粒子束武器

粒子束武器

粒子束武器是利用加速器把質子和中子等基本粒子加速到數萬-20萬km/s的高速,並通過電極或磁集束形成非常細的粒子束流發射出去,用于轟擊目標。按粒子是否帶電可分為帶電粒子束武器和中性粒子束武器。粒子束武器在太空可以破壞數十公裏以外的目標,在大氣中隻能攻擊數公裏以外的目標。

21世紀,武器的發展已經進入原子和分子世界,核武器就是套用了原子理論。原子物質中央的質子帶正電,電子帶負電,中子是中性的。被稱為粒子的物質是指電子、質子、中子和其它帶正、負電的離子。粒子隻有被加速到光速才能作為武器使用。粒子束發射到空間,可熔化或破壞目標,而且在命中目標後,還會發生二次磁場作用,對目標進行破壞。

粒子束武器發射出高能定向強流、接近光速的亞原子束(帶電粒子束和中性粒子束),用來擊毀衛星和來襲的洲際彈道飛彈。即使不直接破壞核彈頭,粒子束產生的強大電磁場脈沖熱,也會把飛彈的電子設備燒毀,或利用目標周圍發生的γ射線X射線使目標的電子設備失效或受到破壞。帶電粒子束武器在大氣層內使用。中性粒子束武器在大氣層外使用,主要用于攔截助推段和中段飛行的洲際彈道飛彈。

  • 中文名稱
    武器
  • 外文名稱
    wuqi
  • 粒子束武器
    基本粒子加速 粒子束流發射

種類

俄美中正在研究的粒子束武器有兩種,一種是地基帶電粒子束武器,一種是天基中性粒子束武器。

粒子束武器按武器系統所在的位置不同,可分為陸基、艦載和空間粒子束武器。陸基粒子束武器主要設定在地面,用于攔截進入大氣層的洲際彈道飛彈等目標,擔負保護戰略飛彈基地等重要目標的任務。艦載粒子束武器設定在大型艦艇上,主要用于保衛艦船免受反艦飛彈的襲擊。空間粒子束武器設定在空間飛行器上,主要用來攔截在大氣層外飛行的飛彈和其他空間飛行器。

組成

無論是帶電粒子束武器還是中性粒子束武器,作為一種武器系統,它們主要由五大部分組成:粒子束生成裝置,能源系統,預警系統,目標跟蹤與瞄準系統,指揮與控製系統。其中,最能說明該武器特征的部分是粒子加速器和能源系統,現簡要介紹如下:

1、粒子束生成裝置

前蘇聯陸基雷射反衛星武器攻擊示意圖前蘇聯陸基雷射反衛星武器攻擊示意圖

高能粒子束生成裝置是整個粒子束武器系統的核心部分。它用來產生高能粒子束,並聚集成狹窄的束流,使其具有足夠的能量和足夠的強度。

粒子束生成裝置,主要包括粒子源、粒子註入器、加速器等設備。其中最主要的是研究適合武器使用的高能粒子加速器。感應直線加速器、電子感應加速器、射頻直線加速器都有可能作為高能粒子加速器。現有民用粒子加速器的技術雖可借鏡,但由于它過分笨重,根本無法作為武器系統使用。美國費米國家實驗室使用的5000億電子伏特質子加速器,僅其中主加速器的直徑就達2千米左右,它的兩極轉彎磁鐵,每塊長6米,重13噸;4級聚焦磁鐵長2米,重約4噸;兩種磁鐵加起來有1000多塊,共同構成一個周長達6千米之多的大環,安放在地下6?米深的隧道中。

2、能源系統

能源系統是粒子束武器各組成部分的動力源,它為武器系統提供動力,可以認為是粒子束武器的"彈葯庫"。對以脈沖形式工作的粒子束武器,一般的發電機,一般的供電方法,是不能滿足需要的。要把大量的帶電粒子加速到接近光速,並聚集成密集的束流,需有強大脈沖電源。有的資料介紹,要用粒子束流在飛彈體上燒熔一個小孔,需要粒子束到達目標時的脈沖功率為10^13瓦,脈沖能量為10^7焦耳。按照這種需要計算,假如加速器的效率能達到30%的話,即使不考慮傳輸中的損失,也要求脈沖電源的功率至少為3×10^13瓦。這個功率相當于3萬個100萬千瓦的電站的總功率。也就是說,在同一瞬間(假設為10^(-5)秒),要求這3萬個電站同時向該武器系統提供電力。當然,這是不可能的。而截止2013年研究的特種發電機的脈沖功率僅能達到10^7瓦,離要求相差甚遠。看來,就現在的電源水準,根本無法達到那樣高的功率要求。因此,必須另闢蹊徑,圖謀良策,採用新的供電方法。新的供電方法是,在武器工作之前將能量先儲存起來,一旦使用,便能在極短時間內釋放出巨大的能量,毀傷破壞目標。美國、俄羅斯正在加緊研製新的儲能設備和新的脈沖電源。

原理

基本原理

大氣層內的帶電粒子束,其特點是粒子束流為電子束流,而不是中性束流。在大氣中,它雖有衰減,但可以傳導而且宜于使用。在大氣層外的真空狀態,由于帶電粒子之間的斥力,帶電粒子束會在短時間內散發殆盡,因此中性粒子(中子)束更適合在外層空間使用。

粒子加速器透視圖粒子加速器透視圖

粒子束武器一般由粒子加速器、高能脈沖電源、目標識別與跟蹤系統、粒子束精確瞄準定位系統和指揮控製系統等組成。

加速器是粒子束武器的核心,用來產生高能粒子,並聚集成密集的束流,加速到使它能夠破壞目標。目標識別與跟蹤系統主要由搜尋跟蹤雷達、紅外探測裝置及微波攝像機組成。探測系統發現目標後,目標信號經資料處理裝置和超高速電腦處理後,進入指揮控製系統,根據指令,定位系統跟蹤並瞄準目標,同時修正地球磁場等的影響,使粒子束瞄準目標將要被擊毀的位置,然後啓動加速器,將粒子束發射出去。

1.帶電粒子束加速器

一般使用線性鐵氧體磁場感應加速器來產生高速電子束,絕對速度為每秒30萬公裏。俄美研製的地基粒子加速器均為質子加速器,其基本原理是: 首先把電子束發生器產生的電子進行加速,然後在高頻振蕩裝置上振動,再在離子發生裝置上把進來的質子用電子包圍起來,使其進入離子加速裝置進行加速,質子因接收能量而加速。在接近出口時,把電子去掉,利用磁場使之變成尖銳的高能定向束流,隨後把質子束向空間發射出去。

能夠有效對付彈道飛彈的粒子束武器系統能夠有效對付彈道飛彈的粒子束武器系統

2.中性粒子加速器

利用對原子進行加速的方法,製造出中性粒子,然後聚集成尖銳的高能定向束流,以接近光速的速度發射出去,擊毀目標或使其失效。

美國研究產生中性粒子的方案是:將負離子在加速器中加速並聚集,在加速器的出口處去掉多餘的電子,變成中性氫原子束發射出去,並且要求這一過程確保氫原子束的質量和能量。

中性粒子束武器要進入作戰使用,必須有一定數量的衛星進行早期預警和探測。預警衛星將探測目標的資料送往地面站,需要特定衛星網和慣性導航系統來即時測定衛星和目標的位置,以及在衛星的任何方向上都能瞄準目標的姿態控製系統。

破壞機理

粒子束武器的破壞機理是動能殺傷和γ、X射線破壞。粒子束不受雲、霧、煙等自然環境和目標反射的影響,也不會因目標被遮蔽或受到幹擾而失效,其全天候和抗幹擾性能較好。粒子束直接穿入目標深處,不需要維持一定時間,有利于攻擊多目標。如果粒子束沒有直接命中目標,則會在目標周圍產生γ、X射線,造成第二種傷害和破壞。

難題

地基粒子束武器要解決在大氣層中的傳輸距離問題,中性粒子束散焦度低,要產生達到破壞未來加固目標所需要的1020~1021J/sr的亮度非常困難。由于中性粒子束不能穿越大氣層,因此隻能裝在衛星上,所以減小加速器尺寸和重量就成為另一難題。另外還要研究中性粒子破壞目標內部設備的機理。

地基粒子束武器要從地面發射粒子束,需要有足夠的射程。天基粒子束武器要在外層空間作戰,在監視和跟蹤系統方面,對感測器要求極高,而且需要適合于部署在空間的尺寸和重量。20世紀80年代前蘇聯在哈薩克的薩雷沙甘建設的粒子束加速器佔地約四個足球場大小,美國的粒子加速器也有一幢樓那麽大,因此天基部署難以實現。

蘇聯陸基雷射反導武器(資料圖片)蘇聯陸基雷射反導武器(資料圖片)

粒子束武器的原理並不復雜,但要進入實戰難度非常大。首先是能源問題。粒子束武器必須要有強大的脈沖電源。要在飛彈殼體上燒個小孔,粒子束到達目標的脈沖功率須達到1013W,能量為107J。假設粒子加速器的效率為30%,即使不考慮粒子束在傳輸中的能量損失,加速器脈沖電源功率也至少要達到3×1013W,而在研的最先進的脈沖電源的功率隻有107W。中性粒子束武器實用化最關鍵的脈沖電源功率技術是連續波甚高頻(VHF)射頻源。

優缺點

優點

粒子束武器的速度接近光速,所以具有雷射武器的優點,可以隨時射擊目標,也能靈活調整射擊方向,又可同時攔截多批多個目標。隻要能源供應充足,能連續戰鬥。此外,粒子束武器不受氣象條件的限製,未來戰爭中,它即是稱職的衛士,又是超級殺手。

粒子束武器的研製難度比雷射武器大,但作為天基武器比雷射武器更有前途。其主要優點是:

(1)不用光學器件(如反射鏡);

(2)產生粒子束的加速器非常堅固,而且加速器和磁鐵不受強輻射的影響;

(3)粒子束在單位立體角內向目標傳輸的能量比雷射大,而且能貫穿目標深處。

缺點

粒子束武器的缺點主要有:

(1)帶電粒子在大氣層中傳輸時,由于帶電粒子與空氣分子的不斷碰撞,能量衰減非常快;

(2)帶電粒子在大氣中傳輸時散焦,因此在空氣中使用的粒子束,隻能打擊近距離目標,而中性粒子束在外層空間傳輸時也有擴散;

(3)受地球磁場的影響,會使光束彎曲,從而偏離原來的方向。

(4)需要大量的能量。

發展

1975年以來,美國預警衛星多次發現大氣層上有大量帶有氚的氣體氫,認為可能是發射帶電粒子束造成的。1976年,美國預警衛星探測到前蘇聯在哈薩克的沙漠地帶進行了產生帶電粒子束的核聚變型脈沖電磁流體發動機的試驗。對粒子束武器的研究,前蘇聯是從1974年開始的,美國是從1978年開始的,20世紀80年代中期開始在實驗室進行理論驗證。

20世紀70年代中期以來,前蘇聯在電離層和大氣層外的宇宙系列衛星、載人飛船和禮炮號空間站上進行了8次帶電粒子束傳導方法試驗;在列寧格勒地區進行過粒子束武器的地上試驗,試驗裝置有線性電磁感應加速器、γ射線儀器、X射線儀器、磁力存儲器和多頻道超高壓開關等,而且進行過帶電粒子束對洲際彈道飛彈、宇宙飛船以及固體燃料目標的照射試驗。1978年,前蘇聯在東德製造了使用1000GeV質子加速技術的0.5MV、80J、16層7列的粒子束產生裝置。

美國海軍在20世紀70年代建立了開發粒子束武器的蹺板計畫,研究用帶電粒子束攔截飛彈的核彈頭。美國國防部在1981年設立了定向能技術局來開發粒子束武器和雷射武器,從1981財年開始實施預算額為3.15億美元的5年開發計畫。粒子束作為武器使用時必須兼備大電流和高能量以及數兆瓦的能源,它要在現有的基礎上,功率增加幾千倍,甚至幾萬倍。粒子束擊中目標後,放出電子,質子直穿而入,待能量耗盡後停止。100MeV的中性氚束對各種物質的垂直穿透深度為:固體推進劑9.5cm,鉛3.3cm,鋁0.8cm。

美國已確定粒子束武器的潛在用途是攔截飛彈、攻擊衛星以及在敵防區外實施踩地雷等。截止2013年,產生粒子束的方法是利用線性電磁感應加速器,但由于加速器太笨重,無法投入戰場使用。美國在基礎研究中主要是抓緊研究適于部署在地基和天基反導平台上的小型、高效加速器及其技術。美國利用線性電磁感應加速器產生粒子束,通過同一加速器,連續再迴圈脈動的粒子束,以便讓粒子束在現有的小型加速器中環流,把能量逐漸加到每次通過的粒子上。美國陸軍彈道研究試驗室稱,尚需進一步證實小型環流電磁感應加速器的原理。這種加速器能否投入戰場使用,加速器的尺寸和重量是關鍵因素。美國還研製過一種實驗加速器裝置,其尺寸不大于一個辦公桌,這是部署在外層空間可以接受的尺寸。

因為存在一系列技術難題,盡管俄美都在積極研究粒子束武器,但地基和天基粒子束武器截止2013年尚處于實驗室的可行性驗證階段,估計2020年以後有可能進入實戰部署。美國已做的基礎工作包括:進行粒子束產生、控製、定向和傳播技術理論驗證和實驗室的試驗,用加速試驗台進行試驗,驗證中性粒子束方案的可行性,同時探討帶電粒子束方案。按照美國的天基粒子束武器方案,氫原子束的能量為200MeV,武器重量60t,用以攔截大氣層外助推段和中段飛行的洲際彈道飛彈的彈頭。

套用

表現

粒子束的毀傷作用表現在:

(1)使目標結構汽化或熔化;

(2) 提前引爆彈頭中的引信或破壞彈頭的熱核材料;

(3)使目標中的電子設備失效或被破壞。

粒子束既可實施直接穿透目標的"硬殺傷",也能實施局部失效的"軟殺傷"。帶電粒子束對目標的穿透能力極強,能量集中,脈沖發射率高,能快速改變發射方向。中性粒子束還可對目標周圍產生的中子、γ、X射線進行遙測,實現對目標的識別。

領域

高技術戰爭中的套用

根據美國80年代以來的研究結果,粒子束武器在高技術戰爭中的套用主要在于,利用中性粒子束武器進行洲際彈道飛彈的攔截和彈頭飛行中段的識別。由于粒子束生成裝置、能源系統及高能粒子束傳輸等問題的解決技術難度太大,在可預見的將來把中性粒子束用于洲際彈道飛彈彈頭中段的識別,也許是唯一可行的套用。

洲際彈道飛彈的中段防御既很重要又十分復雜,因為現代洲際飛彈在飛行中段除了釋放彈頭之外,還釋放出大量的誘餌假彈頭,要進行中段防御,首先必須將真彈頭從大量的假彈頭中鑒別出來,而這是一項難度很大的技術。採用常用的成像技術和輻射測量技術以及低功率雷射或微波檢測技術等難以識別真假彈頭,而中性粒子束能有效地進行這種識別。

俄美對于粒子束武器的出發點是立足于空間作戰與防御,主要工作是基礎研究和高能量轉換技術的研究;對于地基粒子束武器的研究隻局限于作為點防御作戰的近程武器系統範圍,主要是確保帶電粒子束在大氣層中長距離的穩定傳播。

能量轉換技術的研究的目的是要形成高速粒子脈沖。美空軍的研究機構稱,傳統的可控矽開關和火花放電開關的研究已經完成,下一步要開展磁性開關研究,這種開關基于飽和的電磁感應原理,具有很高的重復率。

《機甲世紀II》中的套用

裝備了粒子武器的遠戰型機甲裝備了粒子武器的遠戰型機甲

《機甲世紀II》中的遠戰型機體很好的詮釋了粒子武器遠距離、高殺傷的優秀面。與現今的粒子武器不同的是,在《機甲世紀II》的背景時代裏,由于原子物理技術的飛躍式發展,粒子武器的質量和體積已經縮小到機甲可以直接裝配的程度了。雖然面板縮小了,但是粒子源、粒子加速器、導向磁線圈的基本構造還是保留的。

遊戲中,高耗能問題一直是困擾遊戲中粒子武器發展的一大羈絆,但隨著針對碟型棄艦研究項目的展開,比核能更強大的正反物質湮滅能量逐步為人類所運用。粒子武器的發展瓶頸也終于被突破了。

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