“真理的范围”

都说“真理在大炮的射程之内”，如果大炮射程不够远怎么办？想办法扩大射程呗！

自人类发明火炮开始，军事家们就一直致力于将更大更重的炮弹射到更远的地方，以造成最大限度的破坏，你拥有这样的火炮越多，就越可能掌握战争的主动权。当我能打到你而你却打不着我时，你的选择除了投降就是灭亡，于是炮兵被尊为“战争之神”。

M198榴弹炮射程22.4公里

实战中炮弹最远能打到多少公里？这个记录还得追溯到100年前，在1918年第一次世界大战时，德国克虏伯钢铁公司生产的211毫米口径“巴黎大炮”能将106千克重的炮弹打到130公里远的巴黎城内，这给法国人造成了很大恐慌。在此后的100年间，*火军**商们造出了许多更重的炮弹，却再也没有拿出射程更远的大炮，取而代之的是昂贵的火箭增程型炮弹和导弹。

“巴黎大炮”和遗弃的巨大炮座

相比于炮弹，导弹可以准确命中几千公里远的目标，它造成的破坏也更大。导弹的缺点也很明显，它更贵，即便是对于军事强国而言它也是一种奢侈的消耗。

有没有一种射得更远、打得更准的大炮，可以很便宜地延伸“真理的范围”呢？科学家将目光投向了电磁力。

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用电磁线圈产生的洛伦兹力来推动弹丸，造一种全新的不需要*药火**的大炮。维勒普雷的设想在当时来说过于超前，以至于到了第二次世界大战时才被德国人重视并开展*器武**化研究。1944年，德国科学家试图造一种每分钟发射12发0.5千克炮弹、膛口速度达6倍音速的高射炮，利用动能碰撞来击落敌机，最后没搞成。

电磁炮原理

自1980年*开代**始，美、英等国开始研究电磁炮，希望获得一种出膛速度达2500米/秒（约7马赫）的炮弹，因为更快的速度可以使炮弹拥有更高的动能、可以飞得更远，还可以省钱。

传统的火炮依靠*药火**爆炸产生的气体来推动，这限制了炮弹的速度——膨胀的*药火**气体最多只能使炮弹加速到1500米/秒（4.5马赫），同时大部分火炮的射程也只在80千米之内。相比之下，电磁炮少了化学能的限制，只要电力足够，理论上它能将弹丸加速到20倍音速甚至更快。

炮弹出膛瞬间速度最快

2008年初，美国海军测试了一型电磁炮，炮口动能10.6MJ，弹丸速度达2520米/秒；2010年底，炮口动能提升到33MJ；2014年，美国海军计划将电磁炮装到DDG-1000朱姆沃尔特驱逐舰上，它能以7马赫的炮口速度发射10公斤重的动能弹，然而在数年的努力和耗费20亿美元之后宣布放弃。

朱姆沃尔特可以提供总共78兆瓦的电能，电磁炮需要25兆瓦，供电本不是问题。但电磁炮需要许多内部空间来安装大容量的充电电容、无法连续高强度发射、炮管过快磨损、电枢气动弹跳等一大堆问题没办法有效解决，炮弹的射程又只有16公里，最后DDG-1000不得不用回传统火炮。

DDG-1000电磁炮计划流产

你可能产生疑问，电磁炮炮口动能达33兆焦耳，炮口速度也达到了7倍音速，为什么它的炮弹射程只有十几公里？这不科学呀！我们接下来重点分析电磁炮弹的射程。

电磁炮真能打到300公里吗？

答案是：几乎不能。

到目前为止已经公开的最先进电磁炮，它只能把10千克的炮弹射到16公里，这主要是因为空气阻力影响。

当炮弹从炮口射出，它有一个向前的动能。与此同时，炮弹在向前飞行的过程中还主要受到两个力的影响：地球的引力作用会把炮弹往下拉；空气的阻力会阻碍炮弹向前运动。

电磁炮弹需要一个可导电的弹托推动

与普通炮弹不同，电磁炮的炮弹是有弹翼的。这是因为电磁炮的出膛速度极快，无法通过膛线使炮弹绕纵轴自旋的陀螺效应力来保持姿态稳定。为了不在飞行中发生翻滚，需要在炮弹的后部安装稳定翼，以使其尖端始终向前。由此带来的负面作用是增加了炮弹的表面积，并更容易受侧向风的影响导致偏航。

炮弹在超音速飞行的过程中一方面剧烈压缩前方的空气产生激波，同时空气分子还与炮弹表面强烈摩擦，摩擦作用产生皮肤摩擦阻力并释放大量热能。一般而言，物体在流体中运动所受到阻力的大小符合阻力方程：

超音速炮弹激波以及空气阻力方程

由上面的方程我们可以看出：

炮弹受到的空气阻力与空气密度ρ有关，空气越稠密，阻力越大；

CD是阻力系数，它取决于炮弹的形状、表面积以及光滑程度等因素；

A是投影面积，细长的炮弹正面投影面积较小，阻力也小一些；

v是炮弹飞行的速度，空气阻力的大小与速度的平方成正比，炮弹的速度越快，空气阻力会呈指数级增加。

由此我们可以发现一个悖论：对于同样重量的电磁炮弹，要想射得更远就需要赋予它更高的初速度，而更高的速度意味着更大的空气阻力，于是炮弹飞行中速度下降得也越快。这就是电磁炮弹飞不远的原因，它的速度在空气中被很快地衰减，其自身的重量又很轻，因此动能也随着速度的下降而极大削弱。

试想一下，你以7倍音速扔一枚绣花针，它能飞多远呢？它太轻，飞不了多远。

如何提升电磁炮的射程？

我们先从一张弹道曲线图来看看炮弹的发射初速度、动能、空气阻力与射程之间的关系：

炮弹速度与空气阻力的关系

由上图可以看出，当质量不变时，发射初速度倍数增加并不能带来射程呈倍数增加，影响它的最主要因素是空气阻力。要想有效增加炮弹射程，首先要增加炮弹质量m以提高其动能Ek，其次要降低空气密度ρ以减小空气阻力Fair。

本文开头提到“巴黎大炮”的射程达到130千米，它的弹丸质量106千克，炮口动能达142.5兆焦耳；同时弹道最高可达42.3千米高的平流层，这里空气稀薄，因此它的弹道更加接近抛物线，可以飞到更远的地方。

类似的例子还有依阿华战列舰上的16英寸主炮，它能将850千克重的弹丸发射到39千米距离，炮口动能达到571.5兆焦耳，是“巴黎大炮”的4倍！

战列舰主炮和它巨大的炮弹

由此我们可以得出结论，电磁炮之所以无法提高射程，最主要的原因还在于其输出的动能不足，尽管炮弹出膛速度达7倍音速，但10千克重的小弹丸飞不了多远，从这个角度看“天下武功，唯快不破”是存在局限的。

电磁炮弹仅10千克重

要想将电磁炮弹从军舰发射到更远的地方，去击穿300公里外航母甲板，我们需要采用更重的弹丸，这意味着更大的撞击动能和更高的输入功率。根据美国海军的计算，它的撞击能量须超过64兆焦耳，发射这样一枚炮弹至少需要6兆安培电流。这在可以预见的未来是无论如何都达不到的。