粒子束武器

第一节　粒子束武器

在物理学上我们知道，动能与物体的质量成正比，与物体运动速度的平方成正比。虽然子弹的重量仅有几克，但是当子弹在枪膛里被火药燃气加速后，便具有很大的动能，不仅可以飞行较远的距离，而且还可以击穿苦干毫米厚的钢板。同理，虽然电子、质子、中子等微观粒子体积很小、质量很轻，但是它们毕竟具有一定的质量，如果能使它们获得极高的速度，它们同样会具有动能，当然也能破坏目标，变成一种武器，于是当粒子这种最小的“子弹”被当作武器时，粒子束武器便诞生了。

粒子束武器

一、粒子束武器的概念

我们知道世界上的一切物质都是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又可分为原子核和电子。而原子核又包含着带正电荷的质子和不带电荷的中子。电子、质子、中子等这些极其微小的粒子称为“微观粒子”。

何谓粒子束武器?顾名思义，就是利用微观粒子构成的定向能量束去摧毁目标的武器。亦被称为“束流武器”或“射束武器”。而这些粒子要成为一种武器，就必须把它们的速度提高到光速，这样才能获得足够大的能量。

二、粒子束武器的原理和特点

普通的枪弹和炮弹是通过弹头装药爆炸所产生的爆轰波或冲击波而摧毁目标的，或者通过聚能装药将金属流射入目标中从而毁伤目标。而粒子束武器则不同。其中最关键的就是如何将粒子的速度提高到光速。

怎样让粒子加速呢?人们制造出一种专门加速粒子的特殊装置，我们称它为粒子加速器。带电粒子进人加速器后就会被加速到所需要的速度。当然这种加速不是由电场对粒子进行一两次巨大的冲击而完成的，而是通过多次重复而又方向一致的加速来使粒子的速度越来越大。这如同人造卫星要获得所需要的速度时，是由多级运载火箭经过多次加速而完成的一样。具体地说，在直线加速器中，按一定距离依次排列着若干个加速电场。如果每个电场对带电粒子的作用力方向一致，那么带电粒子就会不断地被加速，这如同打秋千一样，如果每次用力的方向都和秋千运动的方向一致，那么秋千就会越荡越高。粒子经过一次又一次的加速，最后就可以获得所需要的速度。当这些微观粒子的速度越来越高时，它们所具有的能量也就越来越大。粒子束武器要求粒子的速度要接近每秒30万公里的光速。可以想象，这些小小粒子所具有的能量就不能小看了。这些高速运动的一个个微观粒子，就变成了一颗颗颇具动能的“炮弹”。

虽然小小粒子变成了一颗颗具有很大动能的“炮弹”，但是少量的粒子所具有的能量仍然不足以毁伤任何目标，必须将大量的粒子集中起来，使之形成一股极为狭窄的高能定向束流，这样的粒子束流才具备极大的能量，并足以摧毁所攻击的目标。粒子束武器也由此而得名。

粒子束武器是由高能电源、粒子产生装置、加速器和电磁透镜(能使电子聚焦的电磁场叫做电磁透镜)等部分组成。其中高能电源和粒子加速器是整个武器的核心部分。粒子束武器产生高能粒子束的简单原理是:首先由发电机输出巨大的电能，通过贮能及转换装置变成高压脉冲，然后粒子束产生装置将高压脉冲转换为电子束，电子束中的粒子进入粒子加速器后，被加速到接近光的速度，最后再由电磁透镜中的聚焦磁场(其作用就像放大镜可以将阳光聚集成一个很小的光点一样)把大量的高能粒子聚集成一股狭窄的束流。

概括起来讲，粒子束武器具有快速、高能、灵活、干净、全天候等特点。

能够有效对付弹道导弹的粒子束武器系统

快速是指粒子“炮弹”的飞行速度快。粒子束武器发射出的高能粒子是以接近光的速度前进，这个速度比一般炮弹或子弹要快几万倍到十几万倍，因此它最适合攻击飞行目标。用粒子束武器拦截各种空间飞行器，可在极短的时间内命中目标，非常适合对付在远距离高速飞行的洲际弹道导弹。射击一些近距离和比较慢的飞行器时，一般不需考虑和计算射击提前量。

高能是指粒子束武器可以将巨大的能量高度集中到一小块面积上。普通炸弹或核弹爆炸后，其能量是从爆心向四面八方传播的，不能将巨大的能量集中到一个方向上，因此只能作为一种杀伤面状目标的武器。而粒子束武器是将巨大的能量以狭窄的束流形式高度集中到一小块面积上。因此说，粒子束武器是一种杀伤点状目标的武器。由于高能粒子和目标材料的分子发生猛烈碰撞，产生的高温和热应力就会使目标材料熔化、损坏，从而导致弹体断裂。另外，当高能粒子击穿飞行器金属蒙皮后，还能继续破坏其内部的机件和电子设备，使导弹失去控制。此外也可以引起导弹战斗部提前起爆。

灵活是指变换射击方向灵活。一般大型武器的发射装置都比较庞大，因此在改变射击方向时，活动部分就会产生较大的惯性，动作起来比较缓慢，往往需要几十秒至几分钟的时间。而粒子束武器则不同，当需要改变射击方向时，只要改变一下粒子加速器出口处导向电磁透镜中电流的方向或强度，就能在百分之一秒的时间内迅速改变粒子束的射击方向，这与一般大型武器相比就显得非常灵活。由于改变射击方向迅速而灵活，因此转移火力的时间就大大缩短，这样便可以在极短的时间内从容地对付多批目标的饱和性攻击。

干净是指粒子束武器没有放射性污染。核弹爆炸后会产生很强的放射性污染，如果用带有核弹头的反弹道导弹作战，那将会造成更严重的污染，甚至还会给己方造成不应有的损失。而粒子束武器则不会出现这种情况，它射击后既不会造成任何污染，也不会给己方带来什么不利的影响。所以用粒子束武器拦截在大气层内飞行的核导弹非常合适。

全天候是指粒子束武器能在各种气象条件下使用。粒子束武器和激光武器相比，虽然在许多方面差不太多，但是激光武器发射出的光子，受云雾等气象条件的影响较大，不能在复杂气象条件中作战，所以有人称激光武器是一种“晴天武器”。粒子束武器则不同，它发射出去的粒子比光子具有更大的动能。而且能够穿透云雾，因此受气象条件的影响小得多，从而具备了全天候作战的能力。这样不论在什么天气情况下，粒子束武器都可以对付大气层中的各种飞行器。(https://www.daowen.com)

三、粒子束武器的种类及作战功效

根据粒子束武器的不同特点和在作战中的不同需要，粒子束武器可以有多种分类方法。

1．按照粒子束武器系统部署的位置，可将其分为3种:(1)　陆基粒子束武器，是设置在地面的粒子束武器，主要用于拦截进入大气层的洲际导弹等目标，担负保护战略导弹基地等重要目标的任务。(2)　舰载粒子束武器，是设置在大型舰船上的粒子束武器，主要用于保卫舰船，使之免受反舰导弹的袭击。(3)　空间粒子束武器，是设置在飞行器上的粒子束武器，主要用于对在大气层外飞行的导弹或其他空间飞行器进行拦截。

2．按照粒子束武器的射程，可以分为4种:(1)　近程粒子束武器，其射程约为1千米，在稠密大气层内使用，对瞄准跟踪系统要求低，对武器系统的要求是体积小、重量轻、反应速度快，主要任务是自卫防空。(2)　中程粒子束武器，其射程约为5千米，要求粒子束聚焦好，并具有较精密的瞄准和跟踪系统，主要任务是用于区域性防卫。(3)　远程粒子束武器，其射程约为10千米，对这种武器的要求是束流强，具有更精确的瞄准和跟踪系统，其任务也是用于区域性防卫。(4)　超远程粒子束武器，其射程约为几百千米以上，要求具有极其强大的功率和非常精密的瞄准和跟踪系统，其主要任务是用于大气层外的空间作战，以摧毁洲际导弹和各种航天器，是一种太空武器等等。

3．按照粒子束的性质，粒子束武器可以分为:

(1)　带电粒子束武器。如果粒子束武器发射的束流是带电的质子、电子、离子等粒子，该粒子束武器就是带电粒子束武器，其中，激光导引高能电子束武器是人们研究最多的。由于高能带电粒子束很容易以高束流脉冲群的形式产生，对目标具有极其强烈的穿透力，因而被认为是一种很有前途、杀伤力非常强的粒子束武器。但是由于库仑排斥力和地球磁场的影响，使得带电粒子束在太空中传输无法达到所需要的射程、瞄准精度和束流强度，因而带电粒子束武器不适于部署在太空。

高能电子束在大气中传输时存在两个极为严重的致命问题。一是空间电荷效应，二是地球磁场影响。我们知道，粒子束武器对束的散度和直线传输要求极高。散度过大，射束不可能把杀伤目标所必需的能量沉积到目标上去，偏离直线轨道的传播将使射束无法命中目标。因此对射束的聚焦和准直是发展粒子束武器的两项关键性技术。

大气中存在空间电荷，这是客观事实，空间电荷对电子束的排斥力必然使束的散度增大，引发束的发散。同样，地球磁场的影响也是客观存在的。高能电子束在大气中传输必然也要受到地球磁场的作用而发生偏转，无法沿直线传输，而且地球磁场的影响比空间电荷效应更为严重。为此，人们通过多年的研究和探索才寻找到利用激光导引技术来解决上述问题。

激光导引的基本原理是，利用激光在低压气体中电离出一条通道，把高能电子束脉冲射进这个通道，使其在通道内传播。由于高能电子脉冲射进激光电离产生的等离子体通道时，会立即引起急剧的空间电荷排斥作用，将附着于等离子体不牢的电子驱逐出通道，从而形成一个离子芯体。利用这个离子芯体的静电吸引力来导引高能电子束，从而消除空间电荷和地球磁场对电子束引起的偏离。

由于采用了激光导引技术，对于电子束的控制也变得容易得多了。由于高能电子束在激光产生的电离通道中传输，因此只要能够粗略地控制电子束进入精确瞄准的激光电离通道，就能够实现精确的电子束的控制。

(2)　中性粒子束武器。如果粒子束武器发射的粒子束流是不带电的中性粒子，该粒子束武器就是中性粒子束武器。由于高能中性粒子束与物质的相互作用非常激烈，无法在大气层中传输，因此中性粒子束武器只适于部署在太空。

中性粒子束武器同高能带电粒子束武器相比，最大的优点便是它不受地磁场的影响，可以直线传输，只要有足够的能量就能穿透很厚的目标。因此，中性粒子束武器是一种极有发展前途的粒子束武器。

中性粒子束武器有很高的技术指标，特别是对粒子束的电流和束的发散度有极高的要求。前者是保障粒子束作用强度的指标，而后者是保障其在传输过程中保持束的集中的重要指标。一般地说，高能中性粒子束武器破坏目标结构，束的发散度应保持在0.75微弧度～1.5微弧度内;应在几百兆电子伏特下输出1库仑的等价电荷。高能中性粒子束武器达到杀伤破坏目标的能量要求是:破坏目标的结构，如使目标材料汽化，要求在目标上沉积1～10焦耳/克;使电子器件失灵，要求在目标上沉积0.01～1焦耳/克。

当然，对于不同的粒子束、不同的破坏要求、不同的射程等，对能量、发散度等的要求也不相同。对于束能量为100兆～400兆电子伏特的氢原子束来说，对目标的穿透深度可达10～100焦耳/克，其入射的能量密度应为5千焦耳/平方厘米。假设在目标上粒子束的扩散尺度为1米左右，那么要求束的总能量应接近50兆焦耳。如果射程1000千米，在目标上发散度为1米左右，那么要求束的发散角应在1微弧内。如果高能粒子束用于中段识别，则束的总能量要求可减少10～1000倍。

粒子束武器的杀伤机理是依靠粒子束与目标物质的强相互作用穿透目标，将能量沉积在目标深处以达到杀伤目标的目的。粒子束武器对各种目标的作战功效有:

1．破坏电路。破坏电路使目标无法完成其攻击任务。所需要能量大致在10^-3～10焦/克之间，甚至更低。有的文献，例如美国物理学会的报告提出，使电子设备“大规模失效”所需沉积的束能为100焦/克。后来的研究报告说明，那是使武器部件熔化或引起高性能炸药爆炸所需沉积的能量，比破坏电路自然要高得多。

2．破坏电子装置。破坏电子装置所需沉积的能量比破坏电路略高，大体为0.1～10焦/克。一般地说，沉积这么多的束能到电子装置上必然会引起导线烧断、结点熔化，造成电子装置永久性失效。这里有上限和下限，一般地说，下限(低限)对应于没有加固的电子装置，上限对应于经过加固的部件。显然，在目前导弹上的电子装置都采取加固措施的情况下，使用粒子束武器，自然要取上限值，才能有把握地达到破坏的目的。

3．使爆炸物爆炸。推进剂大概是导弹部件中除电子装置以外最脆弱的一环，高爆炸物是加固弹头对粒子束最敏感的部件，因此，用高能粒子束使推进剂点火，使高爆炸物爆炸，是破坏导弹弹头的很有效的手段。引起高爆炸物爆炸需要在其上沉积的束能要高于破坏电子设备，大致为10～100焦/克。特别应指出的是，推进剂与爆炸物都不宜用激光武器进行破坏，因为它们都用外部结构材料进行屏蔽。但它们都易于受到粒子束武器的破坏，因为它们不像激光束那样将能量沉积于表面，而是穿透表面，将能量沉积于深处。

4．破坏结构材料。需要沉积束能最高的一种是破坏结构材料。破坏结构材料指的是使结构材料软化或熔化。一般地说，使武器中的重金属软化需要在其上沉积100～300焦/克的束能，使结构材料熔化大致需沉积1000焦/克的束能。

当然，这里叙述的粒子束武器对各种目标的杀伤功效，虽有一定的实验作依据，但主要还是理论分析的结果，十分不可靠，因此，粒子束武器的真正本领还有待实战检验。