超导技术在军事上的应用
无论是利用较早出现的低温超导材料还是利用新出现的高温超导材料, 超导技术在军用和民用产品上都有着广阔的应用前景, 它可以被应用到许多重要的电子装置和大功率装置上。

在军事方面, 超导技术将用于弹道导弹潜艇、弹道导弹防御系统、反装甲作战武器、先进空面导弹和反潜武器等许多重要的军事系统上。

下面介绍这项技术在电子技术和大功率装置领域的应用。

电子技术
军事和空间系统对电子装置、器件和系统的要求是相当高的在这样一个领域里, 超导电子技术会对传感器、信号处理及数据处理系统产生重大影响, 这是因为超导体有几个独特的特性, 从而使以下几项技术的实现有了可能：
——超低损失/耗散传输线和滤波器技术；
——高速、低噪声、低功率约瑟夫逊隧道结有源装置；
——用于磁及电磁感应的超导量子干扰器件(SQUID)；
——用于模拟（微波和毫米波）和数字式器件的单片集成电路。

更为独特的是, 对于超导体来说, 超高速、低噪声和低功率可以同时实现。

1.红外传感器
超导对红外传感器技术的主要影响是降低了冷却大型焦面阵内的信号处理和数据提取器件所需的功率。

这样, 灵敏度和探测范围更大的大型凝视焦面阵就可以实现。

超导体还可以改善较长波长下的探测能力、空间分辨率大型焦面阵的工艺性。

未来的天基红外焦面阵传感器将采用大型探测器阵、电子多路传输线路和一条连接低温恒温器和环境温度电子装置的数据线。

由于对探测器的需求数量很大, 这些传感器的信号处理就成了一个关键性的技术难题。

互补型金属氧化物晶体管模/数转换器要消耗几千瓦的功率。

性能相同的低温超导模/数转换器在被冷却到10K的红外探测器工作温度时可把所需功率降低90％。

低温超导模/数转换器可显著地降低冷却功耗, 并使系统的重量和尺寸大大减小。

开发利用高温超导模/数转换器技术需要解决这种新材料系统中的有源装置的研制间题。

这种装置对于在较高温度下工作的、半导体的或超导的红外探测器来说都是重要的(如对于工作温度为77K的啼锅汞探测器)。

问题的关键是如何利用能在探测器工作温度下工作的低功率模/数转换器。

目前人们预计超导模/数转换器芯片上的功率耗散将与温度成线性关系, 但冷却功耗的减少足以补偿信号处理所需功率的增加。

一些非常大的红外成像阵也许只有使用超导模/数转换器才能行得通。

2.微波和毫米波传感器
采用超导体的低噪声、低功率单片接收器将增大探测器的探测范围和分辨率。

这些改进对于空间监视和通信来说尤为重要。

超导体用于地球和海洋成像不仅可以降低噪声, 而且还可以实现多波段毫米波成像阵列, 而常规探测器焦面阵则不适于工作在毫米波段。

这些毫米波阵列可能会具有全天候能力以及可见光和红外系统所不具备的对云雾和烟尘的穿透能力, 还可能具有更高的空间和多普勒
分辨率及探测辐射特征很低的目标的能力。

多元毫米波焦面阵还将提高与阵元数量成正比的信号收集效率。

在背景噪声较小的空间通信线路中, 接收器噪声特性的改善可使探测范围增大, 可降低功率要求以便使用固态发送器, 并可减小天线的尺寸和重量。

这些特性将提高系统的使用寿命、自主性和安全性。

高温超导技术可能会提高甚宽波段通信系统的可行性。

这项技术将对相控阵卫星天线的轻质无源微波/毫米波器件和高性能的毫米波集成电路器件（如振荡器）的研制起到重大推动作用。

3.直流一超高频传感器
SQUID放大器噪声极低这一特性使我们可以在保持高灵敏度和宽带宽性能的同时,在超高频和超高频以下频率使用很小的天线。

主要应用有极低频/甚低频通信系统、先进的高频接收器以及小型高增益超高频天线。

4,.磁传感器
低温超导SQUID磁强计和梯度计已经发展到很高的水平,在市场上已可见到。

美国海军准备把这些低温SQUID装置用于反潜作战武器和水雷探测装置,目前正在进
行评定工作。

由于在较高温度下由热产生的噪声比在低温下高, 因此在某些限制噪声的场合这种磁传感器的应用受到了限制。

在后勤支援的复杂性大大降低后, 这种传感器将在遥感方面得到更多的应用。

5.信号处理
模/数转换器超导模/数转换器在速度和电能利用率方面要大大优于半导体装置。

高温超导模/数转换器的发展将降低冷却功耗和总功耗, 并改善转换器的性能,
从而会显著地扩大它们的应用. 由于功耗大为降低, 采用多通道模/数转换器
进行多吉赫频谱系统分析将成为可能。

延迟线信号处理器以抽头延迟线为基础的模拟信号处理器能为宽波段雷达和通信系统进行宽波段信号处理。

超导装置可在20吉赫的宽带宽上进行波形调制、卷积、相关、频谱分析和匹配滤波。

半导体装置上可利用新型高温超导材料来提高工作性能。

冷却功耗的降低使许多宽波段雷达和窃听系统都有可能使用这种处理器。

数字信号和数据处理在复杂程度相同而功耗降低的条件下, 低温超导数字信号处理器的处理速度要比普通砷化稼逻辑线路高10倍以上。

应用低温超导技术还可大大提高计算机性能。

目前已测得的最短响应时间约为2×10-12秒, 再加上只有几毫伏的信号漂移, 这样就可以形成耗电很少的高性能的逻辑电路。

日本富士通公司曾报道一个以约瑟夫逊技术为基础的四位微处理器, 其速度比同类的砷化稼微处理器快10倍, 而功耗却只有后者的千分之二。

高性能计算的一个关键问题是散热问题。

对于一项给定的散热技术来说, 系统中线路所需的空间随线路功耗的增加而增大。

这样, 逻辑信号在系统内传输所需的时间在决定整个系统性能时就变得越发重要。

低温约瑟夫逊技术系统极低的功耗在一定程度上要被维持低温所需的电能抵消, 但即便是一个大型系统也可因功耗很低而大大缩小其体积。

如果总功耗相同, 则采用低温超导技术的系统将具有更高的计算能力, 原因是其速度快和传输时间短。

目前还没有充分的理由相信晶体管的超导替代物是不可行的。

如果这种具有功率增益和很
高性能的装置能付诸实用, 超导技术在计算系统上的应用就将产生革命性的变
化。

在这方面, 高温超导材料表现出很大的潜力,因为它们与半导体材料的兼容性要比较早出现的超导体好得多,可以与半导体混用。

但需要强调的是, 要开发这种三极装置的潜力就需要发明一种全新的装置。

能力, 原因是其速度快和传输时间短。

二、大功率装置
这方面的应用主要是利用高电流密度超导材料所能产生的高强临界磁场。

这种材料有发展前途的应用领域很多。

超导体磁场可长时间地贮存大量的能量。

它们可以为旋转式电动设备提供小型强磁场源, 并可用于研制军事平台所需的非常规
式电动系统。

在武器应用方面, 它们能把弹丸加速到极高的速度. 而如果作为
电子束管的控制磁体, 它们又可以为产生毫米波和可见光波能量提供大功率能源。

所有这些都有着重要的军事应用价值。

1.磁体
超导技术最早的应用就是将超导体作为粒子加速器和贮能电感的高场强磁体。

在工作时, 能量被慢慢地输送到电感器中无限期地贮存起来, 在需要时再释放出来。

美国邦纳维尔州电力局已在使用一台中等尺寸的超导贮能电感器（3×107焦）。

大型贮能系统（1012焦）可满足地基自由电子激光器或天基定向能武器对峰值功率的要求。

具有高强临界磁场的磁贮能装置可能会减小这些贮能装置的尺寸和重量。

高场强磁体的近期应用可能包括振动陀螺仪和产生高功率微波、毫米波和光波的自由电子激光器所用的超导波束控制磁体。

2.电动设备
在大功率装置应用方面见效最快的将是把超导材料用于旋转式电动设备上。

由于不再需要采用磁路材料和通常的磁场绕组,电动设备的重量可大为降低。

用于船
舶推进的一台实验性3×106.瓦超导直流电动机已经问世, 并已在海上进行了试
验。

这台电动机比与其相当的普通空气冷却交流电动机小33％。

利用超导技术的大功率推进装置很可能首先用在舰船上, 但高场强超导体也可为装甲车辆甚至飞机推进系统提供轻质的发电机和电动机。

要指出的是, 要造就这样一些系统就必须研制能承受恶劣工作环境的低温支援系统。

应用超导的其它一些推进系统的出现已经指日可待。

3.发射装置
人们对电磁物块加速器方案的研究断断续续已有约25年。

最近, 美国战略防御计划局对将电磁炮技术用于弹丸加速器这一研究予以了支持。

电磁加速器能受到重视的原因在于它能把一个质量很大的物体加速到很高的速度。

与化学推进系统不同, 它所能达到的极限速度不是受气体膨胀速度的限制, 而是受电磁脉冲传播速度的限制。

这样, 加速后的弹丸就可以是一个有效的动能杀伤武器。

电磁加速器的应用包括作为舰船的近距离防御系统向巡航导弹发射弹丸, 从潜艇发射鱼雷或作为一种高超音速反装甲武器。

其弹丸的穿甲速度将超过音速。