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王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮
王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮
4/14/2019 2:38:23 PM | 浏览:128 | 评论:0

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

超高速弹(HVP)

普通枪炮的弹丸飞行速度为(按照惯例,这里指弹丸离开炮口时的初速度):步枪600--900米/秒,狙击步枪1000--1200米/秒(也有极个别达到1450米/秒的),迫击炮200--400米/秒,榴弹炮800--850米/秒,加农炮(还有高射炮)900--1000米/秒,坦克炮1500--1700米/秒。

这就是说,在现役的枪炮中,弹丸的初速没有超过2000米/秒的。为什么弹丸的速度会有一定的限制呢?这里既有作为武器在战术上的限制,还有在驱动原理上的固有限制。这是因为普通枪炮的弹丸是由火药燃烧产生的高温高压气体来驱动发射的。在发射过程中,弹丸受火药气体的驱动沿着炮管一直在加速,因此,炮管越长,其离开炮口时的速度也越高。 但随着弹丸的加速前进,推动它的火药气体由于体积的膨胀而压力降低,当压力降到与弹丸和炮管的摩擦及弹丸所受到的其前方空气阻力之和相等时,弹丸的加速也就停止了(这时,火药气体的速度达到最大,也可能已经达到极限速度。这一点下面还要讲到)。

为了延缓这一时刻的到来,人们可以增加装药量以增加炮膛中火药气体的初始压力,而为了防止炮体的损坏,人们要设法进行加固。这样造出来的炮(枪),虽然弹丸的速度可能是提高了,但这个又长又笨的家伙机动性能极差,是不能当武器使用的。这就是战术要求对普通火炮(枪)的限制。那么,什么是其驱动原理上的固有限制呢?当火药气体驱动弹丸加速时,在炮(枪)管中经历了一个在空气动力学中被称为“一维非定常膨胀”的过程。

在这个过程中,驱动气体一边膨胀一边加速,但其速度不会无限增加,而是有一个极限值。炮弹是炮管内高速膨胀的气体推动的,如果气体自己运动不快,就没法推动炮弹运动了。当驱动气体的膨胀速度达到极限时,弹丸的速度也就达到极限了。正是这个极限膨胀速度,成了提高普通火炮(枪)弹丸速度在驱动原理上的固有限制。

下面是气体运动速度公式:  u =(3RT/M)^1/2  R:常数8.314, T:气体温度,M:气体分子量。

由上式可知,发射药燃烧时温度越高,炮弹能达到的速度也越高。当气体分子量越大,气体运动速度越慢。现代火炮(枪)的发射药是以硝化纤维或硝化纤维加硝化甘油为其主要成分的无烟火药,其中含有碳、氢、氧、氮等元素。当火药燃烧时,产生由这些元素组成的气体产物,其平均分子量与空气的平均分子量差不多,发射温度最高在2500ᵒC-3500ᵒC。那么按上式计算,在3000度时速度只有1600米/秒。3500度时是1735米/秒。

科学家和工程师们为提高炮弹的飞行速度,除改进制造枪炮的材料,使其能经受更高温更高压的火药气体外;还千方百计改进火药的配方,企望得到高温低分子量(即高的声速)的火药气体。目前在各类枪炮发射的弹丸中,飞行速度最快的是尾翼稳定脱壳穿甲弹,即APFSDS,目前速度最高的这类弹药,出膛速度可以高达1750米每秒!这个速度指标已经在五倍音速以上。在现有武器中,只有中远程弹道导弹、超远程火箭弹,部分超高空试验飞行物,能在空气稀薄的高空超过这个速度,但是没有任何一种飞行物可以在低层稠密大气层中达到APFSDS的射速。

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

尾翼稳定脱壳穿甲弹APFSDS在膛内,靠弹托、闭气环承受火药气体的压力。出炮口后,弹托与弹芯分离。由于弹重减轻,初速可达1500-1700米/秒,使穿甲威力进一步提高。APFSDS之所以能达到5倍的高音速,主要是采取了轻质的弹托,最早采用铝合金,后来直接采用碳纤维,这样整个穿甲弹的内弹道质量就比相同口径的榴弹和破甲弹轻很多,可以让发射药的爆速充分的转换成弹丸在炮管内的加速度。在出膛的瞬间,就比榴弹和破甲弹高的多,而出膛后弹托立即碎裂,弹丸的原始速度全部转移到带尾翼的小直径穿甲弹杆上,这样就创造出了惊人的高速穿甲体。可就算这样,尾翼稳定脱壳穿甲弹的最高速度也无法超越驱动原理上的固有限制。

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

为了超越这个极限速度,老美发展电磁炮,老中的官僚军工们就跟屁股赶。他们学老美搞的电磁轨道炮自今无法克服的障碍是:要驱动弹丸需要很大的电流,而现有材料在这种大电流下都会从内部快速加热,材料问题无法解决结果限制了炮弹的速度。这个问题很难解决,其实老美已经转换方向了,但为了保密,没说实话,老中军版笨蛋们是被骗了。老美真正研制的是电热氢气炮,而不是轨道炮,因为能量要完全通过轨道输入的话,需要很大的电流,轨道发热太厉害,很难连发。仔细看美国电磁炮发射瞬间的图片,明显伴随着大量气体的燃烧,纯电磁炮只有轨道炮弹和电流,哪来的燃烧气体?

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

美国电磁炮陆基样炮发射瞬间。

上面图片显示的明明是氢气燃烧搞出来的火焰,老美研发的其实是假电磁炮,真电热氢气炮。就是用高压电弧把氢气加热到3000度,产生高压把炮弹高速推出。发射时伴随的火焰是高温氢气喷出后遇空气燃烧的现象。如前所述,如果能减轻推动弹丸的气体的分子量,弹丸速度就能增加,现在一般发射药产生的气体分子量接近空气,也就是29。但这个世界上有分子量远低于空气的气体,就是氢气,其分子量只有2,如果发射温度还是3000度,氢气的平均速度可到 6116米/秒。但如果炮弹速度太快,在空气中会因摩擦产生大量的热,导致炮弹熔化。所以虽然理论上电磁炮速度可以很高,但现在的目标也就是2400米/秒,比脱壳穿甲弹也就多了700米/秒。氢气推动炮弹要达到2400米/秒的目标非常容易。

问题是如何把氢加热到3000度,一个办法是使用高压电弧,电弧加热和电磁轨道驱动的差别是:电磁轨道驱动需要低电压大电流,而大电流的传输很困难,会造成轨道发热。可是如果产生同样功率的话,提高电压则能降低电流,电热氢气炮的作用方式是用高电压低电流的电弧加热,没有轨道炮的那个缺点。关键的电源系统由超级电容储能模块并联组成,其电源系统体积孝效率高、寿命长(可发射10000次),采用高压电弧放电底喷式把氢气加热到3000度,可满足每秒钟3发的快速点射需要。高温氢气再加热炮管与电流从内部加热轨道是不同的,它是从外部加热炮管,作用时间只有0.0025秒,炮管可能还没热起来炮弹和氢气就飞走了。

实际上用氢气推进的气体炮已应用了数十年了,电热炮的研制早在1945年始于德国,设计者O.Muck,他是实际研制电热炮的第一人,他在此之前曾从事线圈炮和导轨炮的研制工作。1956年,美国通用动力公司的Yoler设计出一种多级加速结构的电热炮,可不断加速膛内弹丸。同年,一位名叫Bloxsom的人设计出另一种电热炮,并申请了专利和发表了论文,他采用电弧加热氦气的方案,把直径3mm的尼龙环加速到2.99km/s。

1960年,美国国防部发表了《电弧炮的研究报告》,并且由空军导弹局组织实施研制;在这种炮的药室内装有充作“发射药”的氢化锂,用已充电的电容器组向药室放电,结果把10mg的尼龙弹丸加速到4.9km/s。尽管以上的工作曾为电热炮的发展和研制工作作出了一定的贡献,但是由于当时的脉冲功率技术和其他相关学科水平的限制,以及人们急功近利地偏爱导轨炮,总希望完全脱离化学火炮的工作模式,从而冷落了电热炮的研究。直到前苏联、美国、前西德和以色列等在研究导轨炮和线圈炮的同时,从对比中发现了电热炮的实用性。此后,人们再次对电热炮热衷起来,并在技术上有了重大突破,使电热炮的发展在80年代得到转机。当初苏联曾在其FST-2坦克上实验了135mm口径的电热炮,据称初速已经达到2.5km/s,有可能在90年代电热炮先于导轨炮或线圈炮装备在类似FST坦克上。

现有的最大氢气炮是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的氢气炮,初速达4千米/秒,它保持着火炮的大多数世界记录,军米们知道的中美现有电磁炮炮弹速度远低于氢气炮。                 

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的氢气炮 

                          

王文清:超越电磁炮的化学能氢气炮

原理图 

  另一种办法是使用化学能加热氢气。比如氢和氧反应: 

H2 + 1/2O2 = H2O       E =-251kJ/mol

这个反应放出251千焦的热量。如果系统里加入过量一倍的氢气的话,那么这个反应热能把剩余氢气加热到多少度呢?水蒸汽的热容45.2J/mol.k  氢气的热容33.2J/mol.k。热容乘以温度就等于输入体系的能量,这里就是反应热。

E = CT 式中,E是反应热,C是气体热容,T是温度,那么反应过程中气体的问题是: T = E/C

计算结果是,如果把氧和过量一倍的氢输入炮膛,反应产生的热量能把反应产生的水蒸汽和剩余的氢气加热到3200K。这个温度的氢气能把炮弹推到6317米/秒。不过氢气和氧气不易储存,要放在高压钢瓶里,在战场上虽说不是不可以,但其实用性却受到很大限制。除了把氢和氧储存在钢瓶里外,也可以用金属氢化物储氢用过氧化钠储氧。

比如氢化镁MgH2在室温下是个稳定化合物,但温度升高到290度就分解了,生成金属镁和氢气。过氧化钠则在500度分解为氧化钠和氧气,只需通过装置把氢氧导入炮膛就可以用来发射炮弹。不过这个系统很复杂,只怕造价不低。简单的办法是直接把氢化镁粉末和硝酸铵粉末混合。

点燃这个混合物时会产生如下反应: 

3/5MgH2 + 1/5NH4NO3 = H2 + 1/5N2 + 3/5MgO   

E=-275.26kJ/mol

反应放出的热量比氢氧反应大得多,同时产生氢气。反应产物MgO热容 35.34J/mol.K,氢气的热容33.2J/mol.k, 氮气热容33.22J/mol.k。反应热可以把气体加热到4509K。在这个高温下,氢的平均速度7500米/秒,这个速度足可把炮弹送上绕地卫星轨道。这个反应的唯一问题是产生了固体物质氧化镁,这东西没有毒性,但却会造成烟雾,影响射击。如果用硼氢化镁代替氢化镁可以减少固体物的产生。

3/20Mg(BH4)2 + 1/5NH4NO3 = 3/20MgO+3/20B2O3 + H2 + 1/5N2    

反应产生硼酸氧化镁氮气和氢,反应热可以把气体加热到约3000K,也能把炮弹加速到6000米/秒。如果使用氨和硝酸铵反应则可以完全消除固体物质,产物是氢氮和水蒸汽。 

NH3 + 1/2NH4NO3 = H2 + N2 + 3/2H2O      

E=-190.28kJ/mol

水的热容45.2J/mol.k  氢气的热容33.2J/mol.k, 氮气热容33.22J/mol.k,反应可把气体加热到1478K。在这个温度下 氢平均速度4205米/秒,也足够把炮弹推动到2400米/秒。所以使用化学能也是能把炮弹发射到电磁炮的目标2400米/秒的,而系统不需笨重的电磁储能,和难以解决的高电流加热导轨的问题,不用像马大神搞的那个又大又笨的炮,一个就占了军舰的1/3位置。化学能氢气炮还是像一般炮一样用发射药推动炮弹,差别是通常的发射药里,氧过量,是个氧化系统,而氢气炮里,氢过量,是个还原系统,发射药除了产生热量外,还生成能把炮弹推到高速的氢气,国内官僚军工没有根据科学原理进行原创的能力,只会跟人屁股跑,在未来的战争中中国军队只怕还是缺乏靠技术优势发动出奇不意的攻击的能力。

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