電磁軌道炮電樞技術(shù)研究進(jìn)展

杜傳通，雷 彬，金龍文，向紅軍，孟學(xué)平

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

電磁軌道炮電樞技術(shù)研究進(jìn)展

杜傳通，雷 彬，金龍文，向紅軍，孟學(xué)平

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

電樞作為電流和電磁力的載體，在電磁軌道炮中起著將電能轉(zhuǎn)換為彈丸動能的關(guān)鍵作用。通過對國內(nèi)外電磁軌道炮電樞資料的搜集分析，論述了不同類型、形狀的電樞和軌道炮一體化彈丸的研究進(jìn)展。結(jié)合電樞技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢，提出了以電磁軌道炮實(shí)用化為應(yīng)用背景的一體化彈丸對電樞的要求及其研究方向。

兵器科學(xué)與技術(shù)；軌道炮；電樞；一體化彈丸

縱觀世界常規(guī)武器的發(fā)展史，火藥的發(fā)明及其在武器上的應(yīng)用，在本質(zhì)上改變了戰(zhàn)場的局面，影響了世界政治格局，并經(jīng)過長期的發(fā)展，化學(xué)能武器在常規(guī)武器中占據(jù)了鞏固地位。隨著現(xiàn)代科技和武器工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代立體化戰(zhàn)爭對時間和空間的要求越來越高，其中武器系統(tǒng)射程越遠(yuǎn)、精度越高，空間因素對戰(zhàn)爭的影響也就越低，同時武器系統(tǒng)反應(yīng)速度越快、射速越高，也可以把時間因素的影響降到最低。因?yàn)閺椡璧某跛僭礁咭馕吨渖涑叹驮竭h(yuǎn)，而且在射程一定的前提下，更高的初速意味著更短的飛行時間和更大的威力，從而可提高對目標(biāo)的命中率和毀傷程度。然而傳統(tǒng)的化學(xué)能武器一度受到火藥燃?xì)獾臏孤曀俚南拗?，即使采用新型火藥，降低火藥燃?xì)獾姆肿恿?，彈丸初速度也難以超過2 km/s的速度。欲使彈丸速度繼續(xù)提高，必須從能源角度入手解決問題。需求推動技術(shù)的發(fā)展與革新，于是電磁發(fā)射武器應(yīng)運(yùn)而生。

電磁軌道炮是電磁發(fā)射類武器中，研究歷史最悠久、技術(shù)最成熟的一種新概念動能武器。1978年，澳大利亞國立大學(xué)的Marshall等，在5 m長的軌道炮上，成功地把3 g的彈丸加速到5.9 km/s的初速度[1]。這一試驗(yàn)的成功暗示了該項(xiàng)技術(shù)的極大軍事應(yīng)用潛力，引起了各軍事強(qiáng)國的研究熱潮，并推動了電磁軌道炮的發(fā)展。2012年2月，美國海軍在位于佛吉尼亞州達(dá)爾格倫市的美國海軍水面戰(zhàn)中心，對動能為32 MJ的首臺電磁軌道炮“原型機(jī)”進(jìn)行了測試，這代表了目前最先進(jìn)的世界水平。

軌道炮彈丸作為武器系統(tǒng)中必不可少的組成部分，與傳統(tǒng)彈丸相比具有明顯的區(qū)別和特點(diǎn)，其中電樞作為軌道炮彈丸的一個關(guān)鍵部件，發(fā)揮著承載電流、推動彈丸的重要作用。由于電樞在強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場的環(huán)境下工作，其性能的優(yōu)劣將直接影響到電磁軌道炮的發(fā)射性能和效率，因此，深入研究電樞工作機(jī)理和發(fā)射性能是促進(jìn)電磁軌道炮應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的重要基礎(chǔ)[2]。

1 軌道炮基本原理及電樞的特點(diǎn)

簡單電磁軌道炮的主體部分由兩條平行的軌道和一個與軌道接觸良好且能夠沿著軌道自由滑動的電樞組成，如圖1所示。接通電源后，電流沿著其中一條軌道流動，通過電樞，沿著另一條軌道流回。這時電樞在安培力的推動下沿著軌道加速運(yùn)動，從而獲得高速度。

電磁軌道炮的電樞有如下特點(diǎn)：

1)因?yàn)樵诎l(fā)射過程中電樞處于電流回路中，因此大電流從電樞中流過，并伴隨著升溫及融化等現(xiàn)象。

2)樞軌界面接觸屬于大電流高速載流摩擦磨損機(jī)制，為了保證良好的電接觸狀態(tài)，樞軌界面需要穩(wěn)定的接觸力。在接觸狀態(tài)不良時，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)捩、燒蝕等現(xiàn)象，進(jìn)一步會發(fā)生樞軌材料的機(jī)械損傷現(xiàn)象，即刨削現(xiàn)象。

3)電樞作為發(fā)射過程中的主要受力部件，與戰(zhàn)斗部、彈托等部件共同組成電磁軌道炮彈丸，因此在滿足各項(xiàng)發(fā)射要求前提下，電樞質(zhì)量應(yīng)該盡量小，以提高戰(zhàn)斗部的終點(diǎn)毀傷能力。

2 電樞的研究進(jìn)展

隨著電磁軌道炮技術(shù)的發(fā)展，電樞的研究也深入到了力學(xué)、材料和電傳導(dǎo)等各項(xiàng)性能研究中。

2.1 不同類形電樞

2.1.1 固體C形電樞

C形電樞亦稱U型電樞，是目前國內(nèi)外研究最為廣泛的電樞。早期軌道炮研究者們發(fā)現(xiàn)，利用塊狀方形電樞發(fā)射時，采用過盈配合的方式填裝電樞，隨著電樞的滑動和速度的提高，電樞的側(cè)表面磨損和脫落將導(dǎo)致樞軌間金屬接觸失效，并引起燒蝕。為了克服此現(xiàn)象的發(fā)生，1944年Hansler利用彈簧為電樞的側(cè)翼產(chǎn)生法向力，以保持樞軌界面間的電接觸狀態(tài)，如圖2所示，后來到了70年代初期Marshall提出了V形電樞模型[3]，并發(fā)展到了今天的C形電樞。

學(xué)者們對C形電樞的電流分布、生熱現(xiàn)象及接觸性能等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，也出現(xiàn)了在C形電樞基礎(chǔ)上發(fā)展的其他改進(jìn)或變化的C形電樞。圖3所示為普通C形電樞和美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研制的馬鞍狀電樞，低速試驗(yàn)中馬鞍狀電樞的側(cè)表面和頸部區(qū)域很少出現(xiàn)了電弧燒蝕現(xiàn)象，并且在高速試驗(yàn)中樞軌界面的接觸電壓得到了明顯的下降，這將有助于減小樞軌界面間的能量損耗[4]。

上世紀(jì)80年代末，IAP研究機(jī)構(gòu)提出了新型電樞概念——磁性閉塞體(Magnetic Obturator)電樞，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在電樞的發(fā)射初始階段，楔形塊在彈簧載荷的作用下與軌道間保持預(yù)緊力；由于電樞本體的質(zhì)量相對楔形塊大很多，而且與彈體聯(lián)系在一起，因此在電樞的加速運(yùn)動階段，楔形塊具有相對較大的加速運(yùn)動趨勢，而在軌道和電樞本體的約束作用下，楔形塊與軌道表面保持良好的接觸[5]。由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，磁性閉塞體電樞有可能實(shí)現(xiàn)理論上的最小電樞質(zhì)量，但是在目前研究階段與軌道的接觸壓力和間歇性電弧放電等方面的穩(wěn)定性不如C形電樞。

2.1.2 刷狀電樞

上世紀(jì)70年代末，Westinghouse公司為美國海軍研制船舶推進(jìn)裝置時，率先開始使用刷狀電樞，后來被利用到電磁軌道炮研究領(lǐng)域中[3]。法德圣路易斯研究所是利用刷狀電樞進(jìn)行電磁軌道炮研究最多，而且到目前為止一直使用銅刷電樞的少數(shù)研究機(jī)構(gòu)之一，刷狀電樞結(jié)構(gòu)如圖5所示[6]。

目前法德圣路易斯研究所的試驗(yàn)顯示，刷狀電樞在速度超過2 km/s時，其摩擦、軌道燒蝕和接觸轉(zhuǎn)變等方面表現(xiàn)出了良好的性能，并利用刷狀電樞開展了多發(fā)速射軌道炮系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了30 Hz的發(fā)射頻率[7-8]。但是在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了不足，即在高加速度加載條件下，無支撐的電刷具有與軌道表面脫離的傾向[9]。

2.1.3 準(zhǔn)流體電樞

為了解決電樞與軌道之間預(yù)加載荷降低的問題，多年前Marshalll提出了準(zhǔn)流體電樞的概念，即設(shè)想用洛倫茲力產(chǎn)生的流體靜壓力使電樞與軌道接觸[1]。中國的北京特種機(jī)電研究所、中科院電工所和華中科技大學(xué)等單位共同進(jìn)行了準(zhǔn)流體電樞的研制和試驗(yàn)等工作[10-12]，準(zhǔn)流體電樞結(jié)構(gòu)如圖6所示。

準(zhǔn)流體電樞通常由數(shù)層高傳導(dǎo)率疊層鋁片和充氣彈簧組成，并用凱夫拉線(Kevlar)纏繞固定。準(zhǔn)流體電樞利用充氣彈簧保持電樞與軌道接觸，具有質(zhì)量輕、依從性好、電樞臂短等優(yōu)點(diǎn)[13]。然而在有些發(fā)射試驗(yàn)中，由于彈丸及電樞材料本身不夠牢固，會發(fā)生轉(zhuǎn)捩和破壞現(xiàn)象[14]，有關(guān)準(zhǔn)流體電樞的抗燒蝕技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

2.1.4 等離子體電樞與混合電樞

上世紀(jì)80～90年代，人們?yōu)榱送黄乒腆w電樞的速度極限，將大量的研究工作投入到了等離子體電樞研究領(lǐng)域[15-16]。而且近幾年，隨著美國提出利用等離子體電樞軌道炮發(fā)射小型衛(wèi)星的設(shè)想，又重新受到了關(guān)注[17]。等離子體電樞通常是由置于發(fā)射組件后面軌道間的金屬箔片直接產(chǎn)生。金屬箔片的作用就像一個電熔絲，當(dāng)脈沖大電流流過時，金屬箔片就會爆炸并產(chǎn)生等離子體云，并繼續(xù)傳導(dǎo)饋入的電流，推動彈丸前進(jìn)。但是電弧輻射的能量使炮膛壁的絕緣材料氣化，導(dǎo)致炮膛內(nèi)充滿高密度惰性熱氣體，當(dāng)電樞達(dá)到高速度并且炮尾電壓達(dá)到高壓擊穿條件時，會產(chǎn)生“二次電弧”現(xiàn)象[18]。這將浪費(fèi)大量的能量，而且對炮膛內(nèi)造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此為了克服這些問題需要更深入的研究。

綜合分析固體電樞和等離子體電樞的優(yōu)缺點(diǎn)后，人們提出了混合電樞的概念。其中一種概念是炮膛橫截面的大部分由鋁固體電樞傳輸電流，而固體電樞和軌道間隙部分由等離子體傳輸電流，如圖7所示。此方法的好處在于可以有效降低電樞質(zhì)量，而且原有固體電樞軌道炮中的樞軌間固-固接觸變?yōu)楣?等離子體-固接觸。上世紀(jì)90年代，美國田納西大學(xué)對此類混合電樞進(jìn)行了相關(guān)的仿真和試驗(yàn)研究[19-20]，但是目前有關(guān)混合電樞的研究非常少見。

2.2 不同形狀截面炮膛的電樞

2.2.1 矩形、圓形截面炮膛電樞

矩形截面炮膛是最常見的軌道炮炮膛類型，由于設(shè)計相對簡單、加工成本低，大部分試驗(yàn)型軌道炮中采用了矩形截面炮膛。通過變化矩形截面的長寬比，可以實(shí)現(xiàn)軌道炮電感梯度的調(diào)整[21]，而且通過調(diào)節(jié)軌道之間的間距，可以靈活地施加樞軌界面預(yù)緊力。

與矩形截面相比，圓形截面炮膛的制作費(fèi)用昂貴、維護(hù)成本高，但同時具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，即與傳統(tǒng)的彈丸可以較好地匹配，可以方便地進(jìn)行進(jìn)一步的一體化彈丸研究。美軍試驗(yàn)用圓形截面炮膛電樞如圖8所示。

2.2.2 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮電樞

較大的電感梯度有利于提高電磁軌道炮的發(fā)射性能，雖然通過改變簡單軌道炮的軌道截面形狀和軌道間距，可以提高電感梯度，但是過大的調(diào)整會導(dǎo)致明顯的結(jié)構(gòu)變形，因此人們提出了增強(qiáng)型軌道炮的概念[22]，如圖9所示。

該類型軌道炮利用其多對軌道通電時疊加的磁場，增加軌道的電感梯度，使得在軌道承載同樣電流的情況下電樞獲得更大的推動力，從而達(dá)到更高的出口速度[23]。由于增強(qiáng)型軌道炮的炮膛與簡單軌道炮相似，因此其電樞也類似于簡單軌道炮。但是在多匝軌道炮中具有多匝電流回路，因此在彈丸中也有多條電流通道，同時，為保證電樞與軌道的有效接觸，中國的北京特種機(jī)電研究所等單位，使用氣墊電樞和準(zhǔn)流體雙匝電樞進(jìn)行了雙匝軌道炮試驗(yàn)[13]，如圖10所示。

2.3 一體化彈丸的研究

與常規(guī)火炮發(fā)射不同，電磁軌道炮的彈丸系統(tǒng)包括了若干組件：戰(zhàn)斗部、電樞、彈托等[24]。電磁軌道炮的發(fā)展一直是以軍事實(shí)用化為目標(biāo)，所以只有將各種電樞應(yīng)用于電磁軌道炮彈丸設(shè)計中，才能獲得最佳的打擊效果。

2.3.1 軌道炮用長桿侵徹彈

穿甲彈一直以來是陸軍主要的反裝甲武器之一，與傳統(tǒng)的彈藥相比，利用電磁軌道炮將穿甲桿加速到超高速，可以大幅提高穿甲威力。從上世紀(jì)90年代中期開始，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等單位在美國陸軍的支持下，對軌道炮發(fā)射用長桿侵徹彈進(jìn)行了研究[25-26]，如圖11所示。

長桿侵徹彈大多采用長桿中段受軸向推動力的方式，彈托在電磁力的作用下，夾著長桿飛出炮膛后脫殼，這有利于彈丸在炮膛內(nèi)的穩(wěn)定性及長桿的外彈道性能。

2.3.2 軌道炮用遠(yuǎn)程制導(dǎo)彈

精確制導(dǎo)是目前炮射類彈藥發(fā)展的重要特點(diǎn)之一，尤其對于海軍來講，超遠(yuǎn)程制導(dǎo)彈藥可以實(shí)現(xiàn)大縱深非接觸精確打擊和對岸遠(yuǎn)程火力支援等多種作戰(zhàn)目標(biāo)。美國海軍致力于研究遠(yuǎn)程艦載電磁軌道炮系統(tǒng)，其目標(biāo)是將超過16 kg的彈丸加速到大于2 km/s的炮口速度[27]。根據(jù)遠(yuǎn)程制導(dǎo)彈的應(yīng)用背景需求，要求其彈丸具有制導(dǎo)和攜帶有效載荷能力，因此采用C形電樞推動彈丸底部的力加載方式[28]，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。

3 一體化彈丸對電樞的要求

近年來，隨著電磁軌道炮逐步向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用發(fā)展，各國對其彈丸的設(shè)計給予了高度重視。而由于電磁發(fā)射環(huán)境的復(fù)雜性，彈丸組件一般要承受105～106倍加速度、不穩(wěn)定磁場和高溫(10 000～20 000K)環(huán)境[29]。其中電樞作為導(dǎo)通整個回路的關(guān)鍵組件，對一體化彈丸發(fā)揮高效能起著關(guān)鍵作用。電樞的選擇會影響到戰(zhàn)斗部、彈托等組件在復(fù)雜發(fā)射環(huán)境中的受力情況。這就對一體化彈丸中的電樞提出了嚴(yán)格要求。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前電磁發(fā)射試驗(yàn)裝置中，V形和U形固體電樞比較常用，因?yàn)殡娏髁鹘?jīng)V形或U形電樞后，電樞后部會產(chǎn)生一個與導(dǎo)軌表面垂直的電磁力分量，使得電樞與軌道保持良好的滑動電接觸。而對于一體化彈丸，電樞中不均勻電流會導(dǎo)致彈丸受力不平衡。為適應(yīng)一體化彈丸的發(fā)射要求，根據(jù)電樞相對戰(zhàn)斗部的作用位置，電樞可分為底推式和中置式。

3.1.1 底推式電樞

在底推式一體化彈丸中，彈丸驅(qū)動力是靠電樞通過推板傳遞。為使電樞質(zhì)量最小，電樞的穩(wěn)定性在電樞設(shè)計中可不用考慮，而是用彈托來使電樞保持穩(wěn)定[30]。圖12即為此類彈丸。由于彈丸在發(fā)射過程中可能會受力不對稱，彈托與電樞結(jié)合面必須能夠保證戰(zhàn)斗部的對稱性。

3.1.2 中置式電樞

中置式電樞分為兩種，一種是電樞與彈托分離，電樞中產(chǎn)生的驅(qū)動力傳遞給彈托;另一種是電樞與彈托為一整體。在一體化彈丸設(shè)計中，為減少整體質(zhì)量,通常是將電樞和彈托的功能相結(jié)合，從而進(jìn)一步減小彈丸組件質(zhì)量，如圖13所示。然而，這種設(shè)計情況下，電樞與軌道之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變后，一體化彈丸的側(cè)向穩(wěn)定性就會受到破壞，即彈托無法起到穩(wěn)定彈丸的作用。

3.2 材料性能

當(dāng)固體電樞沿軌道炮炮膛運(yùn)動時，它與導(dǎo)軌間的金屬-金屬接觸間的電流不再平穩(wěn)，可能會導(dǎo)致電樞與導(dǎo)軌接觸面間發(fā)生電弧擊穿，一團(tuán)等離子體迅速生成，樞軌界面由固體-固體接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w- 等離子體-固體接觸，即發(fā)生轉(zhuǎn)捩，同時伴隨有燒蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電磁發(fā)射效率、彈丸穩(wěn)定性和炮膛的使用壽命。

電樞發(fā)射轉(zhuǎn)捩主要是由于熱效應(yīng)的積累使電樞材料融化、氣化，所以，電樞材料需具有較高的相變潛熱、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率。同時，考慮到彈丸質(zhì)量，電樞的密度應(yīng)較小。

4 結(jié)束語

隨著電磁軌道炮技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)、材料和性能的電樞。目前為止，雖然電樞的損傷問題，例如樞軌接觸界面間的燒蝕、刨削現(xiàn)象，并未得到完全解決，但是隨著研究的深入，預(yù)計在不久的將來這些問題會得到解決，同時電磁發(fā)射彈丸技術(shù)也會更加完善。

因此，在下階段的研究工作中，應(yīng)加強(qiáng)以電磁軌道炮實(shí)用化為應(yīng)用背景的一體化彈丸的研究，突出彈丸反裝甲和防空任務(wù)，重點(diǎn)應(yīng)包括以下幾個方面：彈丸在炮膛內(nèi)的運(yùn)動穩(wěn)定性；發(fā)射過程中電子部件的電磁兼容性；在高g值加速度條件下彈丸及各子部件的抗過載性能；超高速條件下彈丸的脫殼及外彈道特性。

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Research Progress on Armature Technology in Electromagnetic Railgun

DU Chuantong, LEI Bin, JIN Longwen, XIANG Hongjun, MENG Xueping

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei,China)

As a carrier of current and electromagnetic force, the armature plays an important role in railgun to convert the electrical energy to the kinetic energy of the projectile. By collecting and analyzing the armature data of the electromagnetic railgun, research progress on the armature and the integrated launch package technology were enunciated in this paper. Based on the characteristics of the critical technology and the development trend of the armature, presented were the research direction and the requirements for armature of the integrated launch package with the application background of the electromagnetic railgun.

ordnance science and technology；railgun；armature；integrated launch package

2016-07-18

杜傳通(1992—)，男，碩士研究生，主要從事電磁發(fā)射技術(shù)研究。E-mail：13503219757@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.020

TJ99

A

1673-6524(2017)02-0094-07