艦載電磁軌道炮用高功率脈沖電源研究進(jìn)展

范 晶 宋朝文

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著世界各國艦船綜合電力系統(tǒng)實施步伐的加快，新概念電能武器的開發(fā)成為新一代艦載武器的重要發(fā)展趨勢。其中，建立在電磁發(fā)射理論基礎(chǔ)之上的電磁軌道炮集遠(yuǎn)射程、大儲彈量、運輸和儲運安全等優(yōu)勢于一身而受到廣泛關(guān)注。

電磁軌道炮系統(tǒng)主要包括電磁軌道發(fā)射器、電樞和射彈、高功率脈沖電源（PPS）和控制開關(guān)等。電磁軌道發(fā)射器由絕緣固定的兩根通電平行導(dǎo)軌構(gòu)成，電樞和射彈可沿軌道滑動，電樞與導(dǎo)軌間有滑動電接觸。當(dāng)開關(guān)閉合后，PPS、軌道和電樞構(gòu)成串聯(lián)回路。通電電樞受到軌道電流磁場的作用，電磁力可推動射彈以超高速發(fā)射。

電磁軌道炮的發(fā)展在很大的程度上依賴于高功率脈沖電源的發(fā)展。例如，美國海軍設(shè)想的某型艦載電磁炮系統(tǒng)對功率的需求是15～30MW，對能量的需求是200MJ[1]。目前，比較有希望的PPS包括多種類型，如：發(fā)電機系統(tǒng)、電感儲能系統(tǒng)、電容器系統(tǒng)和超級電容儲能系統(tǒng)等。它們將慣性能、磁能、靜電能和化學(xué)能等多種形式的能量分別轉(zhuǎn)化為電磁軌道炮系統(tǒng)所需的電能。以下將分別介紹這四種電源系統(tǒng)的基本原理、優(yōu)缺點和研究現(xiàn)狀。

2 發(fā)電機系統(tǒng)

有望應(yīng)用于電磁軌道炮的發(fā)電機系統(tǒng)主要有基于慣性儲能的補償式脈沖交流發(fā)電機（CPA）系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)發(fā)電機系統(tǒng)兩類。

CPA系統(tǒng)利用較小功率的原動力把大質(zhì)量的飛輪或轉(zhuǎn)子拖動到高速，慣性地儲存起大量動能，然后利用機電轉(zhuǎn)換原理，把動能轉(zhuǎn)換成電磁能。CPA系統(tǒng)目前的最高水平已達(dá)到最高峰值功率 20GW，儲能200MJ，單發(fā)輸出40MJ[2]。單就儲能和功率的需求數(shù)據(jù)而言，CPA系統(tǒng)已基本上可以滿足電磁軌道炮系統(tǒng)發(fā)展的需要。但是CPA系統(tǒng)必須采用預(yù)先啟動以積累和儲存動能的工作模式，這意味著采用該系統(tǒng)的電磁炮在發(fā)射炮彈前需要有一個相對長的準(zhǔn)備期，這顯然不適合講究快速打擊的海上軍事行動。此外，CPA系統(tǒng)面臨的另一個重要問題是安全性，為了避免災(zāi)難性的后果必須考慮電磁屏蔽措施和控制各種原因產(chǎn)生的熱量[3-4]。

高溫超導(dǎo)發(fā)電機在發(fā)電原理上與傳統(tǒng)發(fā)電機相同，但是由于其采用了超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)材料，使發(fā)電機在容量、重量、體積、機械效率和穩(wěn)定性等方面的性能得到大大改善。特別值得一提的是，高溫超導(dǎo)發(fā)電機能夠提供MW級的功率和幾千伏的電壓。盡管新一代高溫超導(dǎo)材料的工作溫度已經(jīng)超越了77K液氮禁區(qū)，但是相對于室溫298K還有相當(dāng)大的一段溫度區(qū)間，因此，高溫超導(dǎo)發(fā)電機目前面臨的難題仍然是能量消耗和制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于超大容量的發(fā)電機系統(tǒng)，這一問題顯得更為突出。

3 電感儲能系統(tǒng)

電感儲能系統(tǒng)是以磁場方式進(jìn)行儲能的，該系統(tǒng)沒有運動部件，僅需要低電壓的初始功率，因此相對于慣性儲能系統(tǒng)，電感儲能系統(tǒng)的安全性更高。更另人關(guān)注的是電感儲能系統(tǒng)具有很快的充電速度，即使在10ms內(nèi)向電磁軌道炮入口釋放了10GW功，也能夠在5s內(nèi)以25MW的功率使電感重新充電[5]。不少實驗已利用電感儲能系統(tǒng)成功驅(qū)動過中小型電磁軌道炮[6-7]，但由于缺乏充電用的超大功率電池組和可重復(fù)使用的小型高電流開關(guān)，截止目前電感儲能技術(shù)的實用化程度還很低，其驅(qū)動大型艦載電磁軌道炮的難度相當(dāng)大。

4 電容器系統(tǒng)

電容器系統(tǒng)的核心部件是由大量電容器單元串并聯(lián)組合而成的電容器組，該系統(tǒng)的總能量是每一個電容器單元儲存的靜電能的加和。電容器單元的充電時間可以很容易控制在10ms以內(nèi)，而輸出功率密度可達(dá)到0.1～1MW/kg。正因為如此，在電磁軌道炮發(fā)展的起步階段，建立在電容器組基礎(chǔ)上的電容器系統(tǒng)成為 PPS的首選。但是一個無法回避的問題是電容器組的儲能密度過低，目前電容器組的最高儲能密度水平僅在1MJ/m3左右。假設(shè)電磁軌道炮單發(fā)發(fā)射需要的電能為30MJ，電磁發(fā)射的轉(zhuǎn)換效率為30%，則每次發(fā)射的電能需求為100MJ，若采用電容器系統(tǒng)作為 PPS，則僅電容器組就需要占據(jù) 100m3以上的空間，再考慮其它控制和輔助部件，PPS的體積不會小于200m3。如果要獲得較高的持續(xù)射速，還必須進(jìn)一步提高電容器系統(tǒng)的體積。即使對于空間足夠充裕的艦艇平臺而言，這也是很難接受的。

5 超級電容儲能系統(tǒng)

如上所述，作為電磁軌道炮系統(tǒng)的備選 PPS，發(fā)電機、電感儲能和電容器系統(tǒng)都面臨著難度不小的挑戰(zhàn)。為了改變這一窘境，近年來一些研究者開始開發(fā)一種新型儲能系統(tǒng)——超級電容儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多個超級電容器單元串并聯(lián)組合而成。例如，2003年美國海軍針對新一代電磁軌道炮系統(tǒng)的 PPS提出了超級電容模塊化設(shè)計，該模塊由 24個并聯(lián)的超級電容器單元組成，其性能為：充電電壓 15kV、容量 17.6mF。將這些模塊進(jìn)一步組合成40MJ的“儲能段”，整個超級電容儲能系統(tǒng)由 4個“儲能段”組成，總儲能量可達(dá)160MJ。

超級電容器的全稱是電化學(xué)超級電容器，它是利用電極/電解液界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實現(xiàn)能量儲存的儲能裝置。作為電磁軌道炮系統(tǒng)的備選 PPS，超級電容儲能系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[8-11]：

（1）高能量密度：超級電容器比傳統(tǒng)電容器的能量密度大 10～100倍，可達(dá)到 20MJ/m3以上，當(dāng)單次發(fā)射的電能需求為100MJ時，對應(yīng)PPS的體積不超過10m3。

（2）充電速度快：超級電容儲能系統(tǒng)可在幾秒鐘時間內(nèi)完成充電，而且漏電流遠(yuǎn)小于電容器系統(tǒng)，這樣一來該系統(tǒng)可長期處于充電或半充電狀態(tài)，電磁軌道炮發(fā)射炮彈前也就不需要太長的準(zhǔn)備期。

（3）輸出功率高：目前超級電容儲能系統(tǒng)的輸出功率等級可達(dá)10MW級，從理論和可行性上看該系統(tǒng)完全能滿足電磁軌道炮發(fā)射功率的需要。

（4）使用壽命長、免維護：超級電容器充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的可逆性，其理論循環(huán)壽命為無窮，實際可以達(dá)到10萬次以上，且使用過程中不需要維護，若采用超級電容儲能系統(tǒng)作為 PPS，電磁軌道炮的研發(fā)和裝備成本必然會大大降低。

（5）操控安全、方便：超級電容儲能系統(tǒng)配備有智能化管理模塊，可對整個系統(tǒng)甚至每一個電容器單元的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，這樣能夠最為有效地發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。

（6）使用溫度范圍寬：超級電容器可以在-40～70℃的溫度范圍內(nèi)使用，能夠滿足電磁軌道炮在不同環(huán)境下的使用要求。

相對于發(fā)電機、電感儲能和電容器系統(tǒng)，超級電容儲能系統(tǒng)也有著自身的缺陷，如：輸出功率密度等級約為 10kW/kg，單個超級電容器的電壓不到3V，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率不到80%等。但這些完全可以通過大量超級電容器的串并聯(lián)來解決。由于單個超級電容器的能量、重量和體積等參數(shù)可以根據(jù)需要來靈活訂制，在考慮總輸出功率和總電壓的前提下，整個超級電容儲能系統(tǒng)的能量、重量和體積能夠在相當(dāng)大的程度上得到優(yōu)化，從而滿足電磁軌道炮的發(fā)射需要。

6 結(jié)論

艦載電磁軌道炮系統(tǒng)PPS今后的發(fā)展趨勢是：吸收、儲存與釋放能量迅速高效，整體重量輕、體積小，脈沖過程易于控制，安全穩(wěn)定性高等。相比較而言，在現(xiàn)階段超級電容儲能系統(tǒng)各項指標(biāo)、參數(shù)均能基本適應(yīng)這一發(fā)展趨勢的需要，理論可行性更高，且沒有十分致命的技術(shù)缺陷?？梢灶A(yù)見，隨著超級電容儲能系統(tǒng)集成能力的不斷提高，基于該儲能系統(tǒng)的PPS必然會在電磁軌道炮設(shè)計和研制系統(tǒng)中占有重要地位，并推動電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展。

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