這是一個標籤話題,可以說是大家相當關心的話題。先說一句讓全國人民放心的話——我國電磁技術在世界上是領先的。這裡的電磁技術並不僅僅是現在大家都在盼著在002型航母上所使用的電磁彈射技術。而是在目前所有電磁應用方向上咱們都是完全領先的。
但首先要簡單科普一下:“電磁技術”這個說法本身是有相當大的誤導性的。並不是說以電磁驅動的直線電機技術,更多的方向其實是材料學技術,和電磁相關性並不是特別的大。原因就是世界各國如果在“電磁”這個領域發展通一個大電流,搞一個高儲能裝置都並不是什麼太難的事情。但導體在大電流作用下高速運動目前來說沒有什麼材料是可以扛得住的。
說到導體大電流其實最常見的東西就是電焊了:
這是一種低壓大電流的運作方式。但是大家可以發現在電焊槍頭部和工件接觸的部分由於電流極大導致高溫可以融化掉焊接材料。
電磁炮的原理簡單地說就是在大電流下磁場中的導體獲得了洛倫茲力,被推出。但要知道的是——電磁炮的炮彈也好、電磁彈射的滑塊也罷都是和導軌有間隙的。這就導致了在通入足夠大的電流的時候,這些間隙會有電燒蝕的現象產生。
“燒蝕”就成為了很多國家電磁技術難以跨越的一個門檻。簡單地說個例子,在1980年美國西屋就建造了一門試驗性的電磁炮。
這是星球大戰計劃的一個部分,但這門電磁炮相當的簡單,有一個長度10米重量達到3噸的導軌。
這個導軌本身是以純銅製作的。在發射的時候大約50萬安培的電流會從一個導軌上接觸的炮彈一端傳入到另一個導軌。這時候炮彈受到洛倫茲力的作用向前行進。最終會以4000米/秒的速度飛出。
這是一個最基本的電磁炮設計,80年代的美國就可以完成了,但是到了2004年美國海軍開始研發電磁炮的時候也還是止步於此,甚至美國海軍電磁炮的初速度也僅僅是馬赫7(2300米/秒)還比80年代的產品要大打折扣——原因就在於燒蝕問題。
巨大的電流在導軌上形成了長度達到半英寸的燒蝕坑。這就導致了一根導軌在發射一枚炮彈後就很難繼續工作了。炮彈和發射藥的費用倒是可以節約下來了,但是“炮管”就需要打一炮換一根了,這最終導致了美國海軍的電磁炮專案下馬。
至於西屋的1980年代的銅導軌,其實也折在了導軌燒蝕問題上。可以說美軍在近40年的研究過程中都在原地踏步。
如果說初速度最牛的電磁炮其實是日本,達到過7000米/秒的初速,只不過彈丸的重量是15克。這是日本人在取巧。但日本也沒有真正攻克導軌燒蝕的問題依舊舉步維艱。
中國的導軌燒蝕問題其實功績並不應該給老馬(馬偉明),而是西北有色金屬的攻關結果。只不過老馬是這個專案的帶頭人,所以高光忽略了西北有色金屬研究院。
可以說,凡是和電磁導軌有關的研發咱們的西北有色金屬研究院都是最基本的基石。這也是老馬能說出“要領先就領先美國”這樣豪言壯語的基礎。
咱們是怎麼做的呢?其實是在咱們的導體合金內加入了金屬鉍。
這是一種發現了很多很多年但是一直沒有真正找到用途的五價後過渡金屬。天然擁有反磁性,同時還是導熱率最低的金屬元素。在我們的導軌上添加了鉍元素後,咱們才真正地解決了電磁導軌燒蝕的問題。這就是我們能領先國外同行的一個根本所在。更詳細的可以去看西北有色金屬研究院的論文,這個事情現在到並不是一個機密。當然了製備技術和具體成分貌似國內真正知道的人並不多。
導軌是架子。但只是提供了一個能夠持續使用的架子。飛機、炮彈都可以透過這個“架子”來拋射出去,甚至我們也在研製直接入軌系統,依舊是使用這種加長的架子來發射衛星。但是能量還是電磁炮的核心所在。這個門檻德國做得最好,我們其次。
上面是德國的超導線圈儲能器,可以儲存200千焦的電能。這個東西和電池或者電容器不同,它可以以最快的速度充放電。可以直接滿足電磁彈射或者電磁炮對大量電能的需求。
咱們華中科技大學現在有84千焦的產品。看著是不是比德國的小了很多呢?但是咱們的避免了德國儲能系統在充放電時候所產生的攻略震盪問題。而且體積要遠小於德國產品。
當然了非得槓能量大小不同是不對滴。世界上最大的高溫超導儲能器出自俄羅斯,戰鬥民族搞了一個200兆焦的。但是體積巨大,除了給城市電網儲能之外,很難搬到航空母艦或者軍艦上給飛機彈射或者發射電磁炮炮彈。這個尺度和功率的問題大家有概念了吧?
在電磁系統中不僅僅要有儲能和導軌,另外更重要的是電能的傳輸——對,就是電線,這件事就不是咱們家庭裝修用個4平方的線就結局一切問題了。而是用的超導電纜。
電纜是北京英納的,但這個“北京雲電英納超導電纜有限公司”恰恰是咱們雲南電力研究院的產業。雖然掛牌民營,但是技術上還是有國家研究院參與的——線纜還是高溫超導體。
讀到這裡你可能就能明白,電磁技術並不僅僅是電力驅動磁鐵滑動,而是一個複合專案。面對這種專案的時候咱們其實比西方國家都有優勢。主要的原因在於咱們是可以協調各個不同的研究院、大學、科研機構甚至民營公司一起來從各個方面提供支援。相反例如美國海軍電磁炮系統是由通用來主導的,一家公司做不到任何方面都強強,如果需要在美國的研發過程中需要一種技術就需要向擁有這種技術的另一家公司取得授權或者購買相關產品。這就是一個系統整合的工作,而不是像咱們是從根上的產品研發。對於複雜的高科技武器系統其實咱們是更佔有體制優勢的。
所以領先其他國家並不意外。