炮 电磁弹射和电磁推射三大方面 电磁炮是最典型的电磁发射器电磁炮是最典型的电磁发射器 电磁发射器 EM Launcher 是借助电磁发射技术进行发射的装置 电磁炮 EMG 的 电枢搭载弹丸 在磁场中直接受洛伦兹力推动加速 是电磁发射器最典型的军事应用领域 电磁炮性能远超常规火炮电磁炮性能远超常规火炮 具有具有出射初速度大 射程远 毁伤动能大 速度极限大 能出射初速度大 射程远 毁伤动能大 速度极限大 能 量转化效率高量转化效率高等特点等特点 电磁炮利用通电导体在磁场中受洛伦兹力的原理 使搭载弹丸的电枢 加速 弹丸射出炮口的初速度较大 射程远 突击能力强 终点毁伤动能大 2016 年 5 月 美军利用 10m 导轨发射弹丸 瞬间穿透 7 块普通钢板 电磁炮弹丸的理论速度极限为光速 远超化学炮的速度极限 从实验效果看 电磁炮系统电能向机械能的转化效率超过 30 常 规火炮系统仅约 20 其能量转化效率高 图 2 轨道炮弹丸穿透钢板 资料来源 美军电磁轨道炮发展综述 杨艺 郭静 国 外坦克 2014 图 3 美军电磁炮击中目标 资料来源 电磁轨道炮让战争进入 秒杀新时代 姜 洪涛 周军 飞航导弹 2017 电磁炮技术的军民用应用前景宽阔 电磁炮技术的军民用应用前景宽阔 电磁炮可搭载于海基 陆基 天基平台上 用于岸 基防御 火力支援 防空反导 摧毁装甲车及防御工事 对于执行大纵深非接触的精确打击 临近空间 空间打击等任务具有重要意义 在科研和军民用品方面 电磁炮的加速技术用于 材料 可控核聚变研究 金属加工 磁悬浮列车等领域 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 电磁发射技术还可用于电磁弹射和电磁推射电磁发射技术还可用于电磁弹射和电磁推射 电磁弹射技术主要用于飞机起飞助推 电磁弹射技术主要用于飞机起飞助推 电磁弹射利用直线电机技术 可灵活控制电磁力 助推质量不等的飞机在 100m 级距离上到达起飞速度 据环球时报报道 2015 年 5 月 14 日 在建的福特号航母进行了电磁弹射的测试工作 福特级安装电磁弹射器 以实现舰载机快速 起飞 降低对航母跑道长度的要求 除舰载机弹射外 电磁弹射未来可能应用于野外短跑道 缩短跑道布置时间的同时实现飞机隐蔽弹射 电磁弹射器较蒸汽弹射体积 重量小 效率高 成本低 弹射质量范围大 电磁弹射器较蒸汽弹射体积 重量小 效率高 成本低 弹射质量范围大 福特号航母 上搭载的电磁弹射器结构紧凑 装配人工仅需 90 人 较传统蒸汽弹射减少 1 3 准备时间仅 需十余分钟 利用效率高出蒸汽弹射约 10 倍 电磁弹射可发射几百千克的无人机乃至至约 40 吨的舰载机 而传统蒸汽弹射输出功率较低且不可调 弹射质量上限为 30 吨 且不能弹射较 轻的无人机 电磁推射技术主要用于向太空发射小型航天器 可有效降低成本 电磁推射技术主要用于向太空发射小型航天器 可有效降低成本 美国航空航天局 NASA 于上世纪 80 年代开始线圈型电磁推射的概念性研发 90 年代初 美国 Sandia 国家实验室设 计出线圈型电磁推射装置 发射装置长 960m 由 9000 级驱动线圈组成 发射倾角 25 其 推射加速度可达 2k 倍重力加速度 计划将 600 千克电枢和 1220 千克飞行器加速至 6km s 目前 NASA 正进行电磁 火箭复合发射的工程应用论证 未来可能代替纯电磁推射 表 1 电磁弹射 电磁炮和电磁推射技术对比 电磁弹射技术电磁弹射技术 电磁炮技术电磁炮技术 电磁推射技术电磁推射技术 发射长度 百米级 十米级 千米级 末速度 100m s 3km s 8km s 质量 数百千克至数十吨 千克级 吨级 用途 短距离弹射飞机 发射超高速弹丸 向太空发射载体 应用场景 航母 野外 陆基 海基 天基 航天发射 主要优势 助推快速 跑道要求低 射程远 毁伤动能大 快速可重复 成本低 资料来源 电磁发射技术 马伟明 鲁军勇 国防科技大学学报 2016 中信证券研究部 电磁炮介绍电磁炮介绍 杀伤力更强的新一代尖端武器杀伤力更强的新一代尖端武器 轨道炮轨道炮是电磁炮发展的主流是电磁炮发展的主流 电磁炮电磁炮按结构和工作原理按结构和工作原理可分为线圈炮 轨道炮 重接炮 可分为线圈炮 轨道炮 重接炮 目前各国均以轨道炮作为开 发重点 线圈炮在工程应用上可行性差 重接炮仍停留在实验室阶段 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 图 4 线圈炮工作原理 资料来源 新概念动能武器 电磁炮 李如年 王敬 王 海 中国电子科学研究院学报 2011 图 5 线圈炮构造原理 资料来源 电磁发射武器的关键技术与发展 李薇 林 干 飞航导弹 2010 线圈炮是最早的电磁炮发展形式 又称交流同轴线圈炮 线圈炮线圈炮是最早的电磁炮发展形式 又称交流同轴线圈炮 线圈炮主要由固定线圈和弹丸 线圈构成 其基本原理是向固定线圈通电 产生运动磁场 再通过电磁感应现使弹丸线圈中 产生感应电流 运动磁场和感应电流相互作用 产生洛伦兹力 加速在磁场中悬浮的弹丸线 圈 使弹丸高速射出 线圈炮转换效率高 但工程可行性差 未成为主流线圈炮转换效率高 但工程可行性差 未成为主流发展方向发展方向 线圈炮炮管和弹丸不接触 无摩擦损耗 电动转换效率可达 50 但由于达到高速所需加速距离长 大电流对线圈烧蚀 严重 需保证激励电流与弹体运动同步 电路复杂等原因 线圈炮未成为电磁炮的主流发展 方向 重接炮是最新的电磁炮发展形式重接炮是最新的电磁炮发展形式 重接炮的加速原理为 磁力线的重接 在弹丸到达不 同位置时 先后向线圈充入 断开外接的脉冲电流 充入的电能转化为两线圈间磁场的磁能 由于弹丸 截断 磁力线 在离开磁场时 截断的磁力线重新连接 使原来弯曲的磁力线有 被拉直的趋势 释放储存的磁能 变为弹丸的动能 图 6 重接炮工作原理示意 资料来源 新概念动能武器 电磁炮 李如年 王敬 王海 中国电子科学研究院学报 2011 重接炮无烧蚀问题 转换效率较高 但未实现重接炮无烧蚀问题 转换效率较高 但未实现工程工程应用应用 重接炮无炮管 无摩擦力 因 此发射大质量弹丸时与线圈炮一样 不会产生炮管过热或烧灼 且在实验中能量转换效率相 对较高 最高可达到 50 左右 但由于一级驱动时 弹丸受到的瞬时推力大 时间短 加速 效果不好 目前提出搭设交错式多级线圈以提高加速效果 但仅停留在测算 实验阶段 距 工程化应用还有一定距离 轨道炮 轨道炮 railgun 又称导轨炮 是结构原理最简单的电磁炮 是目前 又称导轨炮 是结构原理最简单的电磁炮 是目前电磁炮电磁炮发展的主流发展的主流 方向方向 其基本原理与直流电动机类似 主要由电枢 放置弹丸的滑块 两根平行导轨和高功 率脉冲电源构成 轨道炮发射长度为 10m 级 加速度极大 加速末可令弹丸初速度达 3km s 以上 其缺点是电枢与导轨接触摩擦力大 能量损耗大 实验中 分段轨道炮效率仅约为 35 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 图 7 轨道炮示意图 资料来源 电磁轨道炮及其关键技术的现状与发展 王德 苏鑫鑫 飞航导弹 2010 表 2 电磁炮 轨道炮 重接炮的对比 线圈炮线圈炮 轨道炮轨道炮 重接炮重接炮 有无炮管 有 有 无 炮管弹丸间有无摩擦 无 有 无 实验中电动转换效率 50 分段轨道炮为 35 30 50 烧蚀是否严重 是 是 否 工程可行性 差 好 差 加速度相对快慢 慢 快 单级较慢 多级较快 资料来源 中信证券研究部 电磁炮优势电磁炮优势 高速 杀伤力强 高速 杀伤力强 灵活便捷 灵活便捷 电磁炮与常规火炮相比 电磁炮与常规火炮相比 具有具有初速高 理论速度极限大 射程远 威力大初速高 理论速度极限大 射程远 威力大等优势 等优势 电磁电磁 炮炮的炮弹的炮弹出射速度 出射速度 射角调节灵活 弹丸过载小 成本低 且电磁炮的后勤保障便捷 能源射角调节灵活 弹丸过载小 成本低 且电磁炮的后勤保障便捷 能源 安全 转化效率高 安全 转化效率高 理论速度极限大 初速高 射程远 杀伤力强 常规火炮弹丸的常规火炮弹丸的初速小初速小 理论速度极限小 理论速度极限小 常规火炮的本质是火药爆炸的化学能转化为 弹丸的机械能 具体而言 即爆炸产生的高温高压产物 像活塞一样迅速排挤密闭空间内的 空气 形成冲击波 弹丸被冲击波阵面的气压推动 因此弹丸的速度极限为气体自由膨胀速 度 目前实战中 受火药燃气滞止声速的限制 即使采用新型火药 降低火药燃气的分子量 弹丸初速度也难以超过 2km s 一般而言 常规野战火炮弹丸的炮口速度不超过 1 8km s 电磁炮弹丸的理论速度极限是光速 即电磁脉冲的传播速度 电磁炮弹丸的理论速度极限是光速 即电磁脉冲的传播速度 电磁炮运用电磁能加速 不受气体膨胀特性的限制 电磁力使弹丸受到的推力比火药发射的推力大 10 倍以上 推力作 用时间也比常规火炮更长 在同样的过载和加速距离上 可使电磁炮初速更高 提高其射出 后携带的动能 电磁炮的炮口实用初速可达 3km s 试验中实现了大于 5km s 的初速 电磁炮弹丸弹道基本为直线 射程远 突击能力强 抗干扰能力强 电磁炮 电磁炮弹丸弹道基本为直线 射程远 突击能力强 抗干扰能力强 电磁炮 弹丸初速 快 其弹道基本为直线 而常规火炮要调节倾角出射 弹道为抛物线 相同射程下 电磁炮 弹丸飞行时间更短 对单目标的反应能力和对多目标的反应灵活性提高 对突发事件响应更 及时 同时 弹丸在飞行途中不易受干扰 导弹防御系统很难实施侦测预警和有效拦截 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 图 8 电磁轨道炮与 20mm 火炮弹道对比 资料来源 电磁轨道炮及其关键技术的现状与发展 王德 苏鑫鑫 飞航导弹 2010 弹丸动能极高 杀伤力强 弹丸动能极高 杀伤力强 电磁炮弹丸射离炮口初速大 出射动能大 且在接触目标时 仍可保持高动能 具有极强穿透力 能以约 7 倍于音速的速度直接毁伤目标 图 9 美国防部副部长沃克查看轨道炮击穿的钢板 资料来源 前景黯淡的电磁炮 岳松堂 林芳竹 现代军事 2016 调节发射的可控性强 工作稳定 重复性好 过载小 电磁炮炮管和弹丸不受限制 射弹质量范围大电磁炮炮管和弹丸不受限制 射弹质量范围大 由于不需密闭 电磁炮身管形状不受限 甚至无身管 因此弹丸形状可根据需要灵活改变 特别是可采用低空气阻力设计的弹丸 理 论上 电磁炮既可发射小至毫克级的小弹丸 也可发射大至数百吨的大弹丸 电磁炮初速连续可调 威力灵活可控 电磁炮初速连续可调 威力灵活可控 常规火炮需要调节火药装药量和火炮射角以调整 射程 而电磁炮的激励电流可通过计算机连续精确调控 以实现初速和射程改变 或发射不 同质量的弹丸 进而实现威力灵活可控的火力打击要求 顺应信息化战争中装备智能化的趋 势 电磁炮发射稳定 可实现恒定加速 电磁炮发射稳定 可实现恒定加速 常规火炮因点火过程 发射药燃烧的微量变化 弹 丸速度不稳定 而电磁炮弹丸在身管内受力可保持不变 每次发射有相似重复性 可实现近 似恒定加速 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 电磁炮弹丸过载小 可安装精密组件 电磁炮弹丸过载小 可安装精密组件 电磁炮弹丸与常规火炮相比 因可被恒定加速 在相同加速距离上获得同等初速时过载相对较低 因此 电磁炮弹丸便于加装精确制导装置 等组件 可发射对过载有严格要求的制导炮弹 能量转化效率高 轨道炮继承了直流电电机的高转化效率 远高于常规火炮 轨道炮继承了直流电电机的高转化效率 远高于常规火炮 通常电能向机械能的转换效 率不超过 50 但电磁轨道炮因可回收导轨间积累的电磁能 总体效率有一定提高 从实验 效果看 常规火炮的能量转换效率仅约20 左右 分段轨道炮效率为35 线圈炮效率达50 单级重接炮的效率为 30 50 且各电磁炮的转换效率与弹丸的初速无关 能源简单 安全 备弹量大 持续作战能力强 勤务保障便捷 电磁炮采用电能发射 初级能源形式多样 能源安全简单 电磁炮采用电能发射 初级能源形式多样 能源安全简单 常规火炮 导弹等武器需要 附带火药 含大量易燃易爆高能物质 储存 使用危险高 受敌方攻击时易被毁伤 电磁炮 无需发射药等化学推进剂 采用外部电能发射 初级能源一般使用低成本 安全的低级燃料 如低烃类燃料 大幅提升了弹药安全性 电磁炮即使遭毁伤 附带杀伤效应也易控制 同 时简化了常规火炮高感度的发射药在生产 储存 运输等环节的保障工作 电磁炮系统较常规火炮更简化 电磁炮系统较常规火炮更简化 因为无发射药 电磁炮省去了火药筒 电磁炮也可被做 成开放式后膛 无炮闩 装填机构可简化 进而可实现自动装填和连续发射 提高了武器系 统的快速反应能力 电磁炮备弹量大为增加 电磁炮备弹量大为增加 目前美海军在役携弹量最大的 提康德罗加 级导弹巡洋舰 作战导弹携载量不超过 500 枚 同等贮纳条件下 轨道炮射弹可达万枚 这将极大增加火力 打击密度 持续性 图 10 美 提康德罗加 级巡洋舰 CG 72 维拉湾号 资料来源 美国国防部网站 电磁炮对电磁炮对后勤后勤和配套设施要求低 和配套设施要求低 电磁炮的后勤工作较常规火炮可减少 70 左右 对辅 助配套设施要求也较低 建造好的舰载电磁炮系统 所需装填准备人员较少 仅需一定的充 电装置和少量冷却水即可发射 成本低 隐蔽性好 电磁炮动力和弹丸成本远低于常规弹药电磁炮动力和弹丸成本远低于常规弹药 常规火炮弹药消耗量大 高能炸药和火药的制 造耗费大 电磁炮系统除了制造成本较高外 因其使用电力驱动 其初级能源燃料和弹丸成 本均远低于常规弹药 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 从能量转换效率的角度计算 电磁轨道炮产生每兆焦耳成本仅为从能量转换效率的角度计算 电磁轨道炮产生每兆焦耳成本仅为 0 1 美元 而常规火炮美元 而常规火炮 的该成本为的该成本为 10 美元 美元 常规火炮发射一枚导弹的成本高达 50 150 万美元 而发射一枚电磁炮 弹成本仅约 2 5 万美元 电磁炮发射特征小 隐蔽性好 火炮生存能力强 电磁炮发射特征小 隐蔽性好 火炮生存能力强 电磁炮发射无声响 无炮口火焰 无 烟雾 后坐力和冲击波很小 与常规火炮相比 电磁炮可见光与红外特征可降低 3 个数量级 后坐力减少 1 倍以上 炮口冲击波降低 1 个数量级 另外 电磁炮发射对装载平台的冲击小 允许电磁炮身进行更灵活的动作 电磁炮用途电磁炮用途 反装甲 防空反导 火力支援反装甲 防空反导 火力支援 摧毁装甲车及防御工事 电磁炮弹丸的极大终点动能 可直接侵彻目前绝大多数装甲目标和防御工事 包括陆上 坦克 战车和海上舰船以及一些水上水下防御工事 通常 武装直升机和导弹的防护能力可达 80mm 0 100mm 0 装甲钢 主站坦克前装 甲的防护能力可达 1000mm 0 装甲钢 即使用全钨穿甲弹 在 3km 外也需使弹丸达 2 5km s 才能穿透 而电磁炮弹丸终点动能大 可轻易穿透装甲 理论上看 用轨道炮发射超速长探 杆穿甲弹时 弹丸初速为 2 5km s 3km s 足以摧毁目标 图 11 主动电磁装甲发射装置 资料来源 欧洲电磁发射技术发展概述 苏子舟 张涛 张博 飞航导弹 2016 防空反导 可搭载于各类平台 构造立体防御盾牌 相对于舰载的大口径电磁炮 小口径电磁炮更适用用于拦截空中目标 参与构建多方位相对于舰载的大口径电磁炮 小口径电磁炮更适用用于拦截空中目标 参与构建多方位 立体的防御体系 有效执行反导防空护卫任务 立体的防御体系 有效执行反导防空护卫任务 空中目标的偏移或加速度是影响命中概率的 关键 而电磁炮射出弹丸初速快 飞抵目标时间短 有利于提高命中概率 弹丸初速快也可 降低火控误差影响 提高命中精度 另外 其大终点动能也可保证摧毁目标 且弹丸安装相 关模块后抗电子干扰能力更强 敌方不易及时做出反应 电磁炮可用于强化导弹防御系统 电磁炮可用于强化导弹防御系统 目前远程导弹速度之快 使现代战争中的前 后方概 念不再适用 导弹抗干扰能力增强 使得现有导弹防御系统任务愈发艰巨 而电磁炮弹丸可 对来袭导弹在中段甚至助推段实施拦截 而不用等到末段或再入段 把电磁炮与地面雷达系 统 卫星制导系统相配合 强化现有导弹防御系统 可大大增加拦截导弹成功率 据解放军报等媒体报道 当地基电磁炮弹丸初速达 5km s 时可拦截速度 4 马赫的战术弹 道导弹 反辐射导弹 巡航导弹 作战飞机等 达 5km 7km s 时 可有效对战略导弹在中段 末段实施拦截 当速度达6km s 10km s时 可直接命中轨道高度300km 1000km的低轨卫星 速度超过 12km s 时 可用于打击轨道高度更高的卫星 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 有效加强陆基 海基 舰船等打击力量 陆基陆基 有效填补火力空白 有效填补火力空白 在陆基方面 电磁炮可填补陆基常规火炮和短程地地导弹之间的火力空白 在陆基方面 电磁炮可填补陆基常规火炮和短程地地导弹之间的火力空白 电磁炮可执 行 200 公里至 400 公里的火力打击任务 另外 电磁炮勤务便捷 比短程导弹发射准备时间 短 比常规火炮有更远射程和更大毁伤能力 进而可与两者配合 形成火力打击群 电磁炮也可用于海岸防御 甚至形成新的濒海防御作战理论 电磁炮也可用于海岸防御 甚至形成新的濒海防御作战理论 在传统的海岸防御体系中 海防炮最多只有 30 至 40 千米射程 而电磁炮射程较远 可满足海洋专属经济区全覆盖和对 岸火力支援的需要 另外 电磁炮实现小型化 达到高机动性后 可取代笨重的海防炮 使 海防炮的布局更为多样化 舰载 舰载 对岸火力支援效果好 成本低对岸火力支援效果好 成本低 大炮巨舰模式自二战以来一度消沉 轨道炮的投用有望振兴舰炮 大炮巨舰模式自二战以来一度消沉 轨道炮的投用有望振兴舰炮 1942 年珊瑚岛海战是 航母取代大炮巨舰模式的里程碑式事件 二战后直至今天 除两栖登陆作战仍使用中近距离 炮火支援以外 航空母舰 导弹驱逐舰的盛行已令舰炮的地位大为削弱 而高初速 远射程 大动能的轨道炮列装 可能使大炮巨舰模式再度流行 表 3 舰载不同火力支援方式的性能对比 技术指标技术指标 火力方式火力方式 常规舰炮常规舰炮 MK45 先进舰炮系统先进舰炮系统 AGS 电磁轨道炮电磁轨道炮 Navel RailGun 口径 mm 127 155 120 155 使用弹药 ERGM LRLAP KE Projectile 射程 n mile 43 80 km 63 117 km 250 463 km 飞行时间 min 60 10 6 发射质量 kg 68 2 战斗部 18 2kg 159 战斗部 41kg 20 含 13 65L 燃料 毁伤方式 爆炸杀伤 爆炸杀伤 动能杀伤 终点动能 MJ 2 2 7 8 16 9 弹丸长度 mm 152 4 60 in 224 88in 76 2 30 in 储弹量 rds 1000 1500 rds 1000 10000 资料来源 美国的舰载电磁炮研究 张建革 刘跃新 路宏伟 舰船科学技术 2009 中信证券研究部 美海军经过效费比研究认为 舰载轨道炮是未来对岸火力支援的最佳方式 美海军经过效费比研究认为 舰载轨道炮是未来对岸火力支援的最佳方式 海军对岸火 力支援有舰炮 远程导弹和舰载攻击机三种形式 相对于目前美海军装备的常规舰炮 MK45 和先进舰炮系统 AGS 轨道炮射程最远 至少可达 250 n mile 约 463km 轨道炮终点动能 极大 可达 16 9MJ 远超 MK45 和 AGS 的 2 2MJ 和 7 8MJ 轨道炮系统的成本和效果均比舰载机好 轨道炮系统的成本和效果均比舰载机好 轨道炮系统建成后 单发成本很低 可替代昂 贵的巡航导弹或舰载机进行火力支援 攻击内陆目标 舰载攻击机携弹量低 飞行 装载时 间长 导致其火力密度 持续性 攻击时效性均不如轨道炮 除了以高终点动能直接破坏目标外 针对岸上有生力量 舰载轨道炮弹丸可填充大量小除了以高终点动能直接破坏目标外 针对岸上有生力量 舰载轨道炮弹丸可填充大量小 的钨合金子弹 形成弹幕 增强大面积毁伤能力 的钨合金子弹 形成弹幕 增强大面积毁伤能力 因为弹丸动能大 在临近目标时启动引信 可抛射出大量高速弹幕 相对于传统舰炮 轨道炮形成的弹幕效果分布更均匀 不用转换弹 种 有双重命中杀伤效果 末端动能更大 对目标毁伤概率更高 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 天基 从星球大战到临近空间天基 从星球大战到临近空间 图 12 里根提出星球大战计划 战略防御倡议 资料来源 familysecuritymatters org 美国政府在 80 年代时就曾提出星球大战计划 筹划将电磁炮装载至天基平台 未来电磁 炮若被部署在卫星等航天器上 或可拦截洲际弹道导弹 甚至摧毁卫星 临近空间是介于飞机最高飞行高度和空间轨道飞行器最低飞行高度之间的区域 距离地 面 20km 100km 电磁炮的弹道高度可达 100km 以上 可有效打击高超声速导弹 空天轰炸 机 长航时无人机 平流层飞艇 气球等临近空间目标 电磁炮超高速技术可用于民用 科研领域 许多科研领域需要超高速条件 这可通过电磁炮加速技术达到 如用高速弹丸冲击宇宙 飞船材料 以研究材料状态方程 还可利用高速弹丸进行惯性约束核聚变研究 例如 用 50km s 小弹丸冲击特定材料时 能引起核聚变 直至使热核聚变变为可控 突破人类能源瓶颈 相 关加速技术未来还可用于金属电磁成形加工 电磁悬浮列车等军民用领域 美国美国电磁炮概况电磁炮概况 发展有所放缓 发展有所放缓 后续后续有望装载上舰有望装载上舰 美国科学家率先提出轨道炮名词 引领了轨道炮研究 美国科学家率先提出轨道炮名词 引领了轨道炮研究 1958 年 轨道炮 Railgun 名词 由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 Los Alamos National Laboratory LANL 的 Bostick 率先 提出 Bostick 还率先进行了等离子体电枢发射试验 随后 Brase 采用 28KJ 电容储能器 将质量 31mg 的立方体尼龙块 沿 20cm 炮管 加速至 5 6km s 将质量 10mg 的尼龙球加 速至 10km s 冷战冷战期间期间美国大力开发电磁炮美国大力开发电磁炮 冷战结束后发展有所放缓 冷战结束后发展有所放缓 在美苏陷入冷战在美苏陷入冷战和星球大战和星球大战大背景下 美军在大背景下 美军在 80 年代开始大力发展电磁炮 年代开始大力发展电磁炮 80 年代初 美国战略防御计划 Strategic Defense Initiative 亦称星球大战计划 Star Wars Program 全 球战略主动防御委员会提出研究天基电磁炮 尝试借助等离子体电枢 拦截助推阶段的战略 弹道导弹 1983 年 美国总统里根授权 开始进行电磁炮作为反核弹导弹系统的可行性研究 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 1985 年 美国国防科学委员会提出未来高性能武器必然以电能为基础的结论 随后 DARPA 美国国防部预研局 高级研究局 与美陆军联合启动了陆军电磁炮项目 80 年代 美国在电磁炮的实验研究进展上领先苏联 年代 美国在电磁炮的实验研究进展上领先苏联 80 年代初 美国劳伦斯国家实验室 LLNL 利用口径 12 7mm 长 5m 的轨道炮将 2 2g 的弹丸加速至 10km s 美国洛斯阿拉 莫斯国家实验室将 3g 弹丸加速到 10km s 美国西屋公司研制的轨道炮 使用 17 5MJ 单极发 电机电源 把 300g 左右的弹丸加速到 5km s 的初速 炮口动能达 2 8MJ 而同期 而同期 前苏联的前苏联的 A 斯维特索斯维特索仅仅将将 1 33g 的弹丸加速的弹丸加速至至 2km s 图 13 Green Farm 实验室 90mm 口径单发轨道炮 SSG 资料来源 Green Farm Electric Gun Research and Development Facility the final chapter Wolfe T R Riedy P Lewis D IEEE Transactions on Magnetics 2001 美军建立起美军建立起 Green Farm 单发轨道炮系统单发轨道炮系统 1986 年开始 美国在 Green Farm 开始逐步 建设具备 32MJ 储能电容器组的电磁发射实验室 并成功进行了炮口动能 8MJ 的单发轨道炮 SSG Single Shot EM Gun 发射试验 Green Farm 具备了较完善的轨道炮试验系统 包 含 32MJ 的电容器组 充电器 设计炮口动能为 9MJ 的单发轨道炮和其他支持设备 图 14 Green Farm 实验室设施示意图 资料来源 Experiments with the Green Farm electric gun facility Mcnab I R Levine F Aponte M IEEE Transactions on Magnetics 1995 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 冷战结束后 美军轨道炮研制总体较前十年放缓冷战结束后 美军轨道炮研制总体较前十年放缓 但英美科研合作有所升温 美国的实 验室轨道炮研究重心从小质量 克量级 逐渐转向大质量 千克量级 弹丸的高速发射 21 世纪初 世纪初 美轨道炮上舰演示成功 未来有望搭载美轨道炮上舰演示成功 未来有望搭载 DDG 驱逐舰驱逐舰 20 世纪世纪 90 年代末 美海军全电力推进新年代末 美海军全电力推进新型舰艇型舰艇 DD X 逐渐成型 使舰载电磁炮发展成逐渐成型 使舰载电磁炮发展成 为可能 为可能 在未来战争是海 陆 空 天立体的高技术 信息化战争构想下 美海军愈发强调 火力支援能力 而舰载平台的优势明显 它比陆军平台的空间和重量承载能力更大 更方便 冷却 且有随时取用的海水资源 美海军设想未来将轨道炮搭载于 DDG 1000 朱姆沃尔特 级驱逐舰上对电源需求 15 30MW 20 世纪末 美国海军对未来来电磁炮的发展形成了一个大致的目标图像 主要参 数为 发射质量 20 千克 弹丸初速 2 5km s 炮口动能 64MJ 发射率每分钟 6 至 12 发 炮 管寿命 1000 至 10000 发 电源能量需求 200MJ 能量利用效率 30 至 40 射程 250 至 300 n mile 约 463km 至 556km 表 4 20 世纪末美海军舰载轨道炮的目标图像 序号序号 技术指标技术指标 参数参数 备注备注 1 口径 mm 135 155 未确定 2 炮膛形状 圆形 正方型 长方形 未确定 3 炮管长度 m 10 8 12 之间 4 弹丸质量 千克 16 5 发射质量 千克 20 6 初速 m s 1 2500 7 炮口动能 MJ 64 8 终点速度 m s 1 1700 9 终点动能 MJ 16 9 10 射程 km 463 556 250 300 n mile 11 控制方式 GPS ING 12 发射率 rds min 1 6 12 13 炮管寿命 rds 1000 10000 14 能量需求 MJ 200 15 能量利用效率 30 40 16 平均成本 rds 1 10000 制导部分 3000 17 装舰对象 DDG 1000 18 对舰能源需求 MW 15 30 资料来源 美国的舰载电磁炮研究 张建革 刘跃新 路宏伟 舰船科学技术 2009 中信证券研究部 图 15 搭载于 DD X 舰的轨道炮概念图 资料来源 美军电磁炮研究取得重大进展 杨艺 现代兵器 2005 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 2003 年 美海军认为年 美海军认为 DD X 舰搭载轨道炮可行舰搭载轨道炮可行 DDG 1000 朱姆沃尔特 级驱逐舰配 备的综合电力系统 IPS Integrated Power System 输出功率可达约 78MW 美军预计的轨 道炮的能量需求仅为 15 至 30MW 但但 DDG 1000 朱姆沃尔特 级驱逐舰当时还未部署 因 朱姆沃尔特 级驱逐舰当时还未部署 因 此美海军暂时利用非作战舰艇作为轨道炮试验平台 此美海军暂时利用非作战舰艇作为轨道炮试验平台 图 16 搭载于 DD X 舰的电磁炮概念 资料来源 美军电磁炮研究取得重大进展 杨艺 现代兵器 2005 2003 年年 4 月 美英共同完成了月 美英共同完成了 90mm 圆口径轨道炮圆口径轨道炮的的海上演示验证海上演示验证 2004 年年 7 月 美月 美 海军成功进行了海军成功进行了相当于相当于实际尺寸实际尺寸 1 8 的轨道炮的轨道炮海上发射试验海上发射试验 弹丸初速计划为 2 5km s 射程 370km 图 17 美达尔格伦水面作战中心轨道炮试射瞬间 资料来源 美军电磁轨道炮发展综述 杨艺 郭静 国外坦克 2014 2007 年年进行进行样机样机试射试射 美军轨道炮 美军轨道炮从从演示演示验验逐步向着实用化发展逐步向着实用化发展 据英国 简氏防务周 刊 报道 2007 年 1 月 16 日 美海军研究局在达尔格伦水面作战中心的轨道炮样机 以发 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 15 射 1 发弹丸的形式剪彩 该样机口径 90mm 弹丸质量 3 2 千克 初速 2 146km s 炮口动能 7 4MJ 样机的试射成功或将驱动美军电磁炮加速向实用化方向发展 2010 年年 12 月 美海军月 美海军实现了实现了 32MJ 炮口动能的试验目标 炮口动能的试验目标 据环球网报道 2010 年 12 月 美海军在美达尔格伦水面作战中心完成 32MJ 炮口动能的试验目标 动能是上一次试验的 3 倍 弹丸质量 10 4 千克 炮口速度达 2 5km s 射程可达约 200km 图 18 美海军于 2012 年 2 月首次进行轨道炮全威力样机发射试验 资料来源 2014 年年 3 月月 7 日 美海军研究日 美海军研究实验实验室室 NRL 轨道炮材料测试中心 轨道炮材料测试中心 RMTF 利用小口利用小口 径轨道炮试验台进行了径轨道炮试验台进行了连发连发试射 试射 试验台口径 25 4mm 可安装在配有先进电池的机动平台上 每分钟进行数次发射 2003 年 NRL 开始参与轨道炮项目 2011 年 10 月 NRL 实现了大口 径轨道炮样机的第 1000 次发射试验 表 5 美军轨道炮实验研究和舰载轨道炮应用研究情况 时间时间 阶段阶段 试验地或装置试验地或装置 实际实际炮炮 口动能口动能 MJ 弹丸质量弹丸质量 弹丸初弹丸初 速度速度 km s 设计储设计储 能量能量 MJ 实验室研究实验室研究 1960 年左右 洛斯阿拉莫斯国家实验室 31mg 5 6 0 028 1960 年左右 洛斯阿拉莫斯国家实验室 10mg 10 0 028 1980 年代初 劳伦斯国家实验室 2 2g 10 1980 年代初 洛斯阿拉莫斯国家实验室 3g 10 1980 年代初 西屋公司 2 8 300g 左右 5 17 5 1986 年后 Green Farm 实验室 8 计划 9 32 演示验证演示验证 2003 年 4 月 美英联合海上演示验证 8 2 5 2004 年 7 月 实际轨道炮尺寸 1 8 的装置 2 5 至 2009 为止 美英联合建立的 Kirkcudbright 靶场 3 4kg 至多 3 32 实用单发炮实用单发炮 2007 年 1 月 16 日 达尔格伦水面作战中心 7 4 3 2kg 2 146 2007 年 BAE 公司提供的 1 1 研究装置 10 6 约 3 35 千克 2 5 32 2010 年 12 月 10 日 达尔格伦水面作战中心 33 10 4 千克 2 5 2012 年 2 月 全威力轨道炮样机试射 实用连发炮实用连发炮 2014 年 3 月 7 日 海军研究实验室小口径轨道炮试验台 资料来源 美军电磁轨道炮发展综述 杨艺 郭静 国外坦克 2014 中信证券研究部 2014 年开始 年开始 美海军美海军将轨道炮装载于现有舰船上 为未来将轨道炮装载于现有舰船上 为未来装载装载 DD X 舰做准备 舰做准备 2014 年 7 月 11 日 美海军研究局将两套轨道炮原型机安装至 米利诺基特 号联合高速舰 JHSV 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 16 进行了系统集成研究 2016 年 2 月初 美海军与亨廷顿 英格尔斯公司开始研究在 LPD 17 上安装轨道炮 激光武器和新型雷达等 将其改建成导弹防御舰 2018 年 9 月 美国海军研究学会新闻网 USNI 表示 由海军研究办公室 ONR 主 导研发的电磁炮实现了身管寿命的关键技术突破 美国未来 大型水面作战舰 将会为电磁 炮做好准备 未来美军电磁炮上舰进程有望加速 我国电磁我国电磁炮炮概况概况 或已上舰演示或已上舰演示 发展有望加速发展有望加速 我国我国电磁发射研究电磁发射研究持续持续升温升温 我国从 20 世纪 60 年代开始进行电磁发射研究 80 年代开始出现介绍电磁发射的资料 1987 年 电磁发射装置在新概念 新原理兵器课题组的兵工情报研究报告中被列为八项新概 念兵器之一 1995 年 石家庄军械工程学院王莹教授出版了 电炮原理 等 3 本相关专著 第一次系统总结了电磁发射技术 20 世纪 80 年代末至 90 年初 我国科研机构开始研制轨道炮和线圈炮实验装置 1986 年 中国工程物理研究院流体物理研究所 中科院等离子体研究所建立了轨道炮试验装置 1990 年 中科院等离子体物理所建立了线圈式电磁发射装置 21 世纪以来相关研究逐渐升温 2012 年 第 16 届国际电磁发射会议在北京召开 相关 论文数量达新世纪以来最多 电磁发射相关论文数达 1400 篇以上 轨道炮相关论文达 100 篇 以上 图 19 2000 至 2014 年我国电磁发射和轨道炮技术相关文献数量折线图 资料来源 电磁轨道炮发射技术的发展与现状 李军 严萍 袁伟群 高电压技术 2014 试验型发射器试验型发射器迅速迅速发展发展 九五 九五 1996 年至年至 2000 年 期间 我国开始部署年 期间 我国开始部署试验型发射试验型发射器研究器研究 装置结构简单 均为单轨 主要研究大电流滑动电接触过程 为解决枢轨材料等问题提供参考 中国工程物中国工程物 中信证券军工 军临天下 第 69 期 请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 理研究院流体物理所 中国科学院等离子体所采用等离子体电枢理研究院流体物理所 中国科学院等离子体所采用等离子体电枢 将质量为 30g 和 50g 的电 枢加速至 3km s 图 20 北京特种机电技术研究所 BISET 4m 试验型发射装置 资料来源 电磁轨道炮发射技术的发展与现状 李军 严萍 袁伟群 高电压技术 2014 十一五 十一五 2006 年至年至 2010 年 期间年 期间 中国科学院电工研究所 Institute of Electrical Engineering lEE 和北京特种机电技术研究所 Beijing Institute of Special Electromechanical Technology BISET 采用华中科技大学研制的固体电枢进行了大量实验 炮口动能达 2 2 MJ 电能转换效率达 30 炮口速度为 2 2 5km 我国轨道炮或已我国轨道炮或已开始开始上舰演示上舰演示 中国中国轨道炮上舰演示验证或已成功 轨道炮上舰演示验证或已成功 3 月 7 日 海军工程大学马伟明院士团队的副研究员 某重大国防科技演示验证项目副总设计师张晓 被中国海军网发文表彰 文中提到 某国产 新型武器装备首次在船上试验即告成功 共牵涉 20 余家单位 200 多人 据观察者网等文章 分析 2018 年 1 月末中国海军 072III 型 海洋山 号坦克登陆舰或已改装搭载电磁炮进行演 示 电力技术优势明显 我国电力技术优势明显 我国电磁电磁炮上舰或弯道超车炮