傳說中的天基武器威力到底有多大？你一定想不到！

藝術作品中的英格蘭長弓兵 | 圖片來源：《英法百年戰(zhàn)爭中的克雷西戰(zhàn)役》（局部），15世紀法國歷史學家傅華薩的泥金手抄本插圖，法國國家圖書館藏

在火藥誕生之后，扔石頭的方法進化了。將火藥爆炸的能量轉換為子彈的動能，瞬間將子彈加速到 400 米每秒的速度，對目標物造成巨大的殺傷。

而火藥的誕生，也啟發(fā)了武器向另一個方向的發(fā)展——爆炸殺傷。相比先將化學能轉化為動能，經過長距離空氣摩擦損耗最終對目標造成殺傷的動能武器，直接在目標附近爆炸釋放巨大能量的炸藥類武器逐漸在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據主導。動輒百萬焦能量的坦克炮彈已是戰(zhàn)場的主宰，威力更大的核武器更是成為了大國之間博弈的終極武器。

那么動能武器會逐漸退出歷史舞臺嗎？并不會。比如當人們真正進入宇宙，開啟星際大戰(zhàn)的時代，由于宇宙中缺少介質，靠爆炸殺傷的武器威力大打折扣，這時動能武器或許會成為最優(yōu)解，畢竟太空中沒有空氣阻力，十分適合動能武器的發(fā)揮。
不提遙遠的未來，現(xiàn)在動能武器也有電磁炮武器逐漸開始得到研發(fā)應用。利用電磁力取代火藥爆炸對彈體進行加速，可以給彈體提供更高的動能。

我們可以看到，給“石頭”加速的能量來源多種多樣，有人體做功能量、弓身形變的彈性勢能、火藥爆炸的化學能以及電磁場所具有的電磁能，但還有一種常見的能量也可以用于動能武器——重力勢能。天基動能武器由此而來。

“上帝之杖”的前世今生

早在上世紀 50 年代，蘭德公司（Rand Corporation）提出在洲際導彈頂端安裝長桿；而利用衛(wèi)星發(fā)射這一方式則隨著科幻作家杰瑞·波內爾（Jerry Pournelle）的作品流行開來，最終演變成現(xiàn)在的天基動能武器。

在 2002 年，蘭德公司提供了一項報告，“Space Weapons，Earth Wars”，其中有一整章的內容用來描述天基動能武器的實用性。

在 2003 年，美國空軍出版名為“The U.S. Air Force Transformation Flight Plan”的報告，在其未來天基武器的概述中提到了“超高速棒束”，也就是所謂的“上帝之杖”。

在這份報告中，超高速棒束系統(tǒng)是 20 英尺長(6.1 米) ，1 英尺直徑( 0.30 米)的鎢棒；在特定軌道上部署有 6~8 顆衛(wèi)星控制，能夠在 12~15 分鐘內打擊全球任意目標。這一鎢棒質量約為 8.2 噸，在發(fā)射后能夠以 10 馬赫（十倍音速，3400m/s）的速度撞擊目標物；相當于 11.5 噸TNT（48GJ）的能量瞬間釋放，可以提供與等重的常規(guī)炸彈相類似的破壞力。

天基武器部署的衛(wèi)星軌道 | 圖片來源：參考資料3

真正讓天基武器走入大眾視線的還是其在一系列影視娛樂作品中的出場，以及“上帝審判”般的震撼表現(xiàn)。

杰瑞·波內爾在科幻小說Footfall中描述了天基武器的存在，其在小說中有著雷神般的表現(xiàn)。

Footfall | 圖片來源：參考資料3

在機動戰(zhàn)士高達系列中也有天基動能武器的體現(xiàn)——只不過是將整個衛(wèi)星作為動能武器。

2011 年上映的《特種部隊 2：全面反擊》利用精美的特效向觀眾展現(xiàn)了天機動能武器的巨大威力，僅僅一枚鎢棒，便能引發(fā)足以摧毀整個倫敦的地震。

天基動能武器發(fā)射畫面 | 圖片來源：《特種部隊2：全面反擊》劇照

除了各種影視劇作品外，天基動能武器一直是各種游戲里終極武器的熱門候選?！妒姑賳荆河撵`》的開場便是圍繞著衛(wèi)星上天基武器控制權的爭奪展開，最終恐怖分子還是將一枚鎢棒發(fā)射向了美國大陸，并完全摧毀了一座城市。

天基武器Odin | 圖片來源：《使命召喚：幽靈》劇照

此外，天基武器還出現(xiàn)在《辛迪加戰(zhàn)爭》《質量效應2》《光環(huán)》以及《GTA5》等一系列游戲中，均被設定為了威力巨大的終極武器。

可能有讀者已經發(fā)現(xiàn)了，截至目前關于天基武器的描述全部為各種影視設定以及理論預測，天基武器到底威力幾何，是否已經有實驗驗證呢？

天基武器威力幾何

在 2018 年，我國研究團隊發(fā)表了一篇名為《超高速長桿彈對巖石侵徹、地沖擊效應理論與實驗研究》的論文，詳細模擬了天基武器對地面打擊效果，并在其中描述了鎢棒對地打擊的實戰(zhàn)結果。

與低速情況下不同，超高速的長桿彈與地面撞擊不能再視為剛體碰撞，而是會根據速度不同分為剛體侵徹、半流體侵徹與流體侵徹三種模式。

1. 在彈體速度v≥3.0 馬赫（1 馬赫=1 倍聲速）時，發(fā)生流體侵徹，需采用流體動力學模型對侵徹過程進行計算，其伯努利方程和連續(xù)方程為

其中 v∞ 為向后噴射射流的速度極限，K0 為破碎介質噴射的壓縮射流系數(shù)，表征了介質向后噴射過程中例子速度的變化情況。

2. 在彈體速度 1.5 馬赫<v<3.0 馬赫范圍內，發(fā)生半流體侵徹，介質處于內摩擦向流體狀態(tài)轉變區(qū)，采用修正的流體動力模型進行模擬。

3. 在彈體速度v≤1.5 馬赫時，發(fā)生剛體侵徹，巖石介質的動態(tài)變性可以采用線彈性內摩擦壓縮模型進行模擬。

天基動能武器的撞擊速度一般在 10 馬赫以上，從上述分析可知，隨著彈體侵徹巖石內部，彈體逐漸減速，侵徹模式會發(fā)生從流體侵徹到半流體侵徹再到剛體侵徹的轉變，因此在計算成坑范圍時便可按照下圖將彈坑分為三個區(qū)域分別計算。

超高速彈體侵徹演示成坑范圍計算簡圖，由內向外分別為擬流體區(qū)，該區(qū)域的破碎巖石可視為無黏性不可壓縮理想流體；裂紋區(qū)，該區(qū)域質點位移很??；彈性區(qū)，仍舊保持著巖石的初始物理力學特征 | 圖片來源：參考資料6

當然，該團隊不止是給出了用于分析的模型，還結合實際驗證數(shù)據進行了分析。

文獻原文 | 圖片來源：參考資料6

也就是說，我國已經實施了天基動能武器的對地打擊原型實驗，實驗結果是 140kg 的鎢棒僅打出了一個深 3.0m，坑徑 4.6m 的拋物型彈坑。

鎢棒打擊戈壁灘實驗的成坑結果示意圖 | 圖片來源：參考資料6

這個殺傷力距離毀滅一座城市著實有點兒遠，看來想要實際應用彈體的質量還要提高不少。至于質量增加之后，如何控制運輸成本和難度，那又是另一個問題了。

高空拋物的難處

利用重力勢能與動能的轉換，通過提高高度便可以得到更大的動能嗎？

在地球上，凡是高空拋物問題，都不得不考慮空氣阻力的影響。考慮一般的圓球形狀的物體，其在空氣中受到阻力。

其中，C 是阻力系數(shù)，ρ 是空氣密度，v 是物體的速度?？梢钥吹?，隨著物體速度增大，其受到的空氣阻力大小會呈拋物線型迅速增長，達到物體的重力大小，此時重力與空氣阻力平衡，物體速度不再增長。
因此從高空落下的物體都會有一個收尾速度，比如雨滴的速度是 8~9m/s。（所以大家就不用擔心一滴水從很高的地方落下來會不會砸死人了。）

同樣對于天基動能武器而言，空氣阻力會限制其速度增長。根據模擬計算，當不計入空氣阻力時，“上帝之杖”動能彈的入地速度可以達到 8221.3m/s，是計算空氣阻力情況下的兩倍多，反映在動能上沒有空氣阻力時彈體的動能可以達到原來的四倍以上。

或許等到人類真正進入宇宙的那一天，動能武器才能展現(xiàn)出它真正的威力，正如各種科幻作品中展示的那樣。

參考文獻

[1]Rods from God | Popular Science (popsci.com)

[2]中國成功發(fā)射天基動能武器，威力驚人 - 知乎 (zhihu.com)

[3]Kinetic bombardment - Wikipedia

[4]發(fā)展了上萬年的人類，準備擺脫對“動能武器”的癡迷了嗎？- 知乎 (zhihu.com)

[5]關于APFSDS的科普(一) 長桿彈高速侵徹的基本概念與Alekseevskii-Tate模型 - 嗶哩嗶哩 (bilibili.com)

[6]王明洋,邱艷宇,李杰,等.超高速長桿彈對巖石侵徹、地沖擊效應理論與實驗研究[J].巖石力學與工程學報, 2018, 37(3):9.DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2017.1348.

[7]李爭.“上帝之杖”天基動能武器毀傷效應評估[J].振動與沖擊,2016,(18):159-164,180.

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來源丨中科院物理所

責編丨鐘艷平