國內(nèi)外電磁發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀

電磁發(fā)射器是利用電能發(fā)射物體的發(fā)射裝置。實(shí)質(zhì)是把電能變換成發(fā)射物體所用的動能的一類能量變換器。電磁發(fā)射包括電磁軌道、電磁線圈、電磁重接等基于不同原理的多種發(fā)射方式，目前按其結(jié)構(gòu)可分為導(dǎo)軌型、線圈型和重接型三種。

一、國外研究現(xiàn)狀

1844年，由Colonel Dixonz首次提到“電磁炮”的概念，此后到二十世紀(jì)七十年代，美國、德國、法國、日本、奧地利、挪威等國家展開了相關(guān)研究工作。比較成功的有挪威奧斯陸大學(xué)的Birikeland教授在1901年制造了世界第一臺電磁線圈炮。1936年，美國普林斯頓大學(xué)的Northrop教授研制了離散型機(jī)械同步發(fā)射線圈炮。但是由于當(dāng)時科技發(fā)展水平不高，技術(shù)條件相對落后，電磁發(fā)射的研究進(jìn)程中遇到了種種困難，研究工作也因此有些停滯。

電磁軌道發(fā)射研究工作進(jìn)入了快速發(fā)展時期從1978年開始，澳大利亞國立大學(xué)研制了550 MJ的堪培拉單級發(fā)電機(jī)并投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，它能夠提供1 MA以上的電流，在5 m長的導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器上，把重量為3g的彈丸加速到5900 m/s的速度。這為電磁發(fā)射器的發(fā)展，做出了開拓性的貢獻(xiàn)。隨后，許多國家組織開始對軌道炮開展了研究，投入了大量研究資金，使得電磁發(fā)射技術(shù)在發(fā)射裝置、發(fā)射重量、彈丸速度、大功率電源等方面取得了一系列成果。荷蘭、英國、日本分別進(jìn)行電磁發(fā)射、脈沖功率和材料等技術(shù)的研究。

80年代初美國的研究逐步走在世界的前列，美國國防部先后成立了電磁炮發(fā)展研究顧問委員會和技術(shù)工作組，對電磁炮技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用潛力進(jìn)行了評估，并建議集中和協(xié)調(diào)國家的資金來發(fā)展電磁炮。新澤西州的皮卡汀尼兵工廠，威斯汀豪斯公司，德克薩斯州的奧斯汀德克薩斯大學(xué)機(jī)電研究中心和高技術(shù)研究所，加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室，通用原子公司，麥克斯韋實(shí)驗(yàn)室等均參加了電磁炮各分項(xiàng)目的研究。美國的蘇倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室協(xié)作，首次將2.2 g的彈丸加速到10km/s的高速；美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室在1986 -1993年進(jìn)行了系列的基本實(shí)驗(yàn)，并編制WARP-10模擬計(jì)算程序，大大推動了電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展；位于匹茲堡的威斯汀豪斯公司研發(fā)了EMACK和SUVAC項(xiàng)目；SUNNYVALE公司研發(fā)了“雷電”項(xiàng)目，雖然它是澳大利亞國立大學(xué)軌道炮的翻版，但它第一次建造了完整的軌道炮系統(tǒng)。1994年，美國建造的軌道炮系統(tǒng)可以把質(zhì)量4.44 kg的物體加速到3 km/s.

進(jìn)入21世紀(jì)，美國進(jìn)一步加快了電磁軌道炮的研究進(jìn)程。以美國先進(jìn)技術(shù)研究所和位于馬里蘭州阿伯丁實(shí)驗(yàn)場的美國陸軍研究室為代表的科研單位已將順利開展了電磁軌道炮集成到現(xiàn)有的或未來的武器平臺的相關(guān)研究，并取得重大進(jìn)展。美國海軍在2003年4月在蘇格蘭柯爾庫布里郡成功完成了驗(yàn)證電磁軌道炮發(fā)射高超音速彈藥的海上演示驗(yàn)證試驗(yàn)。2005年美國通用電子系統(tǒng)公司己經(jīng)研制成儲能密度為3MJ/ m3的脈沖電容器。2008年，美國己經(jīng)研制成功脈沖交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以供炮口需求動能為2 ～5 MJ的電磁軌道炮使用。2010年12月10日，美國海軍研究辦公室的實(shí)驗(yàn)型電磁導(dǎo)軌炮樣炮在位于達(dá)爾格倫的海軍水面作戰(zhàn)中心進(jìn)行了射擊試驗(yàn)，將10.4kg的彈加速到2500m/s。

其它國家也開展了電磁炮的相關(guān)研究。例如荷蘭的TNO，德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)、德國的萊茵金屬公司和TZN、位于法國的法·德圣路易斯研究所，英國的BAE系統(tǒng)公司。位于澳大利亞墨爾本的澳大利亞國防部實(shí)驗(yàn)室、日本東京技術(shù)研究所等。其中，法·德圣路易斯研究所在1998年建成了“飛馬”電磁軌道炮，身管長度為6m，可將1 kg的彈丸發(fā)射到2000 m/s以上的速度。2004年英國國防部牽頭研制成了輕型電磁軌道炮演示樣機(jī)，并開發(fā)了多種類型的脫殼穿甲彈。該炮在分別采用了矩形和圓形炮膛結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)射時的峰值電流達(dá)到了2 MA，將質(zhì)量為2.5 kg的彈丸發(fā)射到2000 m/s的速度，但在實(shí)驗(yàn)檢查電樞時，出現(xiàn)了輕微燒蝕的現(xiàn)象。

二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于國家科技經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱，又受時代發(fā)展階段的制約，電磁發(fā)射技術(shù)在國內(nèi)的研究起步較晚。1981年，軍械工程學(xué)院王瑩教授開始從事電磁發(fā)射技術(shù)和新概念武器的研究教學(xué)工作，他發(fā)起、組織、指導(dǎo)了中國電磁發(fā)射的研究，并出版了專著《電炮原理》、《高功率脈沖電源》、《新概念武器原理》、《電發(fā)射物理學(xué)》等，它與新西蘭的理查德·馬歇爾教授合著了《電磁軌道炮的科學(xué)與技術(shù)》。目前，在中國有幾十家單位開展與電磁發(fā)射相關(guān)的研究工作，如中國工程物理研究院流體研究所、中科院等離子體研究所、北京特種機(jī)電研究所、哈爾濱理工大學(xué)等，并在電磁軌道發(fā)射的不同領(lǐng)域做出了相關(guān)貢獻(xiàn)。

1986年，中國工程物理研究院流體物理所建造了我國第一臺電磁導(dǎo)軌發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置，將0.34 g的彈丸加速到1680 m/s的速度。隨后又研究制造了一臺線圈炮，將把直徑為60 mm、質(zhì)量為1 kg的彈丸加速到60m/s的速度。

1988年8月，中科院等離子體物理所也建成了一臺導(dǎo)軌式電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置，把50 g的發(fā)射體加速到3000 m/s。之后，對旋轉(zhuǎn)磁通壓縮脈沖發(fā)電機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，并完成25MW被動旋轉(zhuǎn)磁通壓縮脈沖發(fā)電機(jī)的磁場設(shè)計(jì)和樣機(jī)制造的工作，并在實(shí)驗(yàn)中以每秒鐘4發(fā)的射速將10發(fā)彈丸加速到2000 m/s。

1998年，中國科學(xué)院等離子體物理研究所的呂慶敖等人提出了一種新型電磁軌道炮，該炮既能利用固體電樞的優(yōu)勢，又能避免電樞的燒蝕缺陷。

從90年代初開始，華中科技大學(xué)對電磁炮電源進(jìn)行相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，制造了多門軌道炮原理樣機(jī)。對軌道炮的炮膛燒蝕]、電氣負(fù)載特性、軌道炮電樞等方面進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)研究。中國電工技術(shù)學(xué)會電磁發(fā)射技術(shù)專委會于 2002 年 8 月成立，由專委會舉辦的首屆電磁發(fā)射國際學(xué)術(shù)會議也于 2004 年 8 月在大連召開。

2010年，北京特種機(jī)電研究院聯(lián)合中國科學(xué)院電工研究所、華中科技大學(xué)、南京大學(xué)等多家國內(nèi)高校，建造了一門儲能為10 MJ的電磁軌道發(fā)射裝置，該發(fā)射裝置長6m，發(fā)射時峰值電流達(dá)到了1.8 MA，將質(zhì)量為1 kg的彈丸加速至2100 m/s。

南京理工大學(xué)也是開展電磁軌道炮技術(shù)研究的高校之一。主要開展了彈道、身管、脈沖電源和固態(tài)開關(guān)相關(guān)技術(shù)研究。鄭州機(jī)電研究所先后制造了兩門20層增強(qiáng)軌道炮分別將質(zhì)量為5 kg和300 kg的物體分別加速到35 m/s。哈爾濱理工大學(xué)著重于同軸線圈炮的發(fā)射原理，建造了一臺432 mm長度的三級電磁線圈發(fā)射裝置，將27 g的鋼制彈丸加速到接近75 m/s的速度。大連理工大學(xué)對電磁重接炮進(jìn)行了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究工作包括電磁重接炮點(diǎn)火控制系統(tǒng)和測速系統(tǒng)以及重接級數(shù)、主控開關(guān)性能對發(fā)射效率的影響，設(shè)計(jì)并制造了三級重接炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以將質(zhì)量為160 g的彈丸加速至27 m/s的速度。

三、結(jié)束語

電磁發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和在各個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力不斷凸現(xiàn)，特別隨著脈沖功率技術(shù)、材料技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，在近20年有很大的發(fā)展和眾多突破。當(dāng)今世界，很多國家都在研究電磁發(fā)射技術(shù)，可行性實(shí)驗(yàn)論證研究階段已經(jīng)過去，現(xiàn)正進(jìn)行工程實(shí)用研究。在新的世紀(jì)里，電磁發(fā)射技術(shù)必將充分體現(xiàn)它的優(yōu)勢與不可估量的作用。