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电磁炮的理想与现实之间距离是284公里

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步骤/方法

"真理的范围"

都说“真相在炮的射程之内”,如果炮的射程不够远怎么办,想办法扩大射程。

自从人类发明了火炮之后,军事家们就一直致力于向更远的地方发射更大更重的炮弹来造成最大的伤害,你拥有的火炮越多,你就越有可能在战争中占据主动,当我能打你你打不到我的时候,你的选择是投降还是灭亡,所以火炮被尊为“战神”。

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-这里空气稀薄补充句子(图4)

M198榴弹炮射程22.4公里

一枚炮弹在实战中能达到多少公里,这个记录要追溯到100年前,1918年第一次世界大战期间,德国克虏伯钢铁公司生产的211毫米“巴黎大炮”能够在130公里外的巴黎击中106公斤炮弹,这让法国人非常恐慌,此后的100年里,军火商制造了许多更重的炮弹,但从未生产过射程更远的大炮,取而代之的是昂贵的火箭增程炮弹和导弹。

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-这里空气稀薄补充句子(图7)

“巴黎大炮”和遗弃的巨大炮座

与炮弹相比,导弹可以精确击中数千公里外的目标,而且它们造成的伤害更大,导弹的缺点也很明显,它们价格更高,即使对于军事强国来说,也是一种奢侈的消费。

有没有一种大炮可以射得更远,打的更准,可以很便宜地延长真理的范围,科学家们把目光投向了电磁力。

电磁炮的梦想与现实

就在德国人用“巴黎大炮”轰击巴黎的时候,法国发明家维勒普雷提出利用电磁线圈产生的洛伦兹力推动弹丸制造一种不需要火药的新大炮。维勒普雷的想法在当时太先进了,以至于直到第二次世界大战德国人才重视起来,并进行武器化研究。1944年,德国科学家试图制造一种每分钟发射12发0.5公斤炮弹、枪口速度为音速6倍的高射炮,用动能碰撞击落敌机,但最终失败。

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-这里空气稀薄补充句子(图13)

电磁炮原理

从20世纪80年代开始,美国、英国等国家就开始研究电磁炮,希望获得放电速度为2500米/秒(约7马赫)的炮弹,因为更快的速度可以让炮弹拥有更高的动能,飞得更远,更省钱。

传统火炮依靠火药爆炸产生的气体来推动,这限制了弹丸的速度——膨胀的火药气体最多只能将弹丸加速到1500米/秒(4.5马赫),而大多数火炮的射程只有80公里以内;相比之下,电磁炮的化学能量限制更小,只要电量充足,理论上可以将弹丸加速到音速的20倍甚至更快。

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-这里空气稀薄补充句子(图17)

炮弹出膛瞬间速度最快

2008年初,美国海军试验了一种枪口动能为10.6MJ、弹丸速度为2520米/秒的电磁炮;2010年底,枪口动能提高到33MJ;2014年,美国海军计划将电磁炮安装在DDG-1000祖姆沃尔特驱逐舰上,它可以以7马赫的枪口速度发射10公斤的动能炸弹,但经过几年的努力和花费20亿美元,宣布放弃。

Jumwalt总共可以提供78兆瓦的电能,电磁炮需要25兆瓦,电源不是问题。然而,电磁炮需要很大的内部空间来安装大容量充电电容器,无法高强度连续发射,炮管磨损过快,电枢气动弹跳等问题无法有效解决。炮弹的射程只有16公里,最后DDG-1000不得不回到传统的火炮。

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-这里空气稀薄补充句子(图21)

你可能会有疑问,电磁炮枪口动能达到33兆焦耳,枪口速度也达到了音速的7倍,为什么它的射程只有10多公里?这是不科学的!我们将重点分析电磁炮的射程。

电磁炮真的能打300公里吗?

答案是:几乎不能。

目前公开的最先进电磁炮,只能发射10公斤炮弹到16公里,主要是受空气阻力的影响。

弹丸从炮口发射时,具有前进动能,同时弹丸在向前飞行过程中主要受到两种力的影响:地球的引力会将弹丸拉下来;空气阻力会阻碍弹丸前进。

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-这里空气稀薄补充句子(图28)

电磁弹需要一个导电道具

与普通炮弹不同,电磁炮的炮弹有弹性翼,这是因为电磁炮放电速度极快,无法通过步枪的陀螺效应力使炮弹绕纵轴旋转来保持姿态稳定,为了在飞行中不翻滚,需要在炮弹后部安装稳定翼,使其尖端始终向前移动。由此带来的负面影响是增加了炮弹的表面积,使其更容易受到导致偏航的侧向风的影响。

弹丸在超音速飞行过程中,一方面,弹丸前方的空气被猛烈压缩产生冲击波,同时,空气分子也与弹丸表面发生强烈摩擦,摩擦作用产生皮肤摩擦阻力,释放大量热能。一般来说,物体在流体中运动的阻力大小符合阻力方程:

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-这里空气稀薄补充句子(图32)

超音速弹丸冲击波与空气阻力方程

由上面的方程我们可以看出:

弹丸的空气阻力与空气密度ρ有关,空气越密集,阻力越大;

CD是阻力系数,它取决于外壳的形状、表面积和光滑度。

A为投影面积,细长弹丸前部投影面积较小,阻力较小;

V是弹丸的速度,空气阻力与速度的平方成正比,弹丸越快,空气阻力就会成倍增加。

试想一下,你以七倍音速抛出一根绣花针,它能飞多远?它太轻了,飞不了多远。

如何提高电磁炮的射程?

我们先从弹道图看一下弹丸的初速、动能、空气阻力和射程之间的关系:

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-这里空气稀薄补充句子(图43)

炮弹速度与空气阻力的关系

从上图可以看出,当质量不变时,发射初速倍数的增加并不会带来射程的倍数增加,影响它的最主要因素是空气阻力,要有效增加弹丸射程,首先增加弹丸的质量m以增加其动能Ek,其次降低空气密度ρ以降低空气阻力费尔。

本文开篇提到,“巴黎大炮”射程130公里,弹丸质量106公斤,炮口动能达到142.5兆焦耳,同时在空气稀薄的平流层,弹道可以达到42.3公里高,因此其弹道更接近抛物线,可以飞得更远。

类似的例子还有爱荷华号战列舰上的16英寸主炮,可以向39公里的距离发射850公斤的炮弹,炮口动能高达571.5兆焦耳,是“巴黎大炮”的四倍!

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-这里空气稀薄补充句子(图48)

战列舰主炮和它巨大的炮弹

由此我们可以得出一个结论,电磁炮无法增加射程的主要原因是其输出动能不足,虽然弹丸的速度是音速的7倍,但重达10公斤的小弹丸却无法飞得很远,从这个角度来看,有“天下武功唯快不破”的局限性。

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-这里空气稀薄补充句子(图51)

电磁炮弹仅10千克重

要发射离军舰更远的电磁弹丸穿透300公里外的航母甲板,我们需要使用更重的弹丸,这意味着更大的冲击动能和更高的输入功率。根据美国海军的计算,它的冲击能量必须超过64兆焦耳,发射这样的弹丸至少需要6兆安培。这在可预见的未来无论如何都不会实现。