引言
常规火炮是以固体发射药为能源，利用火药在身管内膛燃烧生成的高温高压火药气体将弹丸高速抛射出去。由于常规火炮自身的局限性，使其在进一步提高射程、射速等方面十分困难。为此，人们希望另辟蹊径，从概念上探索新的发射原理、发射能源、发射方式，突破常规火炮的发展思维和模式，从而提高火炮的性能[1～5]。这些新概念火炮往往体现了较强的技术创新性，不仅可以很好地拓展火炮专业学员的视野，还可以培养学员的创新思维，提高学员的创新能力。本文将从新发射药状态、新发射原理、新结构形式、新火炮理念四个方面，用尽量通俗的方式对十余项新概念火炮技术进行阐述和分析。
1 新发射药状态
传统火炮采用的是固体发射药，可以将发射药状态由固体更换为气体、液体甚至等离子体，从而提高弹丸初速，增加火炮射程[1～5]。
（1）轻气炮。传统火炮发射时火药燃气分子量较大，加速火药燃气本身消耗能量较多，影响施加在弹丸上的能量，利用分子量小的轻质气体来发射弹丸就有助于提高弹丸初速。轻气炮通常分为三种：一级轻气炮通过压力释放机构释放压缩气体来推动弹丸运动，气体为分子量极小的氢气或氦气；二级轻气炮，是传统火炮与一级轻气炮的合体，弹丸后面为轻气，轻气用活塞与后面的固体火药隔开，射击时，固体火药生成火药气体，火药气体推动活塞压缩轻气，进而推弹丸向前；燃烧轻气炮通常是用氢气和氧气在膛内燃烧生成水气来推动弹丸前进，水的分子量也小于传统火药燃气分子量，也属于轻气。轻气炮利用轻质工质来推动弹丸前进，将更多的能量集中在弹丸上，常用的轻气包括轻气、氦气甚至水气。
（2）冲压加速火炮。冲压加速火炮原理和冲压发动机类似，冲压发动机是自带燃料，燃料燃烧生成气体向后喷出产生向前推力。冲压加速火炮的弹丸在一个加速管内被加速，加速管内充满可燃混合气体（如甲烷、氧气和氮气混合），弹丸以一定初速飞入加速管后，由于弹丸采用特殊的前后锥结构，流到弹丸后侧的混合气体被点燃后向后喷射，产生反作用力推弹丸向前加速，其相当于在燃料中游动过程中被加速，冲压加速火炮使用的是气体发射药，用冲压发动机的方式推弹丸向前[3,5]。
（3）液体发射药火炮。火箭有液体推进的也有固体推进的，液体发射药当然也可以用在火炮上，而且具有变换药量容易，装填密度大、能量密度高，燃烧温度低的优点。在上世纪末，曾经作为美国“十字军战士”155mm火炮的技术方案，但最终因为安全性问题没有采用。液体发射药有单元和双元之分（即把燃料和氧化剂混在一起还是分开放置）。结构上有整装式、外喷式和再生式之分，整装式采用单元液体发射药，发射药盛装在药筒内，点火后整体燃烧，和传统火炮类似；外喷式和燃烧轻气炮类似，双元液体发射药的燃料和氧化剂分别喷入后混合燃烧；再生式借助一个喷射活塞挤压液体高速喷入燃烧室雾化后燃烧。把发射药由固体换为液体，不仅是状态的变化，成分也发生了很大变化。
（4）电热炮。电热炮核心是用电能加热低分子量工质（如聚乙烯或金属丝）产生等离子体，等离子体是一种离子化气体物质（如高温电离气体），是不同于固体、液体、气体的第四态。具体讲包括两类：一类直接利用等离子体推弹丸前进，称为直热式，由于能量全部来自电能，也称纯电热炮；另一类利用等离子体加热低分子量的第二工质（可以是固体、液体或气体）产生高温高压燃气推弹丸前进，称为间热式，由于既使用电能也使用化学能，又称电热化学炮。电热炮引入了电能，其中也有轻气炮的痕迹。
火炮可以采用固体发射药，也可以采用液体（液体发射药火炮）和气体（轻气炮）发射药，但大都是靠气体高压推动弹丸前进的，推动的气体采用轻气有利于提高弹丸初速；纯电热炮利用等离子体推弹丸前进，这是一个较大的改变；电热炮还把电能引入了发射药，这也是一个极大改变；冲压加速火炮借鉴了冲压发动机工作原理，极具创新性；二级轻气炮、电热化学炮中都有传统火炮的影子。
2 新发射原理
传统火炮是利用气体膨胀推弹丸远距离飞行，摧毁目标。利用电磁能也可以使金属弹丸加速，另外发射激光、发射微波也可以达到对目标的有效毁伤[1～5]。
（1）电磁炮。这是近年来国内外研究较热的一个领域，2018年我国电磁炮上舰试验曾引起很大反响。电磁炮利用通电导体在磁场中要受到安培力这一大家熟知的物理现象对弹丸进行加速。常见电磁炮分为三类：第一类是轨道炮，由两根平行导轨和导电弹丸组成，电流经过导轨和弹丸形成回路建立磁场，作用在弹丸上产生力安培力使弹丸前进；第二类是线圈炮，固定线圈相当于炮身（类似于在虚拟炮身外缠绕线圈），可动线圈相当于弹丸（弹丸上缠绕线圈），从后向前依次向固定线圈供电，其产生的磁场与可动线圈中感应电流相作用，就推动弹丸高速前行；第三类是重接炮，线圈上下配置，中间为抗磁板状弹丸留下间隙，弹丸遮住线圈口径时线圈通电然后断电，上下线圈磁力线自成回路，弹丸向前运动一点后，上下磁力线重接，弯曲的磁力线有拉紧变直趋势，类似弓一样推动弹丸前进。
（2）激光炮。用光作为武器，古已有之，古希腊阿基米德利用盾牌反射太阳光烧毁罗马舰船，上世纪中期人们就开始研究激光器，近年来，激光在武器领域激光获得了广泛应用，如激光测距、激光加工、激光制导、激光通信等。激光炮是利用定向发射的激光束的热作用、力学作用和辐射作用毁伤目标的作战武器。激光武器具有速度快、精度高、抗电磁干扰、费效比高的优点，各个国家都对其高度重视，美国曾在飞机上发射激光毁伤导弹。但是激光也具有受大气影响大，不能绕过障碍物的问题。激光炮已经没有弹丸的概念，但是作战对象和外形都和传统火炮类似，故也可以称为炮。
（3）微波炮。和激光炮类似，微波炮是用微波毁伤目标。微波是高频电磁波，微波波束可用高增益天线聚成方向性强、能量极高的窄波束，毁伤几十公里外目标，其杀伤方式也包括软杀伤（破坏电子设备）和硬杀伤（热作用杀伤人员）。微波对电子设备的破坏作用极强，是电子战和信息战的重要武器，目前安保上就常用微波武器来击落无人机[4]。
电磁炮、激光炮和微波炮和传统火炮是完全不同的发射原理，电磁炮用电磁力发射弹丸，激光炮和微波炮已经没有了弹丸，直接用激光和微波来产生毁伤作用。这三种新概念火炮都要用到电能，属于物理领域的技术创新。
3 新结构形式
对传统火炮进行结构上的重大改变，用新的结构形式也有助于突破传统火炮的技术限制[1～5]。
（1）随行装药火炮。常规火炮弹后气体的平均压力在弹丸很长的一段运动距离上是下降的，身管长度利用不充分，且膛底压力高于弹底压力，这主要是因为发射药位于身管膛底，发射药燃烧完毕后，只能膨胀降压。如果把发射药装在弹丸底部，随弹丸运动，则在弹丸运动过程中，不断产生火药气体对弹丸进行加速，可以使弹后膛压近似保持恒定，充分利用身管长度对弹丸进行加速，从而有效提高弹丸初速。随行装药火炮将发射药位置从膛底改到弹底，某种意义上和火箭发射原理有些类似。
（2）膨胀波火炮。传统火炮弹丸膛内运动过程中是不允许打开炮闩的，因为打开炮闩后，推弹丸向前的火药气体会向后喷出，导致膛内火药气体压力下降，可能影响弹丸初速。深入研究发现，打开炮闩后的压力下降（膨胀波）传播是需要时间的（传播速度和声波相同），如果精确控制打开炮闩的时机，完全可以在弹丸膛内运动时打开炮闩，在不影响弹丸初速前提下，将火药气体从身管后方喷嘴泄出，从而大大减小炮身受力和炮架受力，大幅度提高火炮机动性。膨胀波火炮可看作传统火炮和无后坐力炮原理的结合，其改变了传统火炮打开炮闩的时机，可提高火炮机动性，但是也导致了火炮后方产生了火焰喷射区。
（3）金属风暴武器。这是澳大利亚一个工程师从乌贼喷墨中获取灵感而提出的武器样式，其采用多根身管并联，每根身管中多枚弹药串联，弹丸和弹丸之间用发射药隔开，通过电子控制的电子脉冲点火。射击时从前至后依次点火，弹丸依次从身管中发射出去，没有装填和抽壳动作，射速极高，发射时弹药几乎全部倾斜而出，理论射速可达每分钟100万发以上。金属风暴武器是电子技术与火炮技术的合体，通过弹药串联、身管并联以及电子控制使武器射速发生了革命性变化。
（4）埋头弹火炮。埋头弹火炮改变的是传统火炮的定装式弹药结构。传统定装式炮弹，弹丸大部分露在药筒外面，而埋头弹则是让弹丸缩进药筒中，弹药长度得以缩短，外观呈规则的圆柱，后勤供应更加方便，且可以使用更简单的供弹机构。我国的40mm埋头弹火炮就采用摆膛式供弹机构，推弹和抛壳并行，有助于提高射速[3]。
上述这四种新概念火炮，属于传统火炮在结构上的改进，改进的地方差异很大。随行装药火炮改进发射药的位置，膨胀波火炮改进打开炮闩的时机且将身管后方改为喷嘴结构，金属风暴武器改进弹药装填和点火方式，埋头弹火炮改变的是定装式弹药弹丸和药筒的结合形式。对于技术创新来说，既有技术的改进永远是一个重要的方向。
4 新发展理念
用新的发展理念对传统火炮加以改造，也可以大幅度提高其性能，突破固有技术的限制[1,2]。
（1）超远程火炮。关于超远程火炮，美国炒作得最厉害，先是准备在朱姆沃尔特级驱逐舰上安装射程154km的155mm舰炮（后来不了了之），后来陆军又要研制射程1850km的战略远程火炮。超远程火炮的技术重点已经不再是火炮，而是弹药。除了加长身管、加装发射药外，更重要的是在弹丸上采用火箭助推、发动机助推、滑翔增程、惯导和卫星制导等技术。这已经是身管火炮、火箭炮和导弹的融合了。
（2）数字化火炮。这是信息化技术在火炮上的应用，其一层含义是装备信息数字化，譬如气压、液量、高低角等参数适时可测，可用控制系统快速调整火炮射向和改变火炮状态，可监视和快速诊断火炮故障；另一层含义是火炮装备作为网络化战场的一个信息节点参与体系作战，接收指挥机关的统一指挥，与其它武器协同作战，与侦察设备共享战场信息等。数字化火炮可以看作火控、指控、导航、网络、电子等技术对传统火炮的加持。数字化火炮必然是未来火炮的发展样式，近年来我军装备的火炮都十分强调数字化能力。
5 小结
新概念火炮是为了突破传统火炮的技术限制而在发射原理、发射能源等方面提出的新设想，体现了人们对未来火炮技术发展的思考，具有较高的技术创新性，十分有利于学员创新思维的培养。本文从新发射药状态、新发射原理、新结构形式、新发展理念四个方面对十余种新概念火炮进行了较为通俗地阐述和分析，以拓展学员眼界，激发学员兴趣，引导学员进行创新思考。
新发射药状态将固态发射药拓展到液态和气态；轻气和轻工质等离子体由于分子量小，可以将能量集中到弹丸上，有利于提高弹丸初速；电热炮将化学能向电能拓展；冲压加速火炮借鉴了冲压发动机的工作模式。
新发射原理体现了物理上的技术创新，电磁炮利用电磁能推弹丸向前；激光炮和微波炮通过发射激光和微波，对目标加以毁伤，由于没有弹丸，二者对传统火炮的框架突破较大。这三种新原理火炮均要利用电能进行发射。
新结构形式是对传统火炮结构上某一方面的改变，随行装药将发射药从膛底改到弹底；膨胀波火炮改变打开炮闩时机和身管后端形状；金属风暴武器采用弹药串联、多管并联、电子点火模式；埋头弹火炮改变定装式炮弹的结构形式。
新发展理念体现在超远程火炮和数字化火炮上，超远程火炮将火炮、火箭、导弹技术相融合，反映了未来火炮远程打击的发展趋势；数字化火炮是信息技术与火炮技术的融合，与未来信息管控、网络战场、体系作战的发展趋势相适应。
新概念火炮有的还处于技术研发阶段，有的已经列装；有的技术原创性极强，有的是对传统火炮的大胆改进；有的是体系层面的改变，有的是结构层面的改变。这些技术创新是培养火炮专业学员创新能力的重要素材。
参考文献：
[1]谈乐斌.火炮概论[M].北京:北京理工大学出版社,2014
[2]张相炎,郑建国,袁人枢.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2014
[3]易声耀,张竞.自动武器原理与构造学[M].北京:国防工业出版社,2009
[4]苗昊春,杨栓虎.智能化弹药[M].北京:国防工业出版社,2014
[5]张相炎.新概念火炮技术[M].北京:国防工业出版社,2014
作者简介：
杜中华（1973——），男，河南义马人，博士，讲师，工作于陆军工程大学石家庄校区，研究方向为枪炮动力学。
