傳說中的天基武器威力到底有多大？你一定想不到！

上帝之杖（RODS FROM GOD），傳說中的終極武器，在十幾分鐘的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球任意目標(biāo)地點(diǎn)的打擊，殺傷力堪比戰(zhàn)術(shù)核武器，更能摧毀深藏地下掩體的目標(biāo)。

“上帝之杖”是什么？其研究進(jìn)展到了哪一步，是否仍只存在于概念之中？它的威力是否真如傳說中那樣恐怖？

戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展史？扔石頭發(fā)展史！

上帝之杖是一種天基動(dòng)能武器，要了解它，就要從它的“前世”動(dòng)能武器講起。動(dòng)能武器顧名思義便是利用動(dòng)能對(duì)物體造成殺傷的武器，高速運(yùn)動(dòng)的彈頭直接碰撞目標(biāo)，釋放巨大的動(dòng)能摧毀目標(biāo)。

動(dòng)能武器在人類史中占據(jù)著重要的地位，從早期原始人捕捉獵物扔出的石子、投石索，到冷兵器時(shí)代的弓箭、投石車，再到火藥誕生之后的槍械，都屬于動(dòng)能武器的范疇。如果三體人真的存在，他們摧毀一整個(gè)地球艦隊(duì)的水滴也是一種動(dòng)能武器。可以說，戰(zhàn)爭(zhēng)武器的發(fā)展其實(shí)就是在變著法子，扔更快的石頭，扔更硬的石頭。

動(dòng)能武器的核心便是如何給“彈頭”提供巨大的動(dòng)能。

靠人力扔出的石頭動(dòng)能約為 100 焦耳；投石索通過甩動(dòng)加速，動(dòng)能可以達(dá)到 200 焦耳，比直接扔石頭的威力高了一倍；弓可以將形變存儲(chǔ)的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧膭?dòng)能，在英法百年戰(zhàn)爭(zhēng)期間立下赫赫戰(zhàn)功的英國(guó)長(zhǎng)弓手使用的英國(guó)長(zhǎng)弓，可以為箭提供最大 160 焦的射擊動(dòng)能，并且由于箭頭的設(shè)計(jì)能減小摩擦損耗，其殺傷力毫不遜色于投石索。

藝術(shù)作品中的英格蘭長(zhǎng)弓兵 | 圖片來源：《英法百年戰(zhàn)爭(zhēng)中的克雷西戰(zhàn)役》（局部），15世紀(jì)法國(guó)歷史學(xué)家傅華薩的泥金手抄本插圖，法國(guó)國(guó)家圖書館藏

在火藥誕生之后，扔石頭的方法進(jìn)化了。將火藥爆炸的能量轉(zhuǎn)換為子彈的動(dòng)能，瞬間將子彈加速到 400 米每秒的速度，對(duì)目標(biāo)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(gè)方向的發(fā)展——爆炸殺傷。相比先將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，經(jīng)過長(zhǎng)距離空氣摩擦損耗最終對(duì)目標(biāo)造成殺傷的動(dòng)能武器，直接在目標(biāo)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(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)。動(dòng)輒百萬焦能量的坦克炮彈已是戰(zhàn)場(chǎng)的主宰，威力更大的核武器更是成為了大國(guó)之間博弈的終極武器。

那么動(dòng)能武器會(huì)逐漸退出歷史舞臺(tái)嗎？并不會(huì)。比如當(dāng)人們真正進(jìn)入宇宙，開啟星際大戰(zhàn)的時(shí)代，由于宇宙中缺少介質(zhì)，靠爆炸殺傷的武器威力大打折扣，這時(shí)動(dòng)能武器或許會(huì)成為最優(yōu)解，畢竟太空中沒有空氣阻力，十分適合動(dòng)能武器的發(fā)揮。
不提遙遠(yuǎn)的未來，現(xiàn)在動(dòng)能武器也有電磁炮武器逐漸開始得到研發(fā)應(yīng)用。利用電磁力取代火藥爆炸對(duì)彈體進(jìn)行加速，可以給彈體提供更高的動(dòng)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(shì)能、火藥爆炸的化學(xué)能以及電磁場(chǎng)所具有的電磁能，但還有一種常見的能量也可以用于動(dòng)能武器——重力勢(shì)能。天基動(dòng)能武器由此而來。

“上帝之杖”的前世今生

早在上世紀(jì) 50 年代，蘭德公司（Rand Corporation）提出在洲際導(dǎo)彈頂端安裝長(zhǎng)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(nèi)爾（Jerry Pournelle）的作品流行開來，最終演變成現(xiàn)在的天基動(dòng)能武器。

在 2002 年，蘭德公司提供了一項(xiàng)報(bào)告，“Space Weapons，Earth Wars”，其中有一整章的內(nèi)容用來描述天基動(dòng)能武器的實(shí)用性。

在 2003 年，美國(guó)空軍出版名為“The U.S. Air Force Transformation Flight Plan”的報(bào)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(bào)告中，超高速棒束系統(tǒng)是 20 英尺長(zhǎng)(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(nèi)打擊全球任意目標(biāo)。這一鎢棒質(zhì)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(biāo)物；相當(dāng)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(chǎng)，以及“上帝審判”般的震撼表現(xiàn)。

杰瑞·波內(nèi)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(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)系列中也有天基動(dòng)能武器的體現(xiàn)——只不過是將整個(gè)衛(wèi)星作為動(dòng)能武器。

2011 年上映的《特種部隊(duì) 2：全面反擊》利用精美的特效向觀眾展現(xiàn)了天機(jī)動(dòng)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(gè)倫敦的地震。

天基動(dòng)能武器發(fā)射畫面 | 圖片來源：《特種部隊(duì)2：全面反擊》劇照

除了各種影視劇作品外，天基動(dòng)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(chǎng)便是圍繞著衛(wèi)星上天基武器控制權(quán)的爭(zhēng)奪展開，最終恐怖分子還是將一枚鎢棒發(fā)射向了美國(guó)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(zhēng)》《質(zhì)量效應(yīng)2》《光環(huán)》以及《GTA5》等一系列游戲中，均被設(shè)定為了威力巨大的終極武器。

可能有讀者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，截至目前關(guān)于天基武器的描述全部為各種影視設(shè)定以及理論預(yù)測(cè)，天基武器到底威力幾何，是否已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呢？

天基武器威力幾何

在 2018 年，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇名為《超高速長(zhǎng)桿彈對(duì)巖石侵徹、地沖擊效應(yīng)理論與實(shí)驗(yàn)研究》的論文，詳細(xì)模擬了天基武器對(duì)地面打擊效果，并在其中描述了鎢棒對(duì)地打擊的實(shí)戰(zhàn)結(jié)果。

與低速情況下不同，超高速的長(zhǎng)桿彈與地面撞擊不能再視為剛體碰撞，而是會(huì)根據(jù)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(shí)，發(fā)生流體侵徹，需采用流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)侵徹過程進(jìn)行計(jì)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(zhì)噴射的壓縮射流系數(shù)，表征了介質(zhì)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(nèi)，發(fā)生半流體侵徹，介質(zhì)處于內(nèi)摩擦向流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)，采用修正的流體動(dòng)力模型進(jìn)行模擬。

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

天基動(dòng)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(nèi)部，彈體逐漸減速，侵徹模式會(huì)發(fā)生從流體侵徹到半流體侵徹再到剛體侵徹的轉(zhuǎn)變，因此在計(jì)算成坑范圍時(shí)便可按照下圖將彈坑分為三個(gè)區(qū)域分別計(jì)算。

超高速?gòu)楏w侵徹演示成坑范圍計(jì)算簡(jiǎn)圖，由內(nèi)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(zhì)點(diǎn)位移很??；彈性區(qū)，仍舊保持著巖石的初始物理力學(xué)特征 | 圖片來源：參考資料6

當(dāng)然，該團(tuán)隊(duì)不止是給出了用于分析的模型，還結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

文獻(xiàn)原文 | 圖片來源：參考資料6

也就是說，我國(guó)已經(jīng)實(shí)施了天基動(dòng)能武器的對(duì)地打擊原型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是 140kg 的鎢棒僅打出了一個(gè)深 3.0m，坑徑 4.6m 的拋物型彈坑。

鎢棒打擊戈壁灘實(shí)驗(yàn)的成坑結(jié)果示意圖 | 圖片來源：參考資料6

這個(gè)殺傷力距離毀滅一座城市著實(shí)有點(diǎn)兒遠(yuǎn)，看來想要實(shí)際應(yīng)用彈體的質(zhì)量還要提高不少。至于質(zhì)量增加之后，如何控制運(yùn)輸成本和難度，那又是另一個(gè)問題了。

高空拋物的難處

利用重力勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，通過提高高度便可以得到更大的動(dòng)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(huì)呈拋物線型迅速增長(zhǎng)，達(dá)到物體的重力大小，此時(shí)重力與空氣阻力平衡，物體速度不再增長(zhǎng)。
因此從高空落下的物體都會(huì)有一個(gè)收尾速度，比如雨滴的速度是 8~9m/s。（所以大家就不用擔(dān)心一滴水從很高的地方落下來會(huì)不會(huì)砸死人了。）

同樣對(duì)于天基動(dòng)能武器而言，空氣阻力會(huì)限制其速度增長(zhǎng)。根據(jù)模擬計(jì)算，當(dāng)不計(jì)入空氣阻力時(shí)，“上帝之杖”動(dòng)能彈的入地速度可以達(dá)到 8221.3m/s，是計(jì)算空氣阻力情況下的兩倍多，反映在動(dòng)能上沒有空氣阻力時(shí)彈體的動(dòng)能可以達(dá)到原來的四倍以上。

或許等到人類真正進(jìn)入宇宙的那一天，動(dòng)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(xiàn)

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

[2]中國(guó)成功發(fā)射天基動(dòng)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(zhǔn)備擺脫對(duì)“動(dòng)能武器”的癡迷了嗎？- 知乎 (zhihu.com)

[5]關(guān)于APFSDS的科普(一) 長(zhǎng)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(zhǎng)桿彈對(duì)巖石侵徹、地沖擊效應(yīng)理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2018, 37(3):9.DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2017.1348.

[7]李爭(zhēng).“上帝之杖”天基動(dòng)能武器毀傷效應(yīng)評(píng)估[J].振動(dòng)與沖擊,2016,(18):159-164,180.

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來源丨中科院物理所

責(zé)編丨鐘艷平