紀永添專欄:電光火石之爭──電磁砲與雷射砲誰能勝出?   

紀永添 2024年01月21日 07:00:00
雷射砲被視為軍武界的明日之星(圖上),但電磁砲(圖下)做為未來海軍艦艇的武器已不再是夢想。(合成圖片)

雷射砲被視為軍武界的明日之星(圖上),但電磁砲(圖下)做為未來海軍艦艇的武器已不再是夢想。(合成圖片)

日本防衛省下轄的防衛裝備廳(ATLA)與海上自衛隊,日前進行了史上首次的電磁砲(Railgun)海上試射,讓電磁砲的實用化又向前邁進了一大步。過去電磁砲的試射都是在陸地上進行,因為電磁砲需要很大的電力支援,裝置本身又非常的龐大,為了發射高速彈頭,整個軌道結構也必需強化,牢牢固定在地面上。日本成功在船艦上試射電磁砲,代表已有能力解決電力、體積與結構的問題,同時在發射電磁砲的瞬間,產生的強大磁場,也不會干擾船艦儀器的正常運作。證明讓電磁砲做為未來海軍艦艇的武器已不再是夢想,算是為電磁砲扳回了一城。畢竟在美國終止電磁砲的研發計畫後,這種仍在發展中的軍事技術,一度被認為已遭淘汰,將由定向能武器(Directed Energy Weapon , DEW)勝出,特別是其中的雷射砲,被視為是最有希望的明日之星。

 

 

射速快、成本低、不使用火藥

 

各國會相繼投入電磁砲與雷射砲的研發,在於傳統火砲系統有非常多缺點。除了會發出極大的聲響,曝露自己的位置外,還非常的危險,保存不良或製造時就有瑕疪的彈藥,很容易造成膛炸,導致人員死傷。此外還有射速慢,砲管的使用壽限短,發射成本昂貴,彈藥笨重不易運輸等問題,特別是精確導引彈藥開始出現以後,一枚數萬美金的價格,是非常沉重的負擔。相較之下,電磁砲與雷射砲有諸多的優點,比如射速快,每一發的成本極為便宜,由於不會使用火藥,不只不會有膛炸的問題,更省去彈藥保存與使用期限等麻煩後勤事務。這讓電磁砲與雷射砲成為新寵,過去二、三十幾年來,有許多技術突破,其中又以軍事科技實力最強的美國,進度最為領先。不過電磁砲與雷射砲兩者的原理完全不同,各有優劣,也成了兩陣營互相競爭的關鍵。

 

電磁砲的運作原理如同磁浮列車,也稱為軌道砲。(圖片摘自維基百科)

 

電磁砲的運作原理如同磁浮列車,將金屬彈頭在瞬間加速到非常快的速度,發射出去,因此需要一個加速軌道,這也是電磁砲英文稱為軌道砲的由來。雷射砲則是以高能量雷射,燒穿目標表面,達成破壞的效果,單純只有光能,沒有實體的彈頭。但這兩者的最大缺點在於非常耗電,要產生極強大的磁場加速彈頭,需要充沛的電力,而要讓雷射能燒穿目標,更需要將大量電能轉換為光能。過去無法將這麼龐大的發電裝置,安裝在一般的車輛、船艦或飛行器上,因此電磁砲與雷射砲一直無法實用化,是最難以克服的技術瓶頸。不過雷射砲從電能轉換成光能的效率,這幾年進步的非常快,讓功率較小的雷射砲,開始能裝在車輛、海軍艦艇與大型運輸機上測試,不過電磁砲的軌道卻難以縮小,因此略遜一籌,這也成為美國中止電磁砲研發的原因之一。

 

美國的電磁砲研發計畫以海軍為主,遠從2005年開始就投入資金,委由通用原子公司(General Atomics)與英國航太(BAE)集團,發展能夠安裝在艦艇上的電磁砲。但一開始的原型系統,性能與穩定性都不佳,許多關鍵性的技術問題無法解決,原本預計要在2016年上艦測試,2020年服役,最後卻無法達成。而且除了雷射砲的強力競爭外,俄羅斯與中國積極投入高超音速(Hypersonic)飛彈的研發,使美國處於落後的情況,為了要迎頭趕上,美國三軍大舉投入高超音速飛彈的研發,也造成了預算的排擠效應。由於高超音速飛彈的最大特點,與電磁砲一樣,都是以數倍音速飛行的彈頭進行攻擊,兩者有重複投資之嫌。最後美國海軍拍板決定選擇高超音速飛彈,在2021年編列預算時,取消讓電磁砲繼續發展的下年度經費,無疑放棄了電磁砲。

 

電磁砲具備的強大破壞力

 

在電磁砲的發展似乎陷入困境之際,日本卻宣布不會放棄自己的計畫,而讓電磁砲留下一線生機。日本的起步雖然比較晚,防衛裝備廳在2016年才開始投入電磁砲的研究,但日本在磁浮列車的技術上,非常成熟,並已投入營運,在工程材料方面,亦有深厚的基礎。另一個意外原因,是動畫產業非常蓬勃的日本,曾出現過以電磁砲為主題的流行作品,雖然內容中的電磁砲,與真實世界完全沒有任何關係,卻讓冷門的軍事名詞變的家喻戶曉,這在某種程度上為日本繼續投資電磁砲,提供了一定的助力。日本發展出來的電磁砲重量達8噸,砲管內的軌道長度為6公尺,最少可發射120發,能讓40公釐口徑的金屬彈頭,以6.5倍音速射出。雖然軌道磨損的問題,還有待進一步改善,但隨著未來技術的成熟,與材料科學的進步,應該可以逐步解決。

 

電磁砲的運作原理為利用電磁力在砲管內加速彈藥推進,使彈藥在脫離砲管時,能達到最大初速。(圖片摘自自日本防衛省)

 

日本不放棄電磁砲的原因,很可能與電磁砲具備的強大破壞力有關。因為與雷射砲相比,採用金屬彈頭的電磁砲,即使彈頭的口徑不大,但在數倍音速下擊中目標時,具有極大的穿透力。相較之下,雷射砲雖然也能燒毀目標的表面,達到破壞的效果,但速度較慢,表面越厚實,所花費的時間就越多。由於多數的飛行器為了減輕重量,機身蒙皮都很薄,雷射砲可以輕易燒穿,但如果是海上艦艇或地面車輛,擁有金屬船身或車身,就不是雷射砲可以輕易破壞的了。特別是裝甲車與主力戰車,一般的小口徑火砲都難以穿透,雷射砲就更沒有辦法了。但電磁砲卻可以輕易擊毀一般的裝甲車,對於採用厚重複合裝甲與各種反應裝甲的新一代主力戰車,雖然還是力有未逮,不過若能繼續發展下去,隨著口徑變大,發射速度更快,有很大的潛力能取代戰車砲。

 

因為裝甲與反裝甲武器的競爭,已來到了極限,目前主流的120公釐戰車砲的發射成本極高,單枚砲彈的重量幾乎已達到一般士兵能徒手搬運的上限。許多國家因此選用自動裝彈機,但仍無法解決主力戰車能攜帶的彈藥越來越少,砲管又會快速磨損的問題。相反的,複合裝甲越來越進步,主動式防護系統(APS)也慢慢嶄露頭角。雖然現有的主動式防護系統,還無法有效反制速度最快的脫殼翼穩穿甲彈(APFSDS),但以目前的發展速度,這應該只是時間早晚問題。在這種情況下,許多人認為傳統戰車砲已走到盡頭,未來的希望是電磁砲,畢竟技術更成熟後,體積應該可以縮小到安裝在戰車底盤上。電磁砲屬於動能彈,其強大的破壞力能輕易貫穿新型的複合式裝甲,且不易受反應裝甲影響,射速又快,主動式防護系統也不易攔截這麼快的彈頭。

 

戰車的未來希望是電磁砲

 

電磁砲這種射速快、彈頭速度更快的特點,遠勝傳統火砲,也讓電磁砲成為下一代近迫武器系統(Close-In Weapon System)的首選,因為接下來的最大威脅是無人機與高超音速飛彈。無人機的速度慢,但因為有價格便宜的優勢,可進行飽合式的蜂群攻擊。傳統的近迫武器系統,一方面很難全部攔截,同時攔截的成本會很高,但電磁砲射速快與發射成本低廉的優勢,能有效反制大批無人機。至於高超音速飛彈的終端速度極快,已超過傳統近迫武器系統的攔截能力,然而電磁砲的彈頭飛行速度也很快,在射控系統更為進步後,有機會成為反制高超音速飛彈的攔截系統。就因為電磁砲的發展性極大,日本才會堅持研發這種技術,不過在許多層面,雷射砲仍佔有絕對優勢,電磁砲是否能突圍而出,恐怕還需要經過一場激烈的競爭,才能分出最後勝負。

 

 

畢竟雷射砲的射速比電磁砲快更多,只要電力充足,射控與機械系統的速度可以跟得上,雷射砲能在一秒鐘內發射數百次、數千次,兩者根本不能相比。電磁砲的彈頭速度可達數倍音速,但雷射是光速。雷射是純能量,不需要彈頭,不會耗損軌道,每發射一次的成本,又比電磁砲更低。這些特性讓雷射成為反制無人機的利器,面對敵方的低成本飽合式蜂群攻擊,雷射砲能用極便宜的價格,快速擊毀所有威脅。面對高超音速飛彈,雷射砲一樣擁有絕對優勢,高超音速飛彈的彈頭再快,也絕對沒有光速快。而且雷射不受地心引力影響,只能功率夠大,理論上射程無遠弗屆,可在高空干擾或低空攔截高超音速飛彈。甚至用地面上的雷射系統,干擾太空衛星的技術也在起步中,這代表未來的雷射砲將有能力在大氣層邊緣,直接攔截來襲的高超音速飛彈。

 

雷射砲技術的附加價值大

 

長遠來說,雷射砲技術的附加價值大,還可用於許多領域。如增強雷射威力的方法之一,是將數道雷射光結合起來,以加大破壞力,但反過來也能暫時關閉其中一部分,讓雷射砲變成非致命性的干擾武器,視情況來調整電射砲的威力,以執行各種任務。另外以雷射進行遠距充電的技術,也在快速發展,未來可由地面或空中加油機為飛行中的無人機充電,使無人機的航程突破限制,甚至是幫太空軌道上的衛星充電,讓太空武器成真。或是反過來,由無人機為前線據點的各種設備充電,使作戰部隊不必再為電力問題而苦惱。雷射技術的諸多應用,直接或間接地推動雷射砲的發展,不過雷射砲仍無法完全取代動能彈的所有功能,畢竟有些破壞工作,還是要依賴堅硬的金屬彈頭,而且應該會持續很長一段時間,讓電磁砲能佔有一席之地,繼續發展。

 

值得注意的是日本雖然不放棄電磁砲的計畫,但同時也投資雷射砲的發展,厚植自己的技術實力。可以這麼說,日本雖然受限於和平憲法,軍事發展受限,但一直很努力推動國防自主,在關鍵領域大舉投資。比如過去不惜代價發展F-2支援戰機,現在雖然已採購F-35匿蹤戰機,仍與英國合作發展新型戰機。海上自衛隊的艦艇幾乎完全達成國造的目標,水下潛艦部隊也採取每年下水一艘、退役一艘的方式,來維持最新的技術與造艦能量。其中一個最好的例子,是先發展噸位較小的日向級直升機護衛艦,掌握全通式飛行甲板的操作技術,下一步再興建噸位更大的出雲級直升機護衛艦,並預留了改裝的空間。等到時機成熟,就能很快將二艘出雲級直升機護衛艦,升級成輕型航空母艦。日本這種低調發展,長期投資的模式,很值得台灣學習與效法。

 

※作者為軍事研究者

 




 

 

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