超导技术:突破武器的极限

超导技术的产生
1911年,荷兰物理学家卡曼林·昂尼斯在低温下测定汞的导电性能时,首次发现当温度降至4.2K时,汞的电阻突然消失了,这种现象被称之为超导性。现已发现,许多金属和化合物都可成为超导体。物体从正常状态过渡到超导状态是一种相变,发生相变时的温度称为超导体的“转变温度”(或“临界温度”),当温度高于“临界温度”时,超导性就被破坏了。
物体的超导现象从发现至今已有80余年,但超导作为一门新技术,真正考虑其应用则是从20世纪60年代开始的。例如,先后出现了超导电磁悬浮实验车及超导电子学器件——磁强计和红外探测器,等等。在1986年以前,已知超导体的最高转变温度也只有23.2K,多数已知超导体的转变温度还要低得多。这样低的转变温度只有利用液态氦才能达到。由于氦资源非常稀少,液化氦的制备技术复杂、费用高,所以极大地限制了超导技术的大规模应用。
据科学家们预测,这种零电阻超导体技术在能源、交通、医疗、机械等领域的应用技术将会在2005～2010年实现。现代社--会处处离不开电力的传输,即使采用50万伏高压输电,每100千米也要损失电能的1%～3%。改用超导导线输电,就使得电流在输送过程中几乎不受损耗而避免这种损失。用高温超导体加工成的细带状电缆,其载流能力是家用铜丝的1200倍。如果所有电机、变压器的线圈都改用超导电线,不仅可以节能,还可以大大缩小尺寸。利用超导体制造的超导磁悬浮列车,由于克服了车轮与轨道之间的摩擦阻力,能够达到每小时500千米以上的速度。用超导体做成的超导船,不用螺旋桨,而是使用超导线圈形成的强大磁场,构成磁流体动力推动器,能使普通商船的时速达到115千米。
军事应用
随着超导技术的日益成熟,它将不断运用到2l世纪的战场上。用超导量子干涉器制成的强磁针可用于探测敌方潜艇的活动情况;对红外辐射敏感的超导开关,既可用于探测自由飞行阶段的洲际导弹,也可用于反卫星系统;超导计算机具有计算速度高、体积小、功耗低、使用方便等优点,其计算速度比目前最先进的半导体计算机快10～100倍。美国人曾把150马力的超导电机装到MK37鱼雷上,速度可提高80%。潜艇的推进装置是其最大的噪声源,而超导技术不用马达,没有齿轮和驱动轴,也不安装螺旋桨,因而几乎不产生噪声。此外,超导接收机、超导卫星、超导离子束武器等在未来高技术战争中的应用前景也极其诱人。超导材料的突破性进展,也将为电磁炮、粒子束武器的能源、导轨等问题的解决创造有利条件。
20 世纪末,超导材料早已进入军事专家的设计,其中就有超导潜艇的构想。而目前超导研究的发展,更使这一构想成为努力研究的目标之一。
超导舰艇将实现舰船的高航速、无噪音,海军作战能力由此发生质的飞跃。人们有望为潜艇安装一种近于无声的推进装置。它使用一块巨型的超导磁铁,通过磁场和电流的相互作用,对海水产生一个强大的作用,将海水向船后快速排出,从而推动船只前进。由于它没有马达,没有齿轮和驱动轴,也不安装螺旋桨,因而几乎不产生噪音。目前美、日已在船艇上进行了多次成功的试验。专家预测,21世纪新型潜艇很可能采用这种装置,从而大大降低潜艇产生的噪声。据推算,超高速超导潜艇的航速可达50节以上,更重要的是超导舰艇没有传统的螺旋桨装置,可有效地降低红外辐射,大大提高了舰艇的生存能力和突击能力,所载弹药的数量因动力系统体积小而大大提高,作战效能显著增强。
C4ISR系统离不开计算机,利用超导的约瑟夫器件(超导开关)可研制新型的集成电路。美国的研究人员已研制出超导集成电路,它的时钟频率能够达到100G(1G代表10亿)赫兹,比目前最快的奔腾IV还要快50倍,它能在低功耗、不发热的情况下运行,它的投入使用将大大提高军事指挥效率。利用超导电线可以实现远距离、大容量通讯。实验表明,超导电线传输信息的速度,比光纤系统快得多,可以传输几万亿分之一秒的脉冲,相当于每秒传输100部大英百科全书的信息量,同时,超导电线因为无损耗,可以省去每3～4千米就要设置的放大器。如果用超导材料制成超导卫星,虽然体积小,却能大大提高信息传递质量,并可实现全球不间断卫星通讯和长距离无衰减通讯。现在,美国已开始在卫星上进行超导微波系统搭载实验,并在卫星地面站的接收系统中利用超导技术。
未来战争不再像过去那样取决于对领土的占领和物质的控制,对空间的占领已成为争夺优势的关键环节。制造大功率、小体积的发电机对提高航空、航天器的作战性能起到至关重要的作用。目前磁流体发电是一种高效发电方式,利用超导磁可产生几十万高斯的磁场(普通磁体很难高于15高斯),从而大大提高磁流体发电机的输出功率。这种超导发电机实用化后,可用它作能源,为预警飞机上的大型雷达、大型计算机,各种通信设备等非常耗电的装备提供能源。预计这种机载大功率超导发电机将会是超导技术在军事上最先得到应用的项目之一。采用超导磁悬浮发射装置取代火箭发射卫星或航天飞机,可以增加有效载荷,并且推力大、耗能少、安全可靠、可多次重复使用,从而节省了大量经费。
目前在研制激光武器、粒子束武器、高功率微波武器、电磁炮武器上,几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源,对目标进行杀伤。如激光武器,特别是大功率的战略激光武器耗能巨大,它要求在瞬间提供数十亿乃至数百亿焦耳的能量,而目前的储能装置储存的能量却非常有限,且体大笨重。超导材料的零电阻和高载流能力使电感储能装置可以长时间无损耗地储存大量电能,超导技术的发展解决了定向聚能武器的能源、材料问题。如果将来能实现室温超导电感储能,这不仅可以用作陆基激光武器的能源,甚至有可能成为机载或天基激光武器的能源。
由于超导开关对磁场和电磁辐射极度敏感,其灵敏度比常规的探测器高上千倍。例如,超导量子干涉仪可以测量极弱的磁场、电压的微小变化,从而能探测、追踪潜入领海的敌方潜艇,也可以用来探测地雷或灵敏度极高的磁性水雷。据悉,新一代超导雷达正在研制之中,用于雷达系统的超导电子器件,可使雷达频谱扩展上百倍,作用距离提高一个数量级,可以探测到微弱的信号。