超导计算机及超导武器装备

超导计算机及超导武器装备
1962 年，约瑟夫逊提出了超导效应后，超导技术开始崭露头角展现了引人注目的前景。

从1986 年起美、日、中等国的科学家经过艰苦努力，采用液氮制备技术在液氮温区相继获得100K以上转变温度的超导体，从此揭开了超导体大规模应用的序幕。

美国对超导技术极其重视，早在1987年就将超导技术的发展及实用化列入了国防计划SDI计划和常规防御计划CDI。

美国前总统里根有一份发展超导技术11点计划，其中明确规定要从1988年开始的三年计划中，拨专款1.5亿美元以保证超导计划尽快应用在军事系统中。

在实用化方面美国和日本对超导技术也非常重视。

超导体在超导状态下电阻为零可输送大电流而不发热无损耗具有高载流能力并可长时间无损耗地储存大量的电能以及能产生极强磁场等特点，因此，超导技术有着广阔的应用前景特别在军事领域将产生深远的影响，必将引起未来武器装备作战理论和军队作战方式等方面巨大的变革。

1、超导计算机
1.1 超导器件
利用约瑟夫逊结，当电流低于某一个临界值时绝缘层上不出现电压降，此时结处于超导态。

当电流超过临界值时结呈现电阻并产生几毫伏的电压降即转变为正常态。

如在结上加一个控制极来控制通过结的电流或利用外加磁场可使结在两个工作状态之间转换这就成了典型的超导开关。

20世纪60年代末，美国IBM公司首先开展这一领域的研究接着日本也开展相应的研究工作。

80年代末到90年代初，国外在两个领域取得重要进展：采用快速单磁通量子rapid single flux quantum, RSFQ 构成新型数字电路机制，保证了超导数字电路的高速开关特性。

RSFQ数字电路芯片是超导超级计算机的核心。

RSFQ数字电路可产生、传递、记忆和再生出宽度极小的量子化低压脉冲。

这种电压脉冲面积为单个磁通量子并以此构成二进制逻辑电路。

由于电路设计时每次状态翻转所对应的磁通量变化只有一个磁通量子而且这时所对应的脉冲宽度很窄为ps量级，所以通常称之为快速单磁通量子器件RSFQ。

利用这器件可制成超导存储器超导大规模集成电路，这是计算机中理想的超高速器件。

由于这些方面的突破加快了超导RSFQ 计算机的研制步伐。

超导器件有如下特点：
⑴开关速度快。

超导开关的开关速度目前已达几皮秒（1ps=10–12s），比目前使用的高速硅集成电路快几百倍。

⑵功耗低。

每个门的功耗只有0.1W，集成度高，由于电流在超导体中流动时不发热，也不损耗。

超导集成电路的功耗仅为硅集成电路的几百分之一，为一般晶体管的两千分之一因此其集成度可望做得很高目前已达到大规模集成电路的水平由于使密集堆放多个超导芯片成为可能即可实现超导并行计算机。

⑶超导器件的结构基本上可用现行大规模集成电路工艺制作并可用超导传输线来完成
计算机中元器件之间的信号传输。

超导传输线具有无损耗和低色散的特点。

1.2 超导计算机
超导计算机是21世纪超级计算机的发展方向之一。

利用超导器件可研制超导计算机。

已经完成的低温液氦温度4.2K超导RSFQ简单电路，每秒钟能执行500亿次指令，它比最快的硅器件还快100倍。

现有的技术可使其速度提高数千倍。

目前美国正进行着EARTH和HTMT 混合技术多进程计算机计划，正在研制一种每秒千亿次浮点运算的petaflops超导计算机。

目前美国的HTMT 超导计算机由处于液氦温度下的超导处理器，及其芯片网络处于液氮温度下的内置处理器，静态存储器SRAM PIM内置处理器，动态随机存储器(DRAM PIM)和激光全息存储器组成该计算机，共有4000个工作在100 GHz的处理器，外部收入输出设备通过光接口与计算机相连每个多芯片模块CMCM为20cm×20cm其上装有运算与集成存储器芯片COMMODES和5个芯片网络芯片由于超导计算机具有很高的运算速度和巨大的运算能力在国民经济和国防建设中都具有广泛的应用。

因此许多发达国家特别是美国对此研究给以高度重视，特别最近几年由于大型工程计算、长期天气预报、基因分析、模拟核试验、密码破译、战略防御系统等领域的迫切需要更加快了研究步伐。

日本ETL研究所已于1991年研制成世界上第一台超导计算机。

预计美国的超导HTMT计算机将在10年内可以实现。

2、超导武器装备
2.1、超导C3I系统
超导计算机不仅促进计算机技术的发展也为军事C3I系统的开发应用展现了美好前景。

现代战争是各种武器系统和诸军兵种在陆、海、空、天、电磁等各个战场上的全面对抗。

是军队整体实力的较量，这就要求C3I系统必须能够快速、有效地把各种武器系统各军兵种和各战场连结成为一个有机的整体，使作战部队能协调一致，像一台仪器一样高速运转C3I 系统的核心是电子计算机。

由于硅集成电路受到功耗的限制在存储容量和运算速度等方面难以满足现代战争的要求，如美国星球大战计划的指挥控制中心要求计算机，每秒处理500亿个指令信息，存储容量达107比特，能进行程序编码达1000万次的运算，现有的计算机是无法同时满足这些要求的，而超导计算机则可满足上述要求。

它的特点是可在元器件不发热无电阻的情况下高速度高效率地运行，其运算速度将比现在的半导体快10-100倍可达每秒3000亿至1万亿次。

因此，超导计算机应用于C3I系统中将使其性能获得巨大的提高。

2.2、超导磁异常探测系统和超导磁性水雷
约瑟夫逊效应与基本物理量如电压、频率、磁通量、普朗克常数等相联系可实现高精度的测量。

因此，利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量具有极高的灵敏度。

超导电磁测量装置使极微弱的电磁信号都能被采集处理和传递，实现高精度的测量和对比，例如利用约瑟夫逊器件制成的超导量子干涉仪对周围磁场的变化极其敏感，其灵敏度可达10–10-10–13T特
斯拉，比常规手段高出3-5个数量级。

在军事领域采用超导量子干涉仪的磁异常探测系统不但可探测敌方的地雷、潜艇，而且还能制成灵敏度极高的超导磁性水雷。

2.3、超导红外探测器
利用超导器件可制成高灵敏度的超导红外–毫米波探测器，它不但灵敏度高，可探测10–16T的磁信号和10–15V的电信号，而且还具有频带宽的特点。

其探测范围几乎可覆盖整个电磁波频谱填补了现有探测器不能探测亚毫米波频段的空白。

利用超导器件还可制成超导大型红外聚焦阵列探测器。

如果用这些探测器装备部队可大大提高信息获取量和信息处理速度这必将极大地提高部队的电子侦察能力并可使隐身武器平台原形毕露。

2.4、超导发动机和超导飞机
利用超导磁体可产生很高的磁场，从而大大提高磁体发电的输出功率。

利用这一强磁特点可制成大功率发动机。

超导发动机具有储能大、损耗小、重量轻、体积小等特点，可用来驱动飞机、轮船、潜艇和鱼雷等，其噪声很小。

超导技术的不断突破，为大容量、小型化磁流体发动机的研制成功提供了条件。

这种超导发动机实用化后，飞机可用它作能源，为空中指挥所和预警机的大型雷达、大型计算机、各种通信设备等非常耗电的装备提供电力。

目前美国已经研制成功一台3000W试验型发电机，其体积比传统发电机减少了1/3。

此外有些国家正在研制几百兆瓦至1GW的体积小、重量轻的超导发动机。

这些超导发动机对提高飞机的作战性能起着至关重要的作用。

目前已在研制几百兆瓦至1GW的体积小、重量轻的超导发电机将提供给机载武器(如激光武器)、空中指挥所和预警机使用。

此外利用超导体的抗磁特性可制成超导陀螺仪将可大大提高飞机的飞行精度。

2.5、超导坦克、超导装甲车辆、超导导弹
超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，使之可长时间无损耗地储存大量电能。

需要时储存的能量可以连续地或脉冲地释放出来。

利用这个特点可制成超导储能系统。

1987年美国战略防御计划办公室就提出建立超导储能工程实验模型ETM的计划。

已投资2000万美元，建成了一个储能系统。

其最大储量可达到204×106kWh7.35×1010J利用体积小容量大的超导储能系统和超导电动机，可制成超导坦克超导装甲车辆超导导弹。

2.6、超导定向能武器
定向能武器如粒子束武器、激光武器和微波武器等等是把能量汇聚成极细的能束沿着精确的方向，以接近光速的速度发射出去，对目标进行杀伤。

然而定向能武器耗能大，要求在瞬间提供数十亿至数百亿焦耳的能量。

目前的储能装置很难满足这一要求，而且体大笨重不便携带。

利用超导技术可以解决上述问题。

利用超导材料制成的磁性极强无损耗的超导磁铁可提供研制超导定向能武器所需要的高能加速器，为超导定向能武器的发展开辟道路。

超导
技术的应用不仅可以解决这种武器发射时需要巨大能量的问题，而且使其体积和重量大大减小，便于部署和使用，从而为这种武器更快地投入战场加入战略反导反卫星的武器行列提供了可能性。

2.7、超导电磁炮
电磁炮是利用电磁力加速弹丸的现代化电磁发射系统，它是美国星球大战计划研制的动能武器之一，也是美国下一代坦克炮方案之一。

利用超导技术解决了为其提供体积小重量轻可重复使用的电源和减小导轨的磁性损失和焦耳热损耗，提高系统效率这两个问题。

目前正在研究用超导线圈产生磁场以便减小通过导轨的电流从而减小导轨的剩磁损耗和热损耗，增加弹丸的动能达到提高电磁炮系统效率的目的。

2.8、超导电磁推进系统和超导舰艇
超导电磁推进系统是按照电磁原理设计的在舰船上安装电磁铁海水中就会产生磁力线同时产生与磁力线方向垂直的电流在磁场和电流相互作用下海水就会向后运动由于海水的反作用力舰船将获得一种向前的推力其大小与磁场强度和电流大小的乘积成正比用超导材料制成的超导电磁推进系统取代舰艇的传统推进系统具有速度快推进效率高控制性能好结构简单噪声小无污染造价低和易于维修等诸多优点使舰艇的航速和续航能力倍增如大型驱逐舰在负荷航速续航能力相同条件下采用超导电磁推进系统可少装一台燃汽轮机减少满载排水量节省燃料节约建造费用潜艇应用超导电磁推进系统后能有效地消除噪声降低红外辐射不易被敌方发现从而可大大提高舰艇的机动作战能力和生存能力
2.9、超导太空发射器
多年来，航天飞机的发射都是由多级巨型动力运载火箭来完成的。

人们一直梦想利用超导技术研制超导磁悬发射装置取代火箭发射航天飞机。

随着超导技术的发展新型常温超导材料的研制成功为实现这一梦想创造了条件。

在1990年日本研制出一种磁悬浮力相当于现有超导材料300倍的新型的常温超导材料。

它不但可以用来制造高速磁悬浮列车而且还可以用来发射航天飞机。

现在一些发达国家已经研制出可用来发射航天飞机的超导磁悬发射装置。

此装置由一条3500m长的水平超导导轨和一条2000m高的垂直超导导轨相连接，形成一个近90的陡坡。

发射时航天飞机在磁悬浮力的作用下沿着水平方向前进并逐渐加速当达到终端的弧形轨道后便随着弧形轨道而改变方向并以500-600km/h的速度沿垂直导轨向上飞行，在离地面1500m左右时飞离发射装置，与此同时航天飞机的发动机开始工作，靠自身的动力直刺苍穹。

采用超导磁悬发射装置可以减轻航天飞机的重量，增加有效载荷推力大，耗能少，起飞速度快、安全、可靠、可重复使用、节省大量经费。

除此之外超导技术还将广泛应用于磁约束核聚变、雷达、卫星等领域。

对国民经济、军事、科学技术等方面的发展将产生重大的影响。