从零开始的太空战教程（一）

第一专题定向能武器

第一节从远古开始——定向能武器概述暨基本原理

1.概述

哪怕是最简陋的石斧，也足以割伤亿万年进化形成的毛皮与肌肉；哪怕是最坚韧的甲壳，也难以抵御千百次锻冶铸就的利刃和箭矢。石矛刺破兽皮、铜剑斩断铠甲、铁炮击碎城墙，武器的根本目的却从未改变——向目标投射能量，使其损毁。手指轻轻按压皮肤恐怕通常不会受伤，可是相同的力量如果通过针尖作用，结果便截然不同；大口径高爆弹很难摧毁现代主战坦克，而几乎有着同样能量的翼稳脱穿却能够有效击穿它的装甲。对单个目标而言，集中投射能量往往有着更高的毁伤效率，基于这样的常识，“定向能”的概念逐渐得到重视。

虽然某种意义上，远古时期人类抛掷的石块、投矛同样可以算是一种“定向能”武器，但是目前常常提到的定向能武器通常是指自冷战以来投入大量资源研究的新型武器，主要包括动能武器（如电磁炮、动能拦截器等）、激光武器、微波武器和粒子束武器。而这四种武器也将是这一专题着重介绍的内容。

将能量聚集在目标上，毫无疑问是一种非常理想化的要求，而现实中的所有武器，或者说所有将能量投射至目标的装置都无法避免一个问题——在传输能量的路径上的扩散。无论是激光束、粒子束、微波的散射，还是动能武器的抖动，均会使其最终聚集于目标的能量有所衰减。

研究定向能武器，本质上就是在研究能量的转化和传输。

2.对损毁的认识

对于武器而言，最重要的性质是其损毁目标的能力。而以军事单位为目标时，“损毁”这一概念本身是比较模糊的：通过电子对抗瘫痪敌方雷达的操作系统可以视为损毁，使用反辐射导弹直接让雷达消失同样是损毁。彻底摧毁目标的“硬”杀伤相比“软”杀伤，有着如下优势：

(1).毁伤效果立等可取，清晰明确

(2).对目标敏感情报的依赖较低，不需要过多了解目标细节

基于这样的认识，我们在之后的分析中会主要以彻底摧毁目标的“硬“杀伤，作为目标损毁的标准。

当我们以一块零下10摄氏度，质量0.05kg的冰块为目标时，“摧毁”它需要多少能量呢？中学知识告诉我们，将其融化需要2100J左右的能量，而使其蒸发则需要161800J左右。事实上，通过查阅常见物质汽化热表格，我们会发现，10000J的能量足以使常见的大多数物质（1g或者1立方厘米）化为气体。

10000J的能量是什么概念？

1枚.408CT弹拥有11000J左右的枪口动能，而1枚.50BMG则拥有18000-20000J的能量，对于现代武器而言，10000J是一个很容易做到的数字，甚至很多古代武器诸如投石机、床弩等等也已经能够达到甚至远超这一水平的能量。

然而，并非有能量就能够损毁目标。

事实上，每过大约48小时，太阳就会向每一平方厘米的土地输送约10000J的能量，然而，我们并没有看到建筑融化或是动物被直接烤焦（注意，长期暴晒仍然有生命危险），正如我们很难使用一枚有着 $10^{12}$ 数量级的能量的战术核武器摧毁1km外的永久工事一样。不难得出结论，对于摧毁目标而言，能量的密度效应和能量的传输速率同样至关重要，即 $J/cm^{2}$ 和 $J/s$ 或者 $W$ ，同样是不得不考虑的重要标准。

以核武器为参考，理想条件下，以一枚20千吨当量的核武器为例，在260m左右的距离上，其能量密度仍有10000 $J/cm^{2}$ ，结合实际情况来看，广岛距离爆心200米的建筑物均遭到严重损毁。在这一范围外，随着爆炸的能量扩散，损毁情况逐渐好转，直到无法摧毁目标。而如果使用一枚炮弹完成相同的，摧毁一栋混凝土建筑的目标，我们会发现，炮弹能够在更远的距离上摧毁建筑，从这一角度来讲，炮弹是比核武器更”定向”的武器，或者说，在相同距离上，炮弹的能量密度比爆炸的核武器衰减低。这就是能量的密度效应对于毁伤的影响。

另一方面,能量的传输速率亦即能量功率对于损毁的影响也是显而易见的。在使用镜子反光灼烧罗马战舰的例子里，常常会提及数百甚至上千面镜子，但是如果只考虑能量或者能量密度的话，只要有足够的时间，一面镜子输出的总能量显然也能达到10000J，或者说其在船帆上输出的能量密度可以达到10000 $J/cm^{2}$ 。当然，就像人不大可能在阳光下被烤熟一样，一面普通大小的镜子输出的能量也不足以点燃船帆，原因是被输出到目标上的能量总会由于传递、辐射和对流等原因被散发出去，如果能量功率不足，难以超过目标所能承受的功率，那么想要摧毁目标是几乎不可能的。

虽然，在另外的一些例子里，我们也会看到，流水对于岩石长期的侵蚀作用或是中子对材料的辐照损伤，但是就武器而言，这种破坏作用所需要的时间显然是过于漫长了。

可以认为，在相对较短的时间内，当目标接收的能量持续累积而无法及时通过辐射、传递抑或是其他机制被带走时，目标即可被这一能量所损毁。而在更实际的情景中，对于损毁会有着更为明确的标准。例如子弹在击中物体时并不是通过汽化而穿透物体，而是推挤周围材料，从而洞穿；激光则会在极短的时间内通过汽化物体表面的材料而对物体施加一个作用力，这一作用力将导致物体的变形。考虑到这些情况，实际损毁目标所需的能量往往要低于将其完全汽化的能量，因此在之后对于具体武器的讨论中，我们也会着重介绍其与目标的相互作用。

3.传输中的损耗

在理解武器和目标的相互作用时，另一个基本因素便是能量在从武器传播到目标的过程中所经历的损耗。这种损耗通常可以分为两种情况，其一是能量在传播路径上的扩散，其二是与传播路径上的物理媒介相互作用而导致的损失。第一种情况会发生在包括真空环境的所有的情景下，第二种情况则仅仅在目标或是武器之一处于大气或是其他介质中时才会出现。

定向能武器的能量扩散，通常归因于工程实践中工程技术的局限或者是无法避免的物理原因，例如身管武器的散布圆和激光在发射过程中发生的衍射，前者即为工程技术的局限，而后者则源于物理规律的限制。

于是，在实际应用中，由于能量的扩散（束流发散或是发射装置的抖动），无论是动能武器还是其他几种定向能武器，我们都需要在发射端输出超过10000J的能量才能确保将充足的能量投射到目标上。

定向能武器的能量损失则与介质性质密切相关，以定向能武器在大气中的传播为例，我们可以总结出如下表格：

可以看出，定向能武器在大气中传播时通常对应着多种能量损失的机制，这使得定向能武器在大气等介质中的传输条件进一步恶化，这也意味着，定向能武器在真空环境下往往有着更高的实用价值。

Dekabrist Hibiki

2019.7.10

参考资料

[1]. Nielsen P E. Effects of directed energy weapons[R]. NATIONAL DEFENSE UNIV WASHINGTON DC CENTER FOR TECHNOLOGY AND NATIONAL SECURITY POLICY, 1994.

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[4]. https://en.wikipedia.org/wiki/AN/SEQ-3_Laser_Weapon_System

[5]. https://en.wikipedia.org/wiki/Enthalpy_of_vaporization

[6]. https://en.wikipedia.org/wiki/.408_Cheyenne_Tactical

[7]. https://en.wikipedia.org/wiki/.50_BMG

[8]. https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_divergence

[9]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：Dekabrist Hibiki

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