串聯(lián)增強型電磁軌道炮技術(shù)特點與發(fā)展現(xiàn)狀

萬 敏，王志恒，李小將

（1.裝備學院研究生管理大隊，北京 101416；2.裝備學院航天裝備系，北京 101416）

串聯(lián)增強型電磁軌道炮技術(shù)特點與發(fā)展現(xiàn)狀

萬 敏1，王志恒1，李小將2

（1.裝備學院研究生管理大隊，北京 101416；2.裝備學院航天裝備系，北京 101416）

串聯(lián)增強型電磁軌道炮具有出口速度快、能量利用率高、電源要求低和軌道壽命長等優(yōu)點，是電磁軌道炮重要的發(fā)展方向之一。介紹了電磁軌道炮基本原理與限制其發(fā)展應(yīng)用的技術(shù)瓶頸；闡述了2種主要的串聯(lián)增強型電磁軌道炮基本原理，從電感梯度、出口速度與能量利用效率、電源要求、軌道壽命4個方面分析了技術(shù)特點；總結(jié)了國內(nèi)外研究機構(gòu)的研究現(xiàn)狀與研究進展；論述了串聯(lián)增強型電磁軌道炮發(fā)展的限制因素及未來的發(fā)展方向。

電磁軌道炮；串聯(lián)增強型；軌道結(jié)構(gòu)；電感梯度

電磁軌道炮簡稱軌道炮，它是一種依靠軌道與電樞間相互作用的電磁力來加速彈丸的新型發(fā)射裝置。與傳統(tǒng)火炮相比，具有出口速度高、射程遠、殺傷力大的優(yōu)勢，因此成為美、英、德、法、俄等軍事大國競相研究的對象。串聯(lián)增強型軌道炮是一種新型軌道結(jié)構(gòu)的軌道炮，它利用多對軌道通電時疊加的磁場，增加軌道的電感梯度，使軌道在承載同樣電流的情況下電樞獲得更大的推動力，具有更高的出口速度。由于串聯(lián)增強型軌道炮的顯著優(yōu)勢，使其成為了軌道炮的重要發(fā)展方向和研究熱點之一。

1 軌道炮基本原理與技術(shù)瓶頸

1.1 軌道炮基本原理

軌道炮主要由高功率脈沖電源、軌道、電樞、彈丸和開關(guān)等組件組成。其利用直流電動機的原理，當軌道與電樞通入電流時，軌道產(chǎn)生的電磁場與電樞中的電流發(fā)生作用，產(chǎn)生洛倫茲力，推動電樞與彈丸前進［1］。其原理圖如圖1所示。

1.2 軌道炮技術(shù)瓶頸

自1901年挪威奧斯陸大學物理學教授伯克蘭（Birkeland）正式提出電磁炮的概念并進行了一系列的試驗以來，電磁炮經(jīng)過了100多年的發(fā)展歷程，無論其理論還是試驗都取得了長足進步［2］。特別是在1978年，澳大利亞國立大學的馬歇爾（Marshall）教授宣布其試驗團隊在5 m長的軌道上成功將一顆3 g的彈丸加速到5.9 km／s的超高速之后［3］，電磁軌道炮的研究進入了飛速發(fā)展的時期。2010年12月10日，美軍成功試射了出口動能33 MJ，射程204 km的電磁軌道炮樣機［4］，刷新了炮口動能的記錄，同時也標志著電磁軌道炮距離實戰(zhàn)又進了一步。然而，電磁軌道炮想要真正地應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場，還需要著力解決以下幾個關(guān)鍵性問題。

1）脈沖電源小型化問題。電磁軌道炮發(fā)射時需要通入兆安級的電流，功率往往也達到吉瓦級，這對電源提出了較高的要求，常規(guī)電源無法支撐這樣的功率和電流要求，一般采用脈沖功率電源。脈沖功率電源主要包括：電容儲能式、電感儲能式、慣性（飛輪）儲能式、高功率化學能式、核-電脈沖式［5］。目前，脈沖功率電源的小型化主要集中在電容儲能式與慣性儲能式兩個方面。電容儲能式脈沖電源具有技術(shù)成熟、充放電時間短、瞬時功率高、環(huán)境影響小等優(yōu)點，但其儲能密度較低，一般在2 MJ／m3以下；慣性儲能式脈沖功率源具有使用壽命長、儲能密度高、瞬時功率大、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點，但其技術(shù)不成熟、控制輔助設(shè)備復雜、對飛輪的結(jié)構(gòu)和材料有較高要求［6］。因此，要解決脈沖電源小型化問題還需要進一步提升電容儲能式脈沖功率源的儲能密度，完善慣性儲能式脈沖功率源的技術(shù)。

2）軌道壽命問題。軌道發(fā)射器的使用壽命一直制約著電磁軌道炮的發(fā)展，是現(xiàn)階段阻礙電磁軌道炮應(yīng)用于實戰(zhàn)的主要限制因素之一。軌道在工作過程中，不僅承載兆安級大電流，同時也與電樞之間保持著幾千米每秒的滑動電接觸，在這樣的極端條件下，軌道和電樞之間會發(fā)生熔化、轉(zhuǎn)捩、刨削等問題，影響軌道的使用壽命［7］。早期電磁軌道炮試驗裝置多采用等離子體電樞，軌道只能單次使用。20世紀90年代后，開始采用固體電樞技術(shù)，并針對熔化、轉(zhuǎn)捩、刨削等現(xiàn)象開展了大量的仿真與試驗研究，取得了一系列的成果，使軌道的使用壽命大幅增加。目前軌道的使用壽命雖已提升到百發(fā)的量級，但距離真正的實戰(zhàn)應(yīng)用要求還有不小的距離。

3）發(fā)射組件問題。電磁軌道炮的炮彈一般由彈丸和電樞組成。彈丸是發(fā)射組件的有效載荷，利用巨大的動能來殺傷和摧毀目標，電樞是發(fā)射組件的關(guān)鍵部件，負責將電能轉(zhuǎn)換為動能。目前彈丸的研究重點為制導彈藥的抗過載能力研究，電樞的研究主要集中于固體電樞的設(shè)計與試驗研究。在發(fā)射過程中，彈丸加速度在數(shù)萬個g以上，軌道內(nèi)電場、磁場異常復雜，電流的焦耳熱對樞軌接觸面的燒蝕效應(yīng)突出，因此需要對彈丸的抗過載能力特別是制導彈藥的抗過載能力展開研究，對電樞的結(jié)構(gòu)和材料進行合理的設(shè)計與選擇，改善電流密度分布與焦耳熱分布情況，減緩或避免軌道與電樞接觸面的燒蝕，提升武器的使用效能。

在常規(guī)的軌道炮中，作用在電樞上的力與電流的平方成正比，與軌道的電感梯度也成正比。由于常規(guī)軌道炮的電感梯度已經(jīng)基本固定在0.5μH／m左右，因此要想進一步提高出口速度或者加速大質(zhì)量的彈丸，可以加大驅(qū)動電流值，但大的脈沖電流不僅增加了高功率脈沖電源的規(guī)模，而且往往也會對導軌產(chǎn)生嚴重燒蝕與電磁力破壞［8］。于是為解決限制軌道炮發(fā)展的技術(shù)瓶頸，研究人員從提升電感梯度與降低電流入手，提出了串聯(lián)增強型軌道炮、分散饋電軌道炮、分段軌道炮以及外場增強型軌道炮等多種新型軌道炮。其中，串聯(lián)增強型軌道炮以其優(yōu)異的性能與較簡單的結(jié)構(gòu)成為增強型軌道炮的研究熱點。

2 串聯(lián)增強型軌道炮基本原理及其技術(shù)特點

2.1 串聯(lián)增強型軌道炮基本原理

把多匝軌道串聯(lián)起來由一個獨立電源供電，以此增大磁場、減少軌道電流和增大軌道電感梯度的軌道炮形式稱為串聯(lián)增強型電磁軌道炮［9］。串聯(lián)增強型軌道炮主要分為兩種：平面式增強型和層疊式增強型。

在主軌道外圍繞主軌道串聯(lián)新的軌道，且與主軌道處于同一平面的增強軌道形式稱為平面式增強型軌道，如圖2所示。其原理為利用外置增強軌道通入電流時產(chǎn)生的磁場來增大主軌道間的磁場強度，提升等效電感梯度，最終增強電樞所受的洛倫茲力，達到提升電樞的出口速度的目的。

將軌道層疊起來，通過炮尾的跨接導體和互相獨立的電樞將軌道連接起來的形式稱為層疊式增強型軌道，如圖3所示。其原理同樣是利用多軌道來增強磁場強度。與平面增強型軌道不同的是層疊增強型可以加速多個獨立的電樞，并形成齊射效果。

2.2 串聯(lián)增強型軌道炮技術(shù)特點

串聯(lián)增強型軌道炮作為新形式的軌道炮，技術(shù)特點可歸為以下4點。

1）更高的電感梯度。電感梯度是衡量軌道炮最重要性能參數(shù)之一，串聯(lián)增強型軌道炮利用多匝軌道疊加磁場大大提高了軌道的電感梯度值。理論上，層疊式軌道的電感梯度可得到N2倍的提升，平面式軌道也可得到N倍的提升（N為軌道對數(shù)）［10］。

2）更高的出口速度和能量利用效率。在同樣的電流驅(qū)動下，串聯(lián)增強型軌道炮具有更高的電感梯度，相對于常規(guī)軌道炮電樞受到的推動力更大，加速度更高，出口速度更大，能量利用效率也有所提高。

3）更低的電源要求。與常規(guī)軌道炮相比，在產(chǎn)生同樣大小的電磁力的情況下，串聯(lián)增強型軌道炮具有更高的電感梯度，因此需要的電流值更小，降低了對脈沖電源的要求，有利于解決脈沖電源小型化問題。

4）更長的軌道壽命。由于串聯(lián)增強型軌道炮需要的脈沖電流較常規(guī)軌道炮要小，因此在其發(fā)射過程中產(chǎn)生的焦耳熱相對較小，減輕了軌道和電樞的燒蝕，提升了電樞的轉(zhuǎn)捩速度，有利于提升軌道的使用壽命。

3 串聯(lián)增強型軌道炮發(fā)展現(xiàn)狀及方向

3.1 串聯(lián)增強型軌道炮發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上幾個主要的電磁炮研究機構(gòu)都對串聯(lián)增強型電磁軌道炮展開了相關(guān)研究，部分機構(gòu)還進行了一系列的試驗研究，獲取了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

在國外，美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）［11］在N00173- 02- C- 2012項目的支持下，以設(shè)計低電流高效率的軌道炮為目標在實驗室中建立了炮長820 mm，口徑40 mm的小型平面式增強型軌道炮試驗系統(tǒng)，如圖4所示。試驗成功地將130～400 g的發(fā)射組件，加速到50～250 m／s的速度。試驗結(jié)果很好地符合理論預(yù)測，并與常規(guī)軌道炮的發(fā)射參數(shù)進行了比較分析，證明串聯(lián)增強型軌道炮相對于常規(guī)軌道炮能夠降低電流要求且提升發(fā)射效能。

法德圣路易斯研究所（French-German Research Institute Saint Louis’s，ISL）［12］在實驗室建立了15 mm×15 mm的方口徑平面式增強型電磁軌道炮，如圖5所示，比較特別的是該軌道炮使用的電樞為電刷式電樞，如圖6所示。在使用雙電刷電樞進行發(fā)射試驗時，串聯(lián)增強型軌道炮的出口速度達到了1 120 m／s，且沒有發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象，相較于相同條件下常規(guī)軌道炮370 m／s的出口速度，提升效果十分明顯。

美國先進技術(shù)研究院（Institute for Advanced Technology，IAT）［1314］也對串聯(lián)增強型軌道炮展開了深入的研究。在70多種不同幾何構(gòu)造的軌道配置中，IAT選擇層疊式四軌道為設(shè)計基礎(chǔ)，研制了40 mm方口徑與120 mm圓口徑兩門串聯(lián)增強型軌道炮，如圖7所示，用以研究增強型軌道炮在發(fā)射大質(zhì)量彈丸方面的能力，據(jù)文獻報道兩門軌道炮的電感梯度達到了1.8μH／m。在發(fā)射試驗中，兩門軌道炮分別將質(zhì)量為1.8 kg與17 kg的彈丸加速到400 m／s以及500 m／s的速度，試驗結(jié)果超過了研究人員的預(yù)期，證明了串聯(lián)增強型軌道炮在發(fā)射大質(zhì)量彈丸方面的具有一定的潛能。

鑒于串聯(lián)增強型軌道炮的優(yōu)勢，在國內(nèi)武漢大學機電工程學院、華中科技大學、鄭州機電工程研究所、中國科學院電氣工程研究所與北京特種機電研究所等均展開了相關(guān)研究。

武漢大學機電工程學院［15-16］在實驗室中建立了平面式增強型軌道炮與層疊式增強型軌道炮的試驗系統(tǒng)，如圖8所示，并利用理論推導和有限元分析的方法，對兩種增強型軌道炮的電感梯度、電流密度分布以及發(fā)射過程進行仿真分析，得出了層疊式在性能上優(yōu)于平面式的結(jié)論，并通過發(fā)射試驗證明了層疊式增強型軌道炮在發(fā)射性能上優(yōu)于平面式。

鄭州機電工程研究所［10，17］針對大口徑串聯(lián)層疊式軌道發(fā)射技術(shù)展開研究，設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為長4.5 m，口徑140×120 mm，20層軌道的M1型與長7 m，口徑400×370 mm，30層軌道的M2型兩套發(fā)射裝置，如圖9所示。并分別將質(zhì)量為5 kg和300 kg的彈丸加速到35 m／s的速度。雖然載荷的出口速度不高，但值得關(guān)注的是兩套發(fā)射裝置的驅(qū)動電流僅為2.5 k A與9 k A。他們的研究成果表明了串聯(lián)增強型軌道發(fā)射技術(shù)能夠利用較低的電流發(fā)射大質(zhì)量的彈丸。

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中科院電氣工程研究所和北京特種機電研究所［18］研制的串聯(lián)層疊式增強型軌道炮如圖10所示，炮長1 m，軌道為兩層設(shè)計，每層軌道內(nèi)徑尺寸為30 mm×60 mm，電感梯度1.3μH／m。

同時，為保證電樞與軌道的有效接觸，研究人員設(shè)計了一種如圖11所示的氣墊電樞，可通過充氣將接觸壓強提升到5 MPa。該增強型軌道炮在發(fā)射試驗中成功地將質(zhì)量為534 g的電樞加速到290 m／s且沒有轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。

3.2 串聯(lián)增強型軌道炮發(fā)展方向

雖然串聯(lián)增強型軌道炮有著良好的性能，但也存在著一些因素限制其進一步的應(yīng)用與發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾點。

1）軌道、電樞結(jié)構(gòu)復雜。串聯(lián)增強型軌道炮的多匝軌道需要通過電流跨接裝置進行連接，軌道對數(shù)越多跨接裝置越復雜，軌道通入脈沖大電流產(chǎn)生強大的互斥力，易對跨接裝置造成變形等。在電樞方面，平面式增強型軌道炮電樞與常規(guī)軌道炮電樞并無區(qū)別，但層疊式增強型軌道炮電樞之間需要使用絕緣材料進行隔絕，軌道對數(shù)越多電樞與軌道失接觸的概率越大。

2）通流能力不高。導體中通過脈沖電流或者交變電流時，導體內(nèi)部電流分布不均勻，電流集中在導體表面部分，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于電流的趨膚效應(yīng)，軌道表面電流密度遠大于內(nèi)部電流密度。仿真結(jié)果表明在同樣大小的驅(qū)動電流下，相較于常規(guī)軌道炮，串聯(lián)增強型軌道炮軌道內(nèi)部電流分布更不均勻，軌道表面最大電流密度值更大［19］，軌道與電樞的溫升更高，因電樞融化失接觸的概率更大，通流能力較低。

根據(jù)串聯(lián)增強型軌道炮的目前的發(fā)展現(xiàn)狀與限制因素，可推出以下兩點發(fā)展方向。

1）軌道、電樞的優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計合理的軌道跨接裝置，并做好封裝，減小互斥力對跨接裝置的影響；對軌道-電樞的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析，選取電流分布特性更均勻的結(jié)構(gòu)形式，提升軌道的通流能力。

4 結(jié)束語

串聯(lián)增強型軌道炮作為常規(guī)軌道炮的一種結(jié)構(gòu)改進形式，無論是在理論分析方面還是試驗驗證方面都被證實能有效地提升軌道炮的性能，降低脈沖電源的要求，延長軌道的使用壽命，具有較高的研究價值和應(yīng)用潛能。然而相對復雜的結(jié)構(gòu)與較低的通流能力限制著其進一步的發(fā)展與應(yīng)用，特別是在側(cè)重可靠性與穩(wěn)定性的工程實踐領(lǐng)域，這也是現(xiàn)階段大部分研究在試驗室開展的原因之一。因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等方面展開進一步的研究，解決更大推力與通流能力之間的矛盾，推動增強型軌道炮從實驗室走向戰(zhàn)場。

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Technical Characteristics and Development Status of Series-connected Augmented Railgun

WAN Min1，WANG Zhiheng1，LI Xiaojiang2

（1.Department of Graduate Management，Equipment Academy，Beijing 101416，China；2.Department of Space Equipment，Equipment Academy，Beijing 101416，China）

Series-connected augmented railgun is one of the important development directions of railgun with the advantages of faster muzzle velocity，higher energy efficiency，lower pulse power requirement and longer rail lifetime.An introduction is made of the basic principle and technical bottlenecks of the electromagnetic railgun.An elaboration is made of the principles of the two main kinds of series-connected augmented railgun.An analysis is made of its technical characteristics from inductance gradient，muzzle velocity，energy efficiency，power requirements and orbital lifetime.A summary is made of the research progress and status of domestic and foreign research institutions.And a description is made of the development restriction factor and the future development direction of the series-connected augmented railgun.

electromagnetic railgun；series-connected augmented；rail structure；inductance gradient

TJ303

A

1673-6524（2015）03-0091-06

2014- 09- 10；

2015- 03- 04

萬敏（1988－），男，碩士研究生，主要從事兵器科學與技術(shù)研究。E-mail：wanmin08006328＠foxmail.com