電磁發(fā)射技術(shù)*

馬偉明，魯軍勇

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

電磁發(fā)射技術(shù)*

馬偉明，魯軍勇

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

電磁發(fā)射技術(shù)是未來發(fā)射方式的必然發(fā)展趨勢。分析了電磁發(fā)射的原理和技術(shù)特點，研究了電磁彈射、電磁軌道炮、電磁推射三個技術(shù)分支的國外發(fā)展情況，概述了電磁發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)，并依此提出了發(fā)展思路及電磁發(fā)射技術(shù)的推廣應(yīng)用前景。

電磁發(fā)射；電磁彈射；電磁軌道炮；電磁推射

電磁發(fā)射是一種全新概念的發(fā)射方式，電磁發(fā)射技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都有著巨大的潛在優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

將目標物體加速到更高的初速度是人類一直以來不懈追求的目標。在冷兵器時代，人類利用機械能來拋射物體，而后，隨著火藥在我國的發(fā)明，人類開始借助化合物燃燒或爆炸時產(chǎn)生的能量來完成目標物體的發(fā)射?；瘜W(xué)能的應(yīng)用使得發(fā)射目標的初速度從每秒幾十米飛躍至每秒上千米，戰(zhàn)爭也由此進入了熱兵器時代。然而科技的發(fā)展遠未止步于此，20世紀70年代末，澳大利亞國立大學(xué)的科研人員利用一臺大型的單極發(fā)電機，成功地將一枚質(zhì)量為3 g的聚碳酸酯彈丸加速到5.9 km/s[3]，完美證實了電磁發(fā)射技術(shù)在超高速發(fā)射領(lǐng)域所具備的無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢[4]。

發(fā)展到今天，電磁發(fā)射裝置的種類已經(jīng)很多，其中技術(shù)較為成熟的有電磁彈射、電磁軌道炮、電磁推射等[5]。

1 概述

1.1 電磁發(fā)射技術(shù)原理

電磁發(fā)射技術(shù)是機械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射之后的一次發(fā)射方式的革命，利用電磁力(能)推進物體到高速或超高速的發(fā)射技術(shù)[6-7]。它通過將電磁能變換為發(fā)射載荷所需的瞬時動能，可在短距離內(nèi)實現(xiàn)將克級至幾十噸的負載加速至高速，可突破傳統(tǒng)發(fā)射方式的速度和能量極限，是未來發(fā)射方式的必然途徑。圖1為電磁發(fā)射裝置系統(tǒng)構(gòu)成圖，它由脈沖儲能系統(tǒng)、脈沖變流系統(tǒng)、脈沖直線電機和控制系統(tǒng)四部分組成，發(fā)射前通過脈沖儲能系統(tǒng)將能量在較長時間內(nèi)蓄積起來，發(fā)射時通過將脈沖變流系統(tǒng)調(diào)節(jié)的瞬時超大輸出功率給脈沖直線電機，產(chǎn)生電磁力推動負載至預(yù)定速度，控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息流對能量流的精準控制。

圖1 電磁發(fā)射裝置組成Fig.1 Composition of electromagnetic launch system

1.2 技術(shù)分支

按照發(fā)射長度和末速度的不同，電磁發(fā)射技術(shù)可分為電磁彈射技術(shù)(發(fā)射長度百米級，末速度可達100 m/s)，電磁軌道炮技術(shù)(發(fā)射長度十米級，末速度可達3 km/s)，電磁推射技術(shù)(發(fā)射長度千米級，末速度可達8 km/s)，三種技術(shù)的基本原理相同，涉及的具體關(guān)鍵技術(shù)有一定差別，但總的技術(shù)可概括為高能量密度儲能技術(shù)、大容量功率變換技術(shù)、大功率直線電機技術(shù)和新型網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，如圖2所示。

圖2 電磁發(fā)射技術(shù)分支Fig.2 Branches of electromagnetic launch technology

1.3 電磁發(fā)射技術(shù)特點

電磁發(fā)射技術(shù)是隨著材料技術(shù)、電力電子器件、高性能控制技術(shù)而取得重大進展的一種發(fā)射技術(shù)，具有“更高、更快、更強”三種典型特征。

更高，首先指的是發(fā)射速度高，可超越化學(xué)能發(fā)射的速度極限，速度可從100 m/s到8 km/s，傳統(tǒng)火藥僅1 km/s以下；其次是發(fā)射效率高，理論效率可達50%，傳統(tǒng)發(fā)射方式如蒸汽彈射僅為4%～6%；最后是有效載荷比大，推動負載的動子一般為鋁制結(jié)構(gòu)。

更快，首先指的是啟動時間短，從冷態(tài)到發(fā)射僅需幾分鐘；其次是發(fā)射間隔短，可以在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)重復(fù)發(fā)射；最后是保障要求低，對輔助配套設(shè)施要求低，僅需一定充電功率和少量冷卻水。

更強，首先指的是發(fā)射動能大，電磁彈射可達120 MJ，航天推射可達千兆焦，電磁炮動能毀傷能力強；其次是發(fā)射負載可變，可靈活調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)不同載荷發(fā)射；最后是持續(xù)作戰(zhàn)能力強，可靠性高，可維護性好，操作維護人員少。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 電磁彈射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

航母電磁彈射裝置是目前最先進的飛機起飛裝置，它不但適應(yīng)了現(xiàn)代航母電氣化、信息化的發(fā)展需要，而且具有系統(tǒng)效率高、彈射范圍廣、準備時間短、適裝性好、控制精確、維護成本低等突出優(yōu)勢，是現(xiàn)代航母的核心技術(shù)和標志性技術(shù)之一[8-10]。美國將其視作實現(xiàn)“空海一體戰(zhàn)”的利器和領(lǐng)跑世界航母技術(shù)的關(guān)鍵，已于2014年配備在“福特號”航母上[11]。電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于航母，將顯著提升航母的綜合作戰(zhàn)能力，滑躍和傳統(tǒng)彈射類型的航母將難以對電磁彈射航母構(gòu)成實質(zhì)性威脅。英國“威爾士親王號”航母也將改裝電磁彈射器，俄羅斯、印度新一代航母方案也將采用電磁彈射方案[12]。

2.2 電磁軌道發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自從20世紀80年代世界再次掀起電磁軌道炮研究熱潮以來，歐美海軍均認為這種新概念武器將最先應(yīng)用于海軍部隊，這是因為現(xiàn)有科技條件下儲能電源體積過于龐大，而海軍戰(zhàn)艦具有寬敞的作戰(zhàn)平臺，并具有良好的發(fā)配電系統(tǒng)，便于提供發(fā)射時所需的高功率脈沖電源。特別是近年來艦船綜合電力技術(shù)的應(yīng)用，可將全艦的能量集中調(diào)配使用，能夠為作戰(zhàn)平臺搭載艦載電磁軌道炮提供行之有效的技術(shù)途徑。目前，美國海軍電磁軌道發(fā)射水平代表了當(dāng)今世界電磁軌道發(fā)射的最高水平，分別于2008年、2010年進行了10 MJ和33 MJ電磁軌道炮試驗，實現(xiàn)了10 kg射彈初速達2.5 km/s[13-14]。2013年，美國解決了非連續(xù)發(fā)射條件下的軌道抗燒蝕問題[15-16]，預(yù)計將于2025年左右在瀕海戰(zhàn)斗艦、DDG51及DDG1000上裝備不同能量等級的艦載電磁軌道炮[17]。

2.3 電磁推射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電磁發(fā)射成本低、操控安全、適應(yīng)性強、能量釋放易于控制、可重復(fù)快速發(fā)射等優(yōu)點，為快速、低成本地向太空投送小衛(wèi)星和物資提供了新的思路[18-21]。20世紀80年代，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Agency, NASA)開始進行電磁線圈推射技術(shù)的概念性研發(fā)工作[22-23]。

1980年，美國的研究人員在威斯汀豪斯研究和發(fā)展中心用電磁炮成功地發(fā)射了一顆質(zhì)量為317 g的彈丸，其飛行速度為4200 m/s。NASA嘗試修建一個長700 m、仰角30°、口徑500 mm的電磁線圈巨炮，將2000 kg的火箭加速到4000～5000 m/s，推送到200 km以上的高度，使用這個系統(tǒng)可重復(fù)發(fā)射小型衛(wèi)星或者為未來興建大型近地空間站提供廉價的物資運輸。1990年初，美國Sandia國家實驗室設(shè)計了一種線圈型電磁發(fā)射裝置，由9000級驅(qū)動線圈組成，發(fā)射裝置長960 m，傾角25°，計劃將600 kg的電樞和1220 kg的飛行器加速到6 km/s，加速度高達2000g[24]。目前，NASA正在開展工程應(yīng)用前期論證，研究“電磁+火箭”復(fù)合發(fā)射方式，已看到初步應(yīng)用前景。

3 電磁發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)

電磁發(fā)射技術(shù)是電磁場理論的應(yīng)用技術(shù)，它利用電磁力對載荷進行加速發(fā)射。與所有發(fā)射系統(tǒng)一樣，要實現(xiàn)電磁發(fā)射，必須具備脈沖直線電機、發(fā)射體、高儲能密度和高功率密度脈沖電源(能源)、控制系統(tǒng)四大部分，因此，電磁發(fā)射技術(shù)方向集中在脈沖直線電機技術(shù)、發(fā)射體技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、電磁發(fā)射總體技術(shù)等方向。

3.1 脈沖直線電機技術(shù)

脈沖直線電機是指提供可控驅(qū)動磁場，并將一定質(zhì)量的物體發(fā)射到一定速度的裝置?？沙休d電流能力：數(shù)萬安培至數(shù)兆安培量級；出口速度：依據(jù)發(fā)射質(zhì)量大小，在每秒幾十米到十千米之間。主要形式有多相行波直線電機、直線直流電機、多級脈沖線圈發(fā)射電機等類型，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：多段初級直線電機設(shè)計技術(shù)、長行程直線電機串聯(lián)分段供電與開斷技術(shù)、連續(xù)發(fā)射下電機冷卻技術(shù)、軌道抗燒蝕技術(shù)、不同高強度金屬材料復(fù)合工藝、多物理場強耦合建模技術(shù)、強磁場與應(yīng)力沖擊條件下的定子線圈成形技術(shù)、定子線圈同步放電技術(shù)等。

3.2 發(fā)射體技術(shù)

發(fā)射體是發(fā)射器加速的對象，能夠承載強電流，其承載的強電流與靜態(tài)或交變磁場相互作用產(chǎn)生較強電磁力而致使其高速運動。發(fā)射質(zhì)量10-3104kg量級。其主要技術(shù)包括：高強度直線電機動子結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、超高速一體化制導(dǎo)彈丸技術(shù)、一體化彈丸集成與分離技術(shù)、高效動能毀傷技術(shù)、強感應(yīng)電流及輕量化動子線圈技術(shù)、超高速運動體穩(wěn)定懸浮技術(shù)等。

3.3 高儲能密度、高功率密度脈沖電源技術(shù)

脈沖電源需要瞬時給直線電動機提供用于適應(yīng)驅(qū)動磁場要求和時序的能量，具備提供穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)電流的能力，具有高功率、大電流連續(xù)脈沖輸出能力，脈寬毫秒至秒量級。其主要技術(shù)包括：混合儲能技術(shù)、高能量密度慣性儲能技術(shù)、飛輪能量釋放機電動態(tài)控制技術(shù)、大功率電能變換技術(shù)、高能量密度長壽命脈沖電容儲能技術(shù)、重復(fù)頻率快速開斷技術(shù)、脈沖成形與波形精確控制技術(shù)、脈沖功率絕緣介質(zhì)技術(shù)等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)控制是發(fā)射系統(tǒng)的頂層“大腦”，負責(zé)信息處理及指令下達，具有可靠性高、信息量大、實時性強和魯棒性高等特點。由控制網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和健康網(wǎng)組成，實現(xiàn)對整個發(fā)射系統(tǒng)的監(jiān)控，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，及時分析、排除運行過程中出現(xiàn)的故障，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能檢查與故障診斷、系統(tǒng)測試與參數(shù)設(shè)定、工作狀況的自動調(diào)節(jié)與監(jiān)控、動靜態(tài)參數(shù)的自動測量與處理、測量結(jié)果的管理與檢索，并與艦船數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接，接受發(fā)射公告和氣象信息，下達發(fā)射參數(shù)等功能。其主要技術(shù)包括：底層的OPC通信技術(shù)及TCP/IP數(shù)據(jù)實時交互技術(shù)、全系統(tǒng)健康診斷與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測技術(shù)、發(fā)射流程設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)化總體集成技術(shù)、全系統(tǒng)控制策略與網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)等。

3.5 電磁發(fā)射系統(tǒng)總體技術(shù)

在總體需求、任務(wù)使命、體系結(jié)構(gòu)、頂層規(guī)劃牽引下，研究電磁彈射、電磁軌道發(fā)射、電磁推射等應(yīng)用相關(guān)的總體設(shè)計技術(shù)。其主要技術(shù)包括：電磁發(fā)射系統(tǒng)與應(yīng)用平臺適應(yīng)性技術(shù)、電磁發(fā)射武器系統(tǒng)技術(shù)、強電磁環(huán)境下的電磁兼容與安全防護技術(shù)等。

4 發(fā)展思路

發(fā)展電磁發(fā)射技術(shù)，并將其成果應(yīng)用于電磁彈射、電磁軌道炮、電磁推射等，實現(xiàn)艦載武器高效發(fā)射能力、中近程防空反導(dǎo)能力、超遠程精確打擊能力及作戰(zhàn)快速保障能力。

4.1 電磁彈射技術(shù)

電磁彈射系統(tǒng)利用直線電機可以靈活地控制電磁推力，在預(yù)定的距離和所允許的最大加速度條件下推動各型飛機加速至起飛速度。電磁彈射潛在應(yīng)用方向可考慮在兩個方面：一是艦載機(包括有人機和無人機)彈射，二是隱蔽短跑道快速起飛[25]。艦載機電磁彈射裝置的使用，可降低飛機起降對跑道長度的要求，實現(xiàn)艦載機快速投送，提高航母綜合作戰(zhàn)能力。電磁彈射系統(tǒng)在緊急條件下可以快速部署野外機場或隱蔽跑道，提高地面飛機的生存力。

發(fā)展重點：進行高功率密度、高能量密度的慣性儲能技術(shù)研究，優(yōu)化設(shè)計電能變換系統(tǒng)，發(fā)展高效率、高可靠性、強抗沖擊性、高靈敏度直線電動機；在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電磁彈射技術(shù)閉環(huán)控制。開展電磁彈射系統(tǒng)研究，通過研制工程樣機來攻克滿足工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、接口技術(shù)、電磁兼容性、實機彈射試驗等，實現(xiàn)航母大型飛機彈射裝備的應(yīng)用。

4.2 電磁軌道炮技術(shù)

將電磁發(fā)射技術(shù)用于常規(guī)兵器，由于可產(chǎn)生更高的初速和更大的炮口動能，既可增加射程，又能縮短打擊時間，是增強未來常規(guī)武器戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)能力的有效手段之一，其主要應(yīng)用前景為遠程精確打擊、中近程防空反導(dǎo)、反臨近空間目標等。

發(fā)展重點：鑒于艦艇具有強大的電能和寬闊的作戰(zhàn)平臺，結(jié)合海軍綜合電力技術(shù)的研究進展，進行儲能、艦炮的艦船適裝性集成，實現(xiàn)發(fā)展大口徑、遠程打擊的電磁炮武器系統(tǒng)目標。在大口徑、遠程打擊的電磁發(fā)射武器系統(tǒng)電源與發(fā)射技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，考慮小口徑、高射速的電磁發(fā)射，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)能力的增強，并依據(jù)不同的作戰(zhàn)使用需求，選擇不同的能級、長度、儲能規(guī)模。

4.3 電磁推射技術(shù)

電磁推射技術(shù)是利用電磁發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)空間物資快速投送或小型衛(wèi)星等航天器的快速發(fā)射，可實現(xiàn)航天器重復(fù)發(fā)射，大大降低發(fā)射成本。電磁推射系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠快速、低成本、安全地向空間發(fā)射衛(wèi)星和運送物資，可為未來空間站等空間平臺提供燃料或保障物資。

發(fā)展重點：開展電磁推射總體技術(shù)論證與研究，進行純電磁發(fā)射、火箭與電磁復(fù)合發(fā)射等方案研究及關(guān)鍵技術(shù)梳理；在此基礎(chǔ)上，研究超高速同軸懸浮線圈推進技術(shù)，分段供電電源技術(shù)、同步控制技術(shù)，發(fā)展感應(yīng)供電和其他非接觸供電技術(shù)。研制縮比樣機進行關(guān)鍵技術(shù)的驗證和載荷試驗研究，逐步具備工程應(yīng)用技術(shù)能力。

5 推廣應(yīng)用前景

5.1 儲能技術(shù)

電磁彈射技術(shù)所用的飛輪儲能技術(shù)，在軍事領(lǐng)域，可應(yīng)用于航母、高能武器、航天航空設(shè)備、軍用戰(zhàn)斗車輛、大型水面艦艇、新型潛艇等艦船；在民用領(lǐng)域，可以做成“綠色”的飛輪電池，運用到大型牽引機車、家用轎車、不間斷電源等上。

電磁軌道炮技術(shù)所用的高比能鋰電池儲能技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他民用場合，如純電力或混合動力車輛、儲能電站等；長壽命脈沖電容儲能技術(shù)可用于民用X光機等需要瞬時超大功率等場合。

5.2 脈沖電流技術(shù)

數(shù)十甚至數(shù)百兆瓦的變換器技術(shù)是強弱電混合、機電一體化的綜合性技術(shù)，已經(jīng)滲透到電氣傳動領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。在軍事上，該技術(shù)可應(yīng)用于航母、大型水面艦艇、新型潛艇等艦船，特別是新一代艦船綜合電力系統(tǒng)中的區(qū)域配電、電力推進的變頻調(diào)速裝置上，還可應(yīng)用于雷達發(fā)射器、高能脈沖武器、分布式獨立電源供電系統(tǒng)等。在民用方面，可運用到電力拖動、柔性直線輸配電系統(tǒng)、應(yīng)用電源系統(tǒng)、電力電子變壓器、變速發(fā)電機組等。

5.3 直線電機技術(shù)

直線電機技術(shù)在軍事方面可用于魚雷發(fā)射器、導(dǎo)彈發(fā)射器、火箭炮增程器、航母艦載機起降運輸機、潛艇潛望鏡升降裝置等需直線運行的場合。在民用方面的煤炭輸送、空調(diào)壓縮機、礦井提升機、直線電梯、大型沖壓機、過山車、直線電機地鐵等諸多領(lǐng)域，該項技術(shù)也有廣闊的應(yīng)用前景。

可見，電磁發(fā)射技術(shù)可以電磁彈射技術(shù)引領(lǐng)其他分支發(fā)展，最終整體發(fā)力，形成發(fā)射方式的革命，并實現(xiàn)軍民融合發(fā)展，帶來多方面的效益。

6 結(jié)論

按照發(fā)射長度和出口末速的不同，將電磁發(fā)射技術(shù)劃分為電磁彈射、電磁軌道炮、電磁推射三大分支。在國外研究水平和發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了合理的發(fā)展思路，并進一步指明了電磁發(fā)射技術(shù)廣闊的推廣應(yīng)用前景，為我國電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。

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Electromagnetic launch technology

MA Weiming, LU Junyong

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Electromagnetic launch technology is an inevitable trend among methods of launch in the future. The principle and technology characteristics of electromagnetic launch is analyzed, three branches of electromagnetic launch technology development overseas in electromagnetic ejection, electromagnetic railgun and electromagnetic pushing were studied, and the key technology of electromagnetic launch was summarized. Furthermore, the development strategy and the extension application prospect of electromagnetic launch technology was proposed.

electromagnetic launch; electromagnetic ejection; electromagnetic railgun; electromagnetic pushing

10.11887/j.cn.201606001

2016-04-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51522706)；國家部委基金資助項目(613262)

馬偉明(1960—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，中國工程院院士，博士，博士生導(dǎo)師，ma601901@vip.163.com

TM832

A

1001-2486(2016)06-001-05

http://journal.nudt.edu.cn