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    中国研全球首款磁化等离子火炮 弹丸时速达9000公里

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      2月14日,据最新发表的国内公开资料披露,我国军方正在进行新型磁化等离子火炮实验和测试系统的招标工作,这是继我军研发成功海军大口径电磁轨道炮(railgun)和陆军小口径电热化学炮(Electrothermal-chemical ,ETC)之后,又一公开亮相的新概念火炮(这一系列新概念火炮开创了人类火炮技术继火药发射前装炮技术、后膛装填线膛炮技术、制退复进技术之后的第三次革命)。由于磁化等离子火炮技术属于我国独创,其具体细节还处于保密状态,军事观察家根据国内发表的极少数公开资料,对此技术做一简单推测。纵观世界常规武器的发展史,现代火药的发明及其在武器上的应用,在本质上改变了战场的局面,并对世界格局产生了重大影响。经过长达百余年的发展,化学能武器已在常规武器中占据了统治地位。随着现代科技和武器工业的发展,化学能武器的初速和射程越来越高。然而根据弹药内弹道理论可以得知, 发射药燃气的极限速度和火炮的热效率决定了炮口弹丸的初速。

      

      因此即使采用最新研制的火药,并大幅降低火药燃气的分子量,弹丸的初速度也难以超过2000米/秒(6倍音速)的速度。这是因为常规火炮发射的原理是通过高温高压火药气体膨胀推动弹丸向前运动,当气体膨胀的马赫数达到6倍音速时,火药气体会在炮膛内产生激波,而气体的密度、温度在激波处会大幅增加,对弹丸的推进力就会减小,这就是常规火炮初速难以超过2000米/秒的主要原因。欲使弹丸速度继续提高,需要火炮发射技术的发展与革新,于是电磁轨道炮和电热化学炮这两种新概念火炮就应运而生。电磁轨道炮是一种利用电磁力产生动能继而推进弹丸的动能杀伤武器,能达到极高的发射初速(理论上可以到达亚光速)。但电磁轨道炮完全放弃了火药产生的化学能,因此对大功率脉冲电源的产生和存贮技术要求极高。

      

      目前来看,包括电源系统的整套电磁轨道炮装置体积极其庞大,而且价格昂贵,海军大型舰艇上或许能够装备,但很难在体积较小的陆军机动装甲目标上大规模普及,因此人们又同时在研制电热化学炮系统。该火炮以电弧放电生成等离子体的形式将电能释放到炮膛内, 同时引燃火炮装药;火药则以化学工质燃烧的形式释放热能,电能和热能共同作用使膛内气体极速膨胀,从而推动弹丸高速运动。输入的电能相当于提高了火药工质的含能密度,增加了对弹丸作功的能力,从而提高了弹药发射初速。然而人们在火炮实验中发现,电能和化学能很难做到互补,如果大幅增强电能,其体积比电磁轨道炮小不了多少;通过多次等离子体放电点火来增强火药燃烧效应也只能小幅提高炮口初速,并且存在很大的技术困难,目前电热化学炮的发展前景比较暗淡。

      

      但在对电热化学炮的实验研究中,人们意外的发现,如果在火炮金属身管外加一磁场,火炮发射时产生的部分等离子体会被磁化,火炮身管的热烧蚀现象竟然会减少,并且随着磁场强度的增加,产生的热烧蚀也会越少,发射速度也有所增加。这种现象引起了我国科研人员的极大兴趣,经仔细研究原因后受此启发提出了磁化等离子体火炮构想。在火炮身管内添加高磁性材料或外置磁场发生器,从而使火炮发射时在身管内壁形成磁化等离子体鞘层,该磁化等离子体鞘层可对火炮产生如下作用:1、使火炮身管的吸热量大大降低,从而减少身管的热烧蚀;2、降低发射时火炮身管所受的径向力,延长身管寿命,并能够使身管适当的减小壁厚,增强机动性;3、增加发射时火药气体对弹丸的推力,由于火炮身管的吸热量的减少,火药气体的热损失较少,从而向外的做功增加。

      

      4、磁流体的磁马赫数比一般马赫数小,身管中不易产生激波,火药气体热化效率降低,气体动能相对增加,从而使对弹丸的推力增加,增大了弹丸的出口速度。据初步计算,磁化等离子体坦克炮发射弹丸时,当高磁性材料磁场强度达到1T(特斯拉)时,火药气体温度为3700℃,压力为400兆帕,气体向身管传递的热量可降低60%,大幅减少高温高压气体对身管壁的烧蚀,同时火药气体对弹丸的推力可提高10兆帕,炮口初速可提高2.5%,其有效直射距离可增加数百米;当磁化等离子体自行大口径火炮发射弹丸时,外置的磁场发生器产生10T(特斯拉)的磁场,推力可提高大约100兆帕,可使火炮的初速突破常规火药气体6马赫的迟滞声速极限,或可接近目前电磁轨道炮2500米/秒的发射初速指标。

      

      据公开资料披露,高强度磁场产生装置在国内外已经是已经极其成熟的工业化产品,例如最新研制的钕铁硼磁铁最大磁场强度已超过1.4T(特斯拉),医院用的人体核磁共振诊断装置最大磁场强度已达3T-4T(特斯拉),工业及科学研究上应用的核磁共振波谱仪磁场可达11.74T(特斯拉),我国中科院合肥物质科学研究院已研制出磁场强度达42.9T(特斯拉)的稳态强磁场,并正在研制45T(特斯拉)的世界第一稳态强磁场。如果新型磁化等离子火炮实验效果和科学家们构想中的一样,这种新概念火炮或许在不远的将来会大量装备我军装甲兵和炮兵部队。(作者署名:土星轨道观察室)

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