電磁發(fā)射技術(shù)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

馬偉明 魯軍勇

電磁發(fā)射技術(shù)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

馬偉明 魯軍勇

（電磁能技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（海軍工程大學(xué)） 武漢 430033）

該文介紹了電磁發(fā)射的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)分支，歸納了電磁發(fā)射系統(tǒng)包含的脈沖儲(chǔ)能、脈沖電能變換、脈沖直線電機(jī)、檢測(cè)與控制、高速高過載制導(dǎo)五項(xiàng)共性技術(shù)，綜述了電磁發(fā)射在軍事平臺(tái)和武器領(lǐng)域、民用及航天領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，指出了目前面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策，提出了電力電子系統(tǒng)無纜化、高性能材料復(fù)合化、全系統(tǒng)感知控制智能化的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為電磁發(fā)射技術(shù)的后續(xù)研究提供參考。

電磁發(fā)射 電磁彈射 軌道炮 線圈炮 無纜化 智能感知

0 引言

發(fā)射是人類最原始的社會(huì)活動(dòng)之一，目的是獲得發(fā)射體的末端動(dòng)能。從發(fā)射能量來源的角度，目前為止人類社會(huì)經(jīng)歷了機(jī)械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射和電磁（復(fù)合）能發(fā)射三個(gè)階段。電磁發(fā)射（Electromagnetic Launch, EML）是指包含電磁能的發(fā)射方式，它的出現(xiàn)是電氣化集成與電能變革的必然結(jié)果。

電磁發(fā)射可以突破傳統(tǒng)發(fā)射方式的能量和速度極限，是一種新型發(fā)射方式[1-5]。它具有發(fā)射動(dòng)能高、系統(tǒng)效率高、發(fā)射頻次高、啟動(dòng)時(shí)間快、持續(xù)發(fā)射能力強(qiáng)和負(fù)載可調(diào)節(jié)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，必將成為替代傳統(tǒng)機(jī)械能發(fā)射和化學(xué)能發(fā)射的新型發(fā)射技術(shù)。

電磁發(fā)射技術(shù)以電能為基本的組織形態(tài)，以信息流來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流的精準(zhǔn)控制，涉及電氣、材料、信息、控制等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的深度交叉融合[1]。近年來，隨著綜合電力技術(shù)、新型復(fù)合材料、高壓大功率開關(guān)和人工智能的快速發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)掀起新一輪的研究熱潮，在軍事民用領(lǐng)域均有顛覆現(xiàn)有格局的重大意義。海軍工程大學(xué)于2017年首次設(shè)立電磁發(fā)射工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)從事電磁發(fā)射裝備技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)監(jiān)造、全壽命周期運(yùn)維管理的人才，這標(biāo)志著電磁能裝備真正從理論研制階段邁向工程實(shí)用階段。

本文總結(jié)近20年來在電磁發(fā)射領(lǐng)域的研究成果，歸納了電磁發(fā)射的五項(xiàng)共性技術(shù)，綜述了其研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展，指出了目前面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策，展望了未來的發(fā)展趨勢(shì)和前景，旨在為電磁發(fā)射技術(shù)的后續(xù)研究提供參考。

1 電磁發(fā)射技術(shù)概述

1.1 原理

電磁發(fā)射技術(shù)是一種將電磁能直接變換為發(fā)射負(fù)載所需瞬時(shí)動(dòng)能的能量變換技術(shù)。電磁發(fā)射系統(tǒng)由脈沖儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖電能變換系統(tǒng)、脈沖直線電機(jī)和控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成，如圖1所示。發(fā)射前通過脈沖儲(chǔ)能系統(tǒng)將能量在較長時(shí)間內(nèi)蓄積起來，發(fā)射時(shí)通過脈沖電能變換系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出瞬時(shí)超大功率電能給脈沖直線電機(jī)，產(chǎn)生電磁力推動(dòng)負(fù)載至發(fā)射速度，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息流對(duì)能量流的精準(zhǔn)控制。

圖1 電磁發(fā)射系統(tǒng)的組成

1.2 特點(diǎn)

與其他發(fā)射方式相比，電磁發(fā)射技術(shù)具有“更高、更快、更強(qiáng)”三種典型特征[4]。

1）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，速度從每秒幾十米到數(shù)十千米，傳統(tǒng)火藥僅1 km/s左右；其次是發(fā)射效率可高達(dá)50%，而傳統(tǒng)發(fā)射方式如蒸汽彈射發(fā)射效率僅有4%～6%；有效載荷比大，推動(dòng)負(fù)載的動(dòng)子一般為鋁制結(jié)構(gòu)，如電磁彈射的動(dòng)子采用鋁板，電磁軌道發(fā)射的電樞采用鋁塊，電磁線圈發(fā)射采鋁環(huán)等，圖2為電磁發(fā)射的載荷。

圖2 電磁發(fā)射的載荷

2）更快：首先指的是啟動(dòng)時(shí)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(shí)現(xiàn)重復(fù)發(fā)射。此外，對(duì)輔助配套設(shè)施要求低，通過脈沖儲(chǔ)能系統(tǒng)可在十幾分鐘內(nèi)蓄積數(shù)十發(fā)的發(fā)射能量，大大削減了對(duì)電網(wǎng)的功率需求。圖3為非周期循環(huán)脈沖工作模式。

圖3 非周期循環(huán)脈沖工作模式

3）更強(qiáng)：首先指的是發(fā)射動(dòng)能大，電磁炮可達(dá)數(shù)十兆焦，電磁彈射可達(dá)百兆焦，航天推射可達(dá)數(shù)十千兆焦；其次發(fā)射負(fù)載可變，可靈活調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)不同載荷發(fā)射；最后，持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)，可靠性高，可維護(hù)性好，維護(hù)操作人員少。圖4為電磁彈射與其他彈射能級(jí)對(duì)比示意圖。

圖4 電磁彈射與其他彈射能級(jí)對(duì)比示意圖

1.3 分類

按照結(jié)構(gòu)形式和作用原理不同，電磁發(fā)射技術(shù)可分為[4]：

1）電機(jī)式電磁發(fā)射技術(shù)，指發(fā)射裝置為傳統(tǒng)交流直線電機(jī)的電磁發(fā)射技術(shù)，如電磁彈射、電磁阻攔、武器載荷通用電磁發(fā)射等，如圖5所示。

圖5 電機(jī)式電磁發(fā)射技術(shù)

2）軌道式電磁發(fā)射技術(shù)，指依靠直線導(dǎo)軌進(jìn)行接觸式饋電的電磁發(fā)射技術(shù)，如電磁軌道炮、電磁槍等，如圖6所示。

圖6 軌道式電磁發(fā)射技術(shù)

3）線圈式電磁發(fā)射技術(shù)，指通過高壓電容器對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈逐級(jí)放電產(chǎn)生脈沖電磁行波，驅(qū)動(dòng)彈丸進(jìn)行電磁懸浮發(fā)射的技術(shù)，如電磁線圈炮、電磁重接炮等，如圖7所示。

圖7 線圈式電磁發(fā)射技術(shù)

按照推進(jìn)能量不同，可以分為純電磁能發(fā)射和電磁能復(fù)合化學(xué)能發(fā)射。一般純電磁能發(fā)射的電磁推進(jìn)能級(jí)大，末速度高，比如電磁彈射和電磁軌道炮，能級(jí)分別達(dá)到了100 MJ和32 MJ。電磁能復(fù)合化學(xué)能發(fā)射一般電磁推進(jìn)部分提供的能量較小，初始速度低，比如導(dǎo)彈電磁助推等，一般能級(jí)在幾兆焦左右。

按照發(fā)射長度和末速度不同，電磁發(fā)射技術(shù)可分為電磁軌道發(fā)射技術(shù)（距離十米級(jí)、速度每秒千米級(jí)）、電磁彈射技術(shù)（距離百米級(jí)、速度每秒百米級(jí)）、電磁推射技術(shù)（距離千米級(jí)、速度十千米級(jí)），如圖8所示。

圖8 電磁發(fā)射技術(shù)分類

2 電磁發(fā)射的共性技術(shù)

電磁發(fā)射系統(tǒng)為跨學(xué)科復(fù)雜大系統(tǒng)工程，技術(shù)復(fù)雜、指標(biāo)要求高，面臨諸多瓶頸技術(shù)難題。不同的電磁發(fā)射類型涉及的具體關(guān)鍵技術(shù)有一定差別，但總的來說可概括為脈沖儲(chǔ)能技術(shù)、脈沖電能變換技術(shù)、脈沖直線電機(jī)技術(shù)、檢測(cè)與控制技術(shù)和高速高過載制導(dǎo)技術(shù)五項(xiàng)共性技術(shù)。

2.1 脈沖儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能是電磁發(fā)射系統(tǒng)的能量源泉，占據(jù)了全系統(tǒng)的大部分體積和重量，是制約電磁發(fā)射工程化及集成小型化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，幾種典型的應(yīng)用于電磁發(fā)射領(lǐng)域的儲(chǔ)能技術(shù)有電機(jī)儲(chǔ)能、脈沖電容器儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、磁場(chǎng)儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能，如圖9所示。其中壽命最長的是電機(jī)儲(chǔ)能，能量密度最大的是鋰電池儲(chǔ)能，功率密度最大的是脈沖電容儲(chǔ)能。本文重點(diǎn)討論電機(jī)儲(chǔ)能、鋰電池儲(chǔ)能和脈沖電容器儲(chǔ)能三種技術(shù)。

圖9 能量密度與功率密度分布示意圖

2.1.1 電機(jī)儲(chǔ)能

電機(jī)儲(chǔ)能技術(shù)通過電動(dòng)機(jī)加速電機(jī)轉(zhuǎn)子或飛輪盤，從電網(wǎng)吸取電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能存儲(chǔ)起來，放電時(shí)通過發(fā)電機(jī)將大容量機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能釋放給負(fù)載。一般由儲(chǔ)能電機(jī)、拖動(dòng)變流器和輸出變流器等組成，具有技術(shù)成熟度高、釋能范圍寬、能量轉(zhuǎn)換效率高和壽命長的顯著優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

現(xiàn)有的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要有兩大子類。第一類是以傳統(tǒng)滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承為代表的大容量中速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，其主要特點(diǎn)是單機(jī)儲(chǔ)存動(dòng)能和釋放功率大，一般用于短時(shí)大功率放電和電力調(diào)峰場(chǎng)合；第二類是以磁懸浮軸承為代表的高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、長時(shí)工作效率更高[8-11]。涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：適配飛輪儲(chǔ)能的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)分析設(shè)計(jì)技術(shù)、大慣量飛輪設(shè)計(jì)分析及制造成型技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子軸系支撐及動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)、機(jī)械能與電能間的輸入輸出轉(zhuǎn)換及控制技術(shù)、飛輪本體與電機(jī)集成化設(shè)計(jì)技術(shù)。

美國“福特”號(hào)航母的電磁彈射系統(tǒng)采用了飛輪儲(chǔ)能，它可在2 s內(nèi)提供200 MJ的瞬時(shí)能量而不對(duì)航母的電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。日本原子能研究所的核聚變?cè)囼?yàn)裝置采用了容量為215 MV·A的慣性儲(chǔ)能元件，可在30 s內(nèi)提供峰值為160 MW的電能。2022年4月份，由湖北東湖實(shí)驗(yàn)室參與的青島地鐵3號(hào)線10 MJ飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目順利并網(wǎng)運(yùn)行，采用了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁懸浮飛輪技術(shù)。目前，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率等級(jí)已經(jīng)從原來的中小功率逐漸向大功率的方向發(fā)展，高速化和大功率是目前飛輪儲(chǔ)能的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

2.1.2 鋰電池儲(chǔ)能

鋰離子電池通過鋰離子在電池正負(fù)電極之間往返嵌入和脫嵌，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和傳遞，具有儲(chǔ)能密度高、功率性能好、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)[12-13]。應(yīng)用于電磁發(fā)射的鋰電池除了需要滿足熱安全性、使用壽命、電壓平臺(tái)、輸出阻抗等方面的苛刻條件外，還要盡可能地提升放電倍率至50以上。普通的功率型電池工作在電磁發(fā)射的極端工況下，往往會(huì)造成一系列問題，如電壓平臺(tái)過低、發(fā)熱嚴(yán)重、壽命快速衰減等，還存在潛在的熱失控與燃燒風(fēng)險(xiǎn)[14]。因此，必須合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料與工藝匹配設(shè)計(jì)，以滿足功率密度、儲(chǔ)能密度、壽命與安全性指標(biāo)的需求[15]。根據(jù)電磁發(fā)射系統(tǒng)短時(shí)功率需求大和長時(shí)能量需求高的雙重要求，基本儲(chǔ)能單元需要兼顧能量密度和功率密度，高倍率鋰電池是目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳技術(shù)路線之一。涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：電芯材料、結(jié)構(gòu)、工藝的綜合協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，高倍率鋰電池充放電特性與老化機(jī)理研究，高倍率鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管理技術(shù)等[16]。

考慮到大規(guī)模鋰電池應(yīng)用的安全性，海軍工程大學(xué)開展了從大倍率鉛酸電池到超大倍率磷酸鐵鋰電池的開發(fā)路線，實(shí)現(xiàn)了從6到50的跨越，并成功開發(fā)出75、脈沖放電壽命30 000次的磷酸鐵鋰電池，儲(chǔ)能密度達(dá)到80 W·h/kg。美國后續(xù)采用了類似技術(shù)路線，2014年7月2日，美國海軍授予K2 energy公司8 140萬美金合同，進(jìn)行艦載電磁軌道炮的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)初級(jí)能源研發(fā)；2016年4月20日，美海軍水面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部宣布，授予電池設(shè)計(jì)制造商saft美國有限公司一項(xiàng)合同，為電磁軌道武器開發(fā)能量儲(chǔ)存模塊[17]。

2.1.3 脈沖電容器儲(chǔ)能

脈沖電容器基于靜電原理實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，具有工作電壓高、輸出電流大、充放電時(shí)間快、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有大范圍能量和頻率輸出特性一致性好的特點(diǎn)，被廣泛用作電磁發(fā)射的儲(chǔ)能元件。目前，美國GA公司生產(chǎn)的2.0 MJ/m3儲(chǔ)能密度的電容器的壽命達(dá)到1萬次，2.4 MJ/m3儲(chǔ)能密度的電容器的壽命達(dá)到5 000次；而國內(nèi)脈沖電容器在儲(chǔ)能密度和壽命指標(biāo)上與國外差距較大，在同樣儲(chǔ)能密度下的壽命僅為其一半。為此，由海軍工程大學(xué)牽頭的國家自然科學(xué)基金委重大計(jì)劃《極端條件電磁能裝備科學(xué)基礎(chǔ)》專門設(shè)置了電容器儲(chǔ)能電介質(zhì)的研究內(nèi)容，旨在將電容器的儲(chǔ)能密度提升至4 MJ/m3，壽命達(dá)到10 000次。

當(dāng)前新型儲(chǔ)能電介質(zhì)材料研發(fā)的難點(diǎn)在于介電常數(shù)與擊穿場(chǎng)強(qiáng)高且難以協(xié)同提升，單純提高介電常數(shù)往往導(dǎo)致介質(zhì)損耗的增加和放電效率的降低，此外部分材料雖然擊穿場(chǎng)強(qiáng)高且優(yōu)勢(shì)顯著，但機(jī)械加工性能較差，難以批量生產(chǎn)。用于電磁發(fā)射的脈沖電容器工作于大電流、高電場(chǎng)強(qiáng)度、高頻率和極短時(shí)間等極端工況，其壽命和儲(chǔ)能密度提升相互矛盾。針對(duì)該問題，國內(nèi)外在基于現(xiàn)有雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene, BOPP）薄膜表面改性、耐高溫薄膜材料、新型材料體系等方面開展了研究，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中取得了較好的成果，但是離工程化應(yīng)用需要的高儲(chǔ)能密度和長壽命還有較大差距。

2.2 脈沖電能變換技術(shù)

脈沖電能變換技術(shù)分為兩種類型：一種是以直線電機(jī)為供電和控制對(duì)象的電能變換技術(shù)，主要采用以IGBT為核心器件的脈沖工作式超大容量變頻裝置和脈沖交流調(diào)制策略；另一種是以直線接觸導(dǎo)電軌道和分段線圈為供電對(duì)象的脈沖功率調(diào)節(jié)技術(shù)，主要采用以晶閘管為核心器件的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（Pulsed Formatting Net, PFN）拓?fù)浜兔}沖直流時(shí)序調(diào)制策略。

2.2.1 脈沖交流調(diào)制

超大功率儲(chǔ)能裝置（飛輪或高功率脈沖電源）瞬時(shí)釋放初級(jí)能量，為滿足直線電機(jī)在短距加速過程中需要的瞬時(shí)大電流，需通過中高壓大容量電力電子變換技術(shù)將儲(chǔ)能輸出的直流電調(diào)制成頻率和幅值協(xié)調(diào)變換的交流電，從而實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)加速所需的瞬時(shí)功率。受制于大功率IGBT器件的容量等級(jí)的現(xiàn)狀，為了提高電能變換的功率等級(jí)，需采用器件串并聯(lián)、多電平拓?fù)浣M合和裝置級(jí)的集成。這其中采用標(biāo)準(zhǔn)化的功率單元模塊是提供系統(tǒng)的集成化水平和可靠性的關(guān)鍵。

二極管鉗位三電平（Neutral Point Clamped, NPC）作為廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成為標(biāo)準(zhǔn)化模塊的首選。三電平單相逆變器的拓?fù)潆娐啡鐖D10所示。通過對(duì)模塊中功率開關(guān)的串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)高壓大電流輸出，從而滿足電能變換裝置MW級(jí)的功率輸出需求。為了減小器件并聯(lián)數(shù)量降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行變頻裝置相比，需要進(jìn)行器件的盡限使用，研究器件在非周期瞬態(tài)工況下的能力邊界和可靠性；同時(shí)針對(duì)多電平拓?fù)涞碾娙蓦妷壕饪刂坪筒⒙?lián)裝置的環(huán)流抑制等技術(shù)問題進(jìn)行研究，提出優(yōu)化的脈寬調(diào)制策略；采用大功率電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的無損分段切換供電，滿足電能的分段接力式傳輸。

圖10 三電平單相逆變器的拓?fù)潆娐?/p>

海軍工程大學(xué)提出了基于盡限應(yīng)用思想的直流可控并聯(lián)、多相混合多電平逆變、分布式切換供電的脈沖大功率電能變換系統(tǒng)方案，解決了電磁彈射系統(tǒng)能量源共享、多具彈射器相互隔離和超大功率長初級(jí)直線電機(jī)供電的難題，成功研制出數(shù)百M(fèi)V·A級(jí)電能變換系統(tǒng)，具有高功率密度、高可靠性的特點(diǎn)。

2.2.2 脈沖直流調(diào)制

脈沖直流調(diào)制主要用于由脈沖電容供電的場(chǎng)合，例如電磁軌道炮和電磁線圈炮的控制。高功率脈沖電源直接對(duì)感性負(fù)載放電，產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)和流經(jīng)電樞（次級(jí)感生）的電流相互作用產(chǎn)生安培力。目前關(guān)于脈沖直流調(diào)制的方法多為開環(huán)控制，最為普遍的方法是脈沖成形網(wǎng)絡(luò)控制，用于調(diào)節(jié)輸出電流波形，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的高效轉(zhuǎn)換。其關(guān)鍵技術(shù)包括緊湊型脈沖電流調(diào)波、高壓大電流瞬時(shí)脈沖開關(guān)、脈沖成形網(wǎng)絡(luò)控制、脈沖成形保護(hù)等技術(shù)。

目前工程上能夠?qū)崿F(xiàn)大功率脈沖輸出的PFN方案是以金屬薄膜電容儲(chǔ)能、晶閘管/二極管構(gòu)成開關(guān)組件的脈沖單元（Pulsed Formatting Unit, PFU），多個(gè)PFU組網(wǎng)輸出脈沖大電流[18]。圖11是兩種典型的PFU拓?fù)鋄19]，按照晶閘管在電路中的位置可劃分為內(nèi)置型和外置型兩種類型。兩種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，內(nèi)置型晶閘管只參與放電階段，不參與續(xù)流階段，熱負(fù)荷小，但是其承受的端電壓變化率大，且存在電容器殘壓無法完全釋放的問題；外置型晶閘管熱負(fù)荷大，但動(dòng)態(tài)特性好，可實(shí)現(xiàn)能量完全釋放。

圖11 兩種典型的PFU拓?fù)?/p>

很多國家對(duì)脈沖功率電源做了大量研究，其中，中美兩國對(duì)器件技術(shù)的基礎(chǔ)研究和PFU綜合集成技術(shù)居世界領(lǐng)先水平。美國海軍在達(dá)爾格倫水面作戰(zhàn)武器中心裝備的脈沖電源儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到100 MJ，這套電源為電磁發(fā)射裝置提供能量，峰值電流可達(dá)5 MA。英國國防部為90 mm口徑電磁軌道炮建造32 MJ電容儲(chǔ)能脈沖電源系統(tǒng)，可輸出3.6 MA電流，系統(tǒng)由29個(gè)可獨(dú)立觸發(fā)、儲(chǔ)能1.1 MJ的模塊組成。德國國防部2003年在萊茵金屬試驗(yàn)場(chǎng)為電磁發(fā)射研究組建了30 MJ電容儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，由24個(gè)1.28 MJ電容儲(chǔ)能單元組成。俄羅斯為電磁發(fā)射研究研制了兩套電容儲(chǔ)能脈沖電源系統(tǒng)，總儲(chǔ)能9 MJ，由96個(gè)94 kJ儲(chǔ)能模塊組成。海軍工程大學(xué)研制成功單體儲(chǔ)能數(shù)百千焦的脈沖儲(chǔ)能模塊，可進(jìn)行“搭積木”式的組合，總儲(chǔ)能可達(dá)數(shù)百兆焦。

2.3 脈沖直線電機(jī)技術(shù)

直線電機(jī)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)上由發(fā)射裝置和發(fā)射體構(gòu)成，發(fā)射裝置對(duì)應(yīng)直線電機(jī)的定子，發(fā)射體對(duì)應(yīng)直線電機(jī)的動(dòng)子。其中，發(fā)射裝置為電磁發(fā)射提供驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)和加速通道。本文重點(diǎn)介紹大推力直線電機(jī)、電磁軌道發(fā)射器和電磁線圈發(fā)射器三種典型電機(jī)。

2.3.1 大推力直線電機(jī)

大推力直線電機(jī)初級(jí)繞組可承受數(shù)萬安培大電流，并產(chǎn)生行波磁場(chǎng)。次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)渦流或永磁磁動(dòng)勢(shì)與行波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載加速到一定末速度。按照初級(jí)外形結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)成圓筒型、扁平型、平面型等不同結(jié)構(gòu)[20]；按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)部件，又可以分為動(dòng)次級(jí)和動(dòng)初級(jí)結(jié)構(gòu)，其中動(dòng)次級(jí)的初級(jí)繞組一般采用多段初級(jí)分段供電形式。多段初級(jí)分段供電電機(jī)具有動(dòng)子結(jié)構(gòu)簡單可靠、動(dòng)子質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，但功率因數(shù)及能量效率較動(dòng)初級(jí)電機(jī)低，且要配置段開關(guān)、電纜匯流排等，整體體積、質(zhì)量大。而對(duì)于動(dòng)初級(jí)電機(jī)，高速運(yùn)行的初級(jí)繞組需通過電刷或者移動(dòng)電纜大電流供電，可靠性及環(huán)境適應(yīng)性較低[21-22]。涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括大推力直線電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、長行程直線電機(jī)串聯(lián)分段供電與開斷技術(shù)、多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合建模技術(shù)、強(qiáng)邊端效應(yīng)和強(qiáng)飽和下電機(jī)精確建模技術(shù)、結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)技術(shù)、連續(xù)發(fā)射下電機(jī)冷卻技術(shù)、發(fā)射動(dòng)力學(xué)技術(shù)等。

從20世紀(jì)90年代開始，國外一些知名大學(xué)開展了多種形式的電磁發(fā)射用直線電動(dòng)機(jī)的論證和設(shè)計(jì)工作。例如美國南卡羅萊納大學(xué)設(shè)計(jì)的永磁直線電動(dòng)機(jī)彈射系統(tǒng)[23]，電機(jī)次級(jí)長3 m，極距為150 mm，采用20塊NdFeB永磁體組成，次級(jí)自重1 480 kg，產(chǎn)生推力為1.29 MN。國內(nèi)清華大學(xué)提出了一種變極距直線感應(yīng)電機(jī)，直接采用通用交流電源作為彈射電機(jī)的饋電電源，避免使用大規(guī)模的功率變換器環(huán)節(jié)[24]。

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，海軍工程大學(xué)研制出不同功率等級(jí)的分段供電長初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)次級(jí)永磁同步直線電機(jī)等不同類型樣機(jī)。

2.3.2 電磁軌道發(fā)射器

電磁軌道發(fā)射器是極其特殊的直線直流電機(jī)，沒有電刷結(jié)構(gòu)，只有一對(duì)磁極，勵(lì)磁繞組和電樞繞組均為特殊的單匝形式，本質(zhì)上是單極直線脈沖直流電機(jī)。電磁軌道發(fā)射器在幾毫秒的工作過程中承載了數(shù)MA級(jí)大電流，電流密度高達(dá)1010A/mm2，由此產(chǎn)生了極端的電磁熱力強(qiáng)耦合強(qiáng)沖擊條件，由于樞軌之間還存在相對(duì)速度達(dá)數(shù)km/s的滑動(dòng)電接觸，給導(dǎo)軌、電樞及其界面性能設(shè)計(jì)帶來重大挑戰(zhàn)。涉及的關(guān)鍵技術(shù)有極端條件導(dǎo)軌材料和電樞材料技術(shù)、電磁熱力多物理場(chǎng)建模技術(shù)、樞軌高速載流匹配技術(shù)、導(dǎo)軌快速冷卻技術(shù)、大尺寸低模量耐高溫絕緣體技術(shù)、內(nèi)彈道發(fā)射動(dòng)力學(xué)技術(shù)、炮口引弧/消弧技術(shù)等。

從導(dǎo)軌形式上講，發(fā)射裝置可分為平面型、凸面型、凹面型三種形式[25]，如圖12所示。分析表明：與平面型及凹面型導(dǎo)軌相比，凸面型導(dǎo)軌下的樞軌匹配性更好，電樞過盈量產(chǎn)生的接觸壓強(qiáng)更加均勻[26-28]。

圖12 不同的導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

從導(dǎo)軌的布局上講，發(fā)射裝置可分為單匝導(dǎo)軌及多匝增強(qiáng)型導(dǎo)軌兩種。多匝增強(qiáng)型發(fā)射器可分為并聯(lián)增強(qiáng)型、串聯(lián)增強(qiáng)型和外場(chǎng)增強(qiáng)型三種結(jié)構(gòu)[5]。

部分學(xué)者提出了部分增強(qiáng)型電磁軌道發(fā)射器結(jié)構(gòu)、自旋電樞電磁軌道發(fā)射器結(jié)構(gòu)[29]、四極電磁軌道發(fā)射器結(jié)構(gòu)[30]、復(fù)合軌電磁發(fā)射器等新結(jié)構(gòu)[31]，并對(duì)其性能進(jìn)行了初步探討，對(duì)電磁軌道發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索[32-33]。

2.3.3 電磁線圈發(fā)射器

電磁線圈發(fā)射器是特殊的圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)，取消了鐵心和繞組槽結(jié)構(gòu)以削弱磁飽和及齒諧波，從而提高能效，采用高壓電容器驅(qū)動(dòng)而不是多相交流電以盡可能地提升單位長度的出力。現(xiàn)階段，需要解決多級(jí)線圈高推力設(shè)計(jì)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)線圈快速冷卻技術(shù)、多級(jí)線圈觸發(fā)控制技術(shù)，以及驅(qū)動(dòng)線圈使用壽命和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)。

為突破適用于高初速發(fā)射的電磁線圈發(fā)射器的關(guān)鍵技術(shù)，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研制了50 mm口徑線圈炮的驅(qū)動(dòng)線圈，外圍的加固體采用凱夫拉/環(huán)氧復(fù)合材料制成，兩端的側(cè)板采用G-10絕緣材料，主要用于驗(yàn)證將質(zhì)量200～400 g的彈丸加速到3 km/s的可行性[34]。為了解決驅(qū)動(dòng)線圈溫升問題，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室為120 mm口徑的電磁線圈迫擊炮試驗(yàn)裝置研制的驅(qū)動(dòng)線圈，將質(zhì)量為18 kg的彈丸加速到420 m/s，制冷管道內(nèi)通入制冷劑，以傳導(dǎo)快速連續(xù)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的熱量[35]。為對(duì)多級(jí)觸發(fā)控制技術(shù)進(jìn)行研究，提高發(fā)射效率，國內(nèi)西北機(jī)電工程研究所與華中科技大學(xué)合作，研制了口徑為120 mm、長度為2.5 m的電磁線圈發(fā)射裝置。該裝置由15級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈組成，每級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈采用獨(dú)立的脈沖電容器組饋電，為匹配彈丸速度與脈沖電流上升時(shí)間，脈沖電源的電容從8 mF減小到1 mF，放電電壓范圍為5～20 kV[36]。

為了探索電磁線圈發(fā)射裝置在發(fā)射微小衛(wèi)星上的可行性，海軍工程大學(xué)研制出多級(jí)電磁線圈發(fā)射裝置原理樣機(jī)，在1.2 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.5～1 kg、200 m/s的發(fā)射目標(biāo)。

2.4 檢測(cè)與控制技術(shù)

電磁發(fā)射系統(tǒng)是一個(gè)高階、非線性、多變量的電、磁、固、熱多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜大系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)中各部件協(xié)調(diào)一致完成發(fā)射任務(wù)，需要通過信息流對(duì)能量流進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。檢測(cè)與控制技術(shù)發(fā)揮了頂層控制與決策的中樞大腦作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)測(cè)、冗余控制和保護(hù)，還能接入武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)及數(shù)據(jù)資源共享。

2.4.1 檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)包括先進(jìn)傳感、健康診斷和巡檢維護(hù)技術(shù)，以保障電磁發(fā)射系統(tǒng)高可靠性。由于電磁發(fā)射系統(tǒng)電、磁、熱、力多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合特性和短時(shí)重復(fù)脈沖工作原理，傳感技術(shù)面臨強(qiáng)磁場(chǎng)（＞5 T）干擾、高速（＞1 MHz）數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)傳感器時(shí)間統(tǒng)一等挑戰(zhàn)；健康診斷面臨極端多物理場(chǎng)作用下失效機(jī)理復(fù)雜難以精確建模、故障樣本少且嚴(yán)重偏置、故障模式多但診斷實(shí)時(shí)要求高（＜1 s）等挑戰(zhàn)；巡檢維護(hù)則面臨多類型復(fù)雜綜合狀態(tài)感知、可靠精準(zhǔn)維護(hù)等挑戰(zhàn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，各國學(xué)者開展了眾多富有成效的研究，取得了喜人進(jìn)展：突破了抗強(qiáng)電磁干擾和同步高速采樣傳感器及信息獲取技術(shù)，開發(fā)了大量新型傳感器系統(tǒng)，例如高速位置傳感器、磁探針陣列、光纖光柵測(cè)導(dǎo)軌應(yīng)變傳感器等。結(jié)合人工智能技術(shù)發(fā)展了知識(shí)與數(shù)據(jù)相融合的故障診斷、多維時(shí)序智能預(yù)測(cè)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)。隨著深度學(xué)習(xí)等智能化技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)前正在開發(fā)集視覺、聲學(xué)、電磁學(xué)和熱力學(xué)多模態(tài)測(cè)量，以及自動(dòng)定位、行進(jìn)和維護(hù)操作于一體的智能運(yùn)維系統(tǒng)，典型的有巡檢機(jī)器人，可逐步取代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)更高效的身管狀態(tài)檢測(cè)和維護(hù)能力。

2.4.2 控制技術(shù)

電磁發(fā)射系統(tǒng)對(duì)控制技術(shù)的需求，按照功能層級(jí)可分為閉環(huán)實(shí)時(shí)控制、時(shí)序邏輯控制和協(xié)同指揮控制等方面。采用前饋與反饋結(jié)合、多閉環(huán)結(jié)合等控制方法，驅(qū)動(dòng)各類電磁發(fā)射系統(tǒng)按預(yù)定的工況運(yùn)行。對(duì)于有嚴(yán)格時(shí)序要求和安全互鎖的操作，建立時(shí)序邏輯模型，能夠?qū)Ω黝愓＜爱惓Ａ鞒滔逻_(dá)安全合理的操作指令。為保證多種電磁發(fā)射系統(tǒng)高效協(xié)同工作，研究綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務(wù)的角度實(shí)現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

海軍工程大學(xué)提出了直線感應(yīng)電機(jī)多目標(biāo)約束下彈射軌跡精確控制方法[37-38]，建立了人在回路的發(fā)射作業(yè)流程及狀態(tài)機(jī)模型，研制出綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務(wù)的角度實(shí)現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.5 高速高過載制導(dǎo)技術(shù)

隨著電磁發(fā)射技術(shù)從平臺(tái)拓展到發(fā)射對(duì)象，高速高過載制導(dǎo)技術(shù)成為新的研究領(lǐng)域。常規(guī)導(dǎo)彈一般過載較小，且導(dǎo)航器件體積較大，無法直接應(yīng)用到電磁發(fā)射領(lǐng)域，而要進(jìn)行小型化和抗高過載能力設(shè)計(jì)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括長時(shí)高過載暫態(tài)沖擊過程的準(zhǔn)確建模、器部件小型化耐沖擊設(shè)計(jì)、高過載組合導(dǎo)航和超高速制導(dǎo)控制等。

2.5.1 硬件設(shè)計(jì)層面

相對(duì)于傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)射，電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境更為復(fù)雜，呈現(xiàn)出多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合、發(fā)射過載量級(jí)大（最大達(dá)到3.5萬G）以及過載持續(xù)時(shí)間長（10 ms）的新特點(diǎn)[39]。由于長時(shí)高過載沖擊激勵(lì)下的器件響應(yīng)特性呈現(xiàn)明顯的非線性特性，抗過載防護(hù)材料特性難以精確表征且缺乏等效等價(jià)的地面驗(yàn)證平臺(tái)[40]。當(dāng)前國內(nèi)制導(dǎo)器件抗高過載研究主要集中于器件的短脈寬沖擊響應(yīng)特性及失效機(jī)理，而長時(shí)高過載沖擊環(huán)境下的器件失效機(jī)理及防護(hù)措施研究相對(duì)較少[41]。

在硬件設(shè)計(jì)方面，為了提高導(dǎo)航器件在高過載下的存活能力，Draper（德雷珀）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了抗高過載設(shè)計(jì)，電子元器件采用薄膜混合MCM-C工藝，再用金屬外殼封裝到印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上，殼體采用加固鋁框架結(jié)構(gòu)，并選擇了具有抗干擾功能的選擇可用性反誘騙模塊（Selective Availability Anti Spoofing Module, SAASM）衛(wèi)星接收機(jī)以提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。

國內(nèi)前期主要開展組合導(dǎo)航系統(tǒng)在130 mm和155 mm火炮上的應(yīng)用研究，技術(shù)路線是采用三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀立體組裝方式集成慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit, IMU），基于雙天線衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備開展抗高過載和超高速下抗干擾衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的研制。海軍工程大學(xué)依據(jù)器件工作環(huán)境及可靠性提出了無纜化、綜合集成和功能復(fù)用的研制思路，將傳統(tǒng)的多型部件進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，使得制導(dǎo)器件的線纜減少90%、器件抗高過載能力提升50%。

2.5.2 算法設(shè)計(jì)層面

電磁發(fā)射小型導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)需要滿足器件抗高過載和高精度打擊的需求，兩者之間關(guān)系存在矛盾[42-43]。例如，目前電磁炮使用的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）慣組相比傳統(tǒng)導(dǎo)彈和高超飛行器使用的光纖慣組體積小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，抗高過載需求提高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但精度差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，必須在軟件方面開展緊耦合/超緊耦合組合導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)硬件不足。此外，受膛內(nèi)高過載、強(qiáng)擾動(dòng)發(fā)射環(huán)境以及外彈道大空域?qū)捤儆蝻w行環(huán)境的影響，存在慣組空中對(duì)準(zhǔn)、高旋穩(wěn)定控制和全包線高精度控制等技術(shù)難題[44]。

美國在MEMS-INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)方面的研究一直處于世界領(lǐng)先地位，其中最具代表性的是Draper實(shí)驗(yàn)室、Honeywell公司以及BAE公司，開展了系列化應(yīng)用研制。在軟件設(shè)計(jì)方面，為了解決慣組膛內(nèi)不能上電導(dǎo)致出膛后彈體姿態(tài)丟失的問題，提出了基于衛(wèi)導(dǎo)信息的慣組初始對(duì)準(zhǔn)算法，并采用組合導(dǎo)航算法對(duì)慣組誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高末制導(dǎo)導(dǎo)航精度[45]。

在超高速制導(dǎo)控制技術(shù)方面，美國、中國等國家開展了高超音速飛行器、電磁發(fā)射超高速制導(dǎo)彈制導(dǎo)體制的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程高精度自適應(yīng)制導(dǎo)算法研究以及自適應(yīng)魯棒控制算法研究和工程實(shí)現(xiàn)。此外，開展了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成化水平和魯棒性能。

3 電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

電磁發(fā)射技術(shù)是集電氣、材料、機(jī)械、力學(xué)、兵器、信息、控制等學(xué)科于一身的前沿技術(shù)，在軍事、民用及航天等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，為人類如何利用能量提供了新的途徑。

3.1 軍事領(lǐng)域

由于其加速時(shí)間短、出口動(dòng)能大及作戰(zhàn)靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)，電磁發(fā)射武器獲得各國軍事裝備研究者的青睞，在未來武器系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃中已成為越來越重要的部分。自20世紀(jì)80年代起，多數(shù)國家一直致力于將其應(yīng)用在艦艇平臺(tái)上，以期實(shí)現(xiàn)同一武器對(duì)中遠(yuǎn)程多重（來自水面、水下和空中）威脅的體系作戰(zhàn)和防御。隨著綜合電力技術(shù)的應(yīng)用，將全艦?zāi)芰考姓{(diào)度成為可能，為加速艦載電磁能武器的海上應(yīng)用提供了能源支撐。根據(jù)電磁能裝備發(fā)揮的作用，從應(yīng)用層面可以劃分為平臺(tái)技術(shù)和武器技術(shù)。

3.1.1 平臺(tái)技術(shù)

1）電磁彈射技術(shù)。美國經(jīng)過40年探索和試驗(yàn)，裝備電磁彈射裝置的“福特”號(hào)航母于2017年正式服役，目前福特級(jí)航母的第四條“多里斯·米勒”號(hào)已經(jīng)開工建造。英國、俄羅斯和印度也在積極進(jìn)行電磁彈射技術(shù)研究攻關(guān)，但都沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。美國考慮將其電磁彈射技術(shù)出售給英國和印度。

海軍工程大學(xué)經(jīng)過十幾年的艱苦攻關(guān)，攻克了電磁彈射系統(tǒng)的全部關(guān)鍵技術(shù)，取得了一系列重大技術(shù)創(chuàng)新和突破。2022年6月17日，我國完全自主設(shè)計(jì)建造的第一艘彈射型航空母艦“福建艦”下水命名，配置了先進(jìn)的電磁彈射和阻攔裝置。

2）電磁阻攔技術(shù)。傳統(tǒng)液壓阻攔能力已達(dá)物理極限，無法滿足高速重型艦載機(jī)阻攔需求；采用開環(huán)調(diào)節(jié)，峰值載荷大，導(dǎo)致阻攔索壽命短，且不能保障輕型艦載無人機(jī)著艦，嚴(yán)重制約航母戰(zhàn)斗力。電磁阻攔技術(shù)通過精確控制電磁力將高速運(yùn)載器的動(dòng)能吸收轉(zhuǎn)換成電能、實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)載器的短距離安全攔停[46-52]。電磁阻攔通常由緩沖傳動(dòng)、阻攔電機(jī)、能量轉(zhuǎn)換、控制維護(hù)四部分構(gòu)成。與液壓阻攔技術(shù)、渦輪電力阻攔技術(shù)相比，具有阻攔能力范圍大、阻攔峰值過載小、偏心偏航阻攔適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性高、操作維護(hù)簡便、工作準(zhǔn)備時(shí)間短、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)。涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：電磁阻攔系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)、全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真分析技術(shù)、適配電磁阻攔的緩沖器阻尼特性匹配性設(shè)計(jì)技術(shù)、低慣性大轉(zhuǎn)矩阻攔電機(jī)設(shè)計(jì)分析技術(shù)、高精度電磁轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、高可靠性寬適應(yīng)的阻攔動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、多能量鏈冗余設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)協(xié)同控制技術(shù)。

3）武器載荷通用電磁發(fā)射技術(shù)。武器載荷通用電磁發(fā)射技術(shù)是一種利用電磁能為武器載荷提供初始動(dòng)能的發(fā)射技術(shù)，在提高發(fā)射隱蔽性、武器射程和平臺(tái)載彈量、降低使用維護(hù)成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能大幅提升武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，引領(lǐng)武器發(fā)射技術(shù)變革[54-55]。21世紀(jì)初，美軍面向CG(X)巡洋艦，提出了電磁發(fā)射技術(shù)研發(fā)需求，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和洛馬公司合作開發(fā)出電磁導(dǎo)彈助推器（Electromagnetic Missle Launch, EMML）系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是將1 633 kg“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈通過電磁力提供40 m/s初速。2011年該項(xiàng)目進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，但之后CG(X)巡洋艦由于“技術(shù)過于超前、技術(shù)要求過高、開支過高”等原因?qū)е马?xiàng)目計(jì)劃正式終結(jié)，EMML研發(fā)也隨即停止。海軍工程大學(xué)提出了一種基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)載裝填的武器載荷通用電磁發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各型武器的通用發(fā)射，提高了武器平臺(tái)綜合作戰(zhàn)能力。該技術(shù)以脈沖能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換（直驅(qū)/間驅(qū)、旋轉(zhuǎn)/直線、動(dòng)初級(jí)/動(dòng)次級(jí)、永磁/感應(yīng)）與控制為基礎(chǔ)，以自動(dòng)化轉(zhuǎn)載裝填為特征，目前已攻克了車載、艦載、水下等多型作戰(zhàn)平臺(tái)武器載荷通用電磁發(fā)射系統(tǒng)所有關(guān)鍵技術(shù)，主要包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、大推力高功率密度發(fā)射電機(jī)設(shè)計(jì)與制造、重載高速轉(zhuǎn)載裝填機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與高精度控制技術(shù)、水下電磁發(fā)射“電磁-結(jié)構(gòu)-流體”多場(chǎng)耦合建模和低噪聲發(fā)射控制技術(shù)等。

3.1.2 武器技術(shù)

1）電磁軌道炮。電磁軌道炮利用電磁力將炮彈加速至超高速，具有初速高、射程遠(yuǎn)、威力大、成本低、持續(xù)打擊能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，具有遠(yuǎn)程對(duì)海對(duì)陸精確打擊、中遠(yuǎn)程防空反導(dǎo)、反臨近空間目標(biāo)等多種使命任務(wù)，由于其完全依靠超大規(guī)模電磁能發(fā)射并攜帶動(dòng)能殺傷，可實(shí)現(xiàn)命中即摧毀，被譽(yù)為從冷兵器到熱兵器以來的又一次武器革命，世界各軍事強(qiáng)國在此領(lǐng)域不惜投入巨大的人力財(cái)力開展研究，由于涉及多個(gè)學(xué)科交叉，并受制于材料、器件等基礎(chǔ)工業(yè)的進(jìn)步，到目前為止并未實(shí)現(xiàn)工程化。美國在電磁軌道炮工程樣機(jī)研制方面，自20世紀(jì)80年代以來，一直走在世界前列，BAE系統(tǒng)公司研制的32 MJ動(dòng)能電磁軌道炮樣機(jī)，如圖13所示，于2017年7月實(shí)現(xiàn)20 MJ炮口動(dòng)能、10發(fā)/min射速。此外，GA公司研制的10 MJ中程多任務(wù)電磁軌道炮系統(tǒng)也于2017年完成了裝配調(diào)試工作。

圖13 BAE系統(tǒng)公司32 MJ電磁軌道炮試驗(yàn)樣機(jī)

法國和德國合作開展電磁軌道炮的研究，并成立了ISL（法德圣路易斯研究所），在2008年研制建成了連續(xù)發(fā)射電磁軌道炮RAFARAI用于防御高超聲速導(dǎo)彈（發(fā)射頻率在50 Hz以上），目前，該系統(tǒng)可在單發(fā)模式下將100 g的彈丸加速至2.4 km/s。2018年開發(fā)了60 mm方形口徑的電磁軌道炮NGL－60，其電流水平超過了2.13 MA，發(fā)射效率達(dá)到22%。日本防衛(wèi)省2022財(cái)年投入65億日元用以完成電磁軌道炮在裝備化前的樣機(jī)生產(chǎn)，計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)裝備化。

海軍工程大學(xué)在發(fā)射裝置、儲(chǔ)能、電樞、超高速彈丸方面開展了全面深入的研究。研制了多種口徑的試驗(yàn)樣機(jī)，突破了復(fù)合身管技術(shù)和軌道壽命技術(shù)等瓶頸；提出了新型混合儲(chǔ)能技術(shù)，解決了電磁軌道炮的連發(fā)能源問題；形成了C形固體電樞的歸一化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和工程判據(jù)，為不同形狀、不同推力電樞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；深入研究了一體化彈丸氣動(dòng)數(shù)值計(jì)算、膛內(nèi)磁場(chǎng)分布特性、彈托分離特性、飛行彈道姿態(tài)測(cè)量、內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)等，規(guī)范了彈托的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，解決了制導(dǎo)彈內(nèi)彈道、中間彈道及導(dǎo)航制導(dǎo)控制等一系列難題，為實(shí)現(xiàn)高精度全空域遠(yuǎn)射程制導(dǎo)彈丸的研制提供了理論依據(jù)[41, 53]。涉及關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射系統(tǒng)總體技術(shù)、發(fā)射身管及絕緣體長壽命技術(shù)、脈沖儲(chǔ)能高射速小型化技術(shù)、集成化冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)、高速高過載制導(dǎo)控制技術(shù)等。

2）電磁線圈炮。電磁線圈炮在未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中具有十分廣泛的軍事應(yīng)用，不僅可用于戰(zhàn)術(shù)層面，而且還可用于戰(zhàn)略層面。美國國防部預(yù)先研究計(jì)劃局正在大力推進(jìn)120 mm口徑的電磁迫擊炮實(shí)驗(yàn)室演示項(xiàng)目研究，專門為下一代“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”研制車載式非直瞄電磁迫擊炮，目標(biāo)是將120 mm的迫擊炮彈加速到420 m/s。可以看出，在同軸線圈電磁推進(jìn)領(lǐng)域，美國不間斷地進(jìn)行了近40年的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究，目前已經(jīng)進(jìn)入原理樣機(jī)試制階段。

海軍工程大學(xué)攻克了大口徑高磁密線圈設(shè)計(jì)制造技術(shù)、緊湊型脈沖電源技術(shù)等一系列難題，實(shí)現(xiàn)了百kg級(jí)一體化電磁彈出口速度達(dá)到數(shù)百m/s以上，目前正在發(fā)展中質(zhì)量高馬赫數(shù)（1 000 m/s）電磁線圈發(fā)射技術(shù)。

3）電磁槍。電磁槍是將電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于輕型武器裝備的一種新概念動(dòng)能殺傷武器裝備、可突破傳統(tǒng)槍械的初速、射程和威力，適用于單兵武器或車載、艦載副武器等場(chǎng)合。與常規(guī)槍械相比，具有彈丸有效載荷比高、動(dòng)能大、穿甲性能好，初速高、彈丸飛行時(shí)間短，射程遠(yuǎn)、作戰(zhàn)范圍廣，易于調(diào)節(jié)、可控性強(qiáng)，加速均勻、后坐力小等作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

目前，國內(nèi)外提出了將電磁槍應(yīng)用于裝甲、機(jī)載等平臺(tái)的構(gòu)想，但未有樣機(jī)研制。主要是兩個(gè)方面的原因，一是受限于現(xiàn)有儲(chǔ)能水平，體積和質(zhì)量難以滿足單兵、多兵攜帶或車載等使用要求；另一方面，電磁槍的射程遠(yuǎn)超傳統(tǒng)槍械，其遠(yuǎn)距離射擊精度是工程化應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。海軍工程大學(xué)完成了發(fā)射裝置及電源的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁槍武器系統(tǒng)的車載集成，實(shí)現(xiàn)了彈樞匹配和電磁起旋技術(shù)，有效提高了射擊精度，開展了外場(chǎng)數(shù)公里遠(yuǎn)射程發(fā)射試驗(yàn)，子彈出口動(dòng)能幾十kJ，突破了目前世界上槍械的射程和動(dòng)能限制。

3.1.3 超能艦構(gòu)想

目前，全球海軍多種不同任務(wù)的作戰(zhàn)平臺(tái)如航母編隊(duì)等，系統(tǒng)復(fù)雜，協(xié)同指揮難度較大，而且建造維護(hù)成本極為高昂。隨著高能武器的發(fā)展，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)平臺(tái)已無法滿足新型武器的能量需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，海軍工程大學(xué)率先提出超能艦構(gòu)想，如圖14所示超能艦是集成電磁能武器和核能綜合電力系統(tǒng)的新型海上攻防一體作戰(zhàn)系統(tǒng)。超能艦上裝備有電磁軌道炮、電磁線圈炮、電磁火箭炮、激光武器、高功率微波等新型電磁能武器，并與全電艦船技術(shù)集成，將艦船平臺(tái)能量智能高效地轉(zhuǎn)換為高能武器所需的電磁能，使單艘艦船同時(shí)具備防空、反潛、反導(dǎo)和對(duì)海、對(duì)陸的精確打擊能力，大幅提升艦船持續(xù)作戰(zhàn)能力，從而保證單艘全能艦遂行傳統(tǒng)艦艇編隊(duì)的作戰(zhàn)任務(wù)，這將徹底顛覆一百多年來的海上編隊(duì)作戰(zhàn)方式[4]。

超能艦的先進(jìn)性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是核能艦船綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，能將常規(guī)戰(zhàn)爭(zhēng)中不能作為武器使用的核能，通過電磁能轉(zhuǎn)換為可用的打擊能量；二是艦載高能武器系統(tǒng)的運(yùn)用，可以作為反艦導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈以及魚雷等武器的能力補(bǔ)充，采用電磁炮加激光武器的組合，遠(yuǎn)距離使用電磁炮，近距離使用激光武器和高功率微波，彈藥造價(jià)低且攜帶量大幅提升。配備的電磁軌道炮射程遠(yuǎn)，打擊范圍可達(dá)臨近空間；電磁發(fā)射導(dǎo)彈可自動(dòng)重復(fù)裝填，持續(xù)作戰(zhàn)能力和射程大幅增加；電磁線圈炮可發(fā)射各種水中兵器，大幅提升水下攻防能力；激光武器以光速傳輸能量，瞄準(zhǔn)即命中；高功率微波武器殺傷范圍大，能有效應(yīng)對(duì)“蜂群”目標(biāo)。搭載空中、水面、水下無人信息系統(tǒng)，融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大范圍戰(zhàn)場(chǎng)感知、信息共享。

圖14 超能艦構(gòu)想圖

3.2 民用及航天領(lǐng)域

電磁發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域日趨成熟的應(yīng)用促進(jìn)了其在民用及航天等領(lǐng)域的推廣。首先，采用電磁發(fā)射方式發(fā)射空間載荷可極大削減發(fā)射成本，縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，提高發(fā)射頻次和效率；其次，電磁發(fā)射在保持運(yùn)載能力不變的情況下，可以省去其中一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭由四級(jí)構(gòu)型變?yōu)槿?jí)，或者火箭構(gòu)型不改變，增大火箭運(yùn)載能力，大幅提高了發(fā)射的有效載荷比，降低了發(fā)射費(fèi)用；最后，電磁線圈發(fā)射無接觸，適合于長行程的發(fā)射，有利于空間站或天基的物資運(yùn)輸。

3.2.1 航天推射

與現(xiàn)有傳統(tǒng)的航天發(fā)射技術(shù)相比，航天電磁推射系統(tǒng)極大地發(fā)揮了電磁發(fā)射的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合運(yùn)載器的適應(yīng)性改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)更低成本、更高頻次、多方位、更快速的發(fā)射。將電磁發(fā)射技術(shù)與民用、商業(yè)航天需求有機(jī)結(jié)合，借助航天市場(chǎng)的爆發(fā)式增長之力，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)國防科技的跨越式發(fā)展，同時(shí)還能充分發(fā)揮高新技術(shù)對(duì)航天力量建設(shè)的支援作用。20世紀(jì)以來，國外相關(guān)概念及設(shè)想層出不窮。美國IAT（先進(jìn)技術(shù)研究所）提出了第一級(jí)用電磁炮發(fā)射，第二級(jí)保留火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射方案構(gòu)想，將3 t重的有效載荷送入600 km的軌道[56]。文獻(xiàn)[57]提出了電磁復(fù)合能發(fā)射微小衛(wèi)星的概念。俄羅斯Shvetsov提出大型電磁軌道航天發(fā)射的方案，并分析了火箭末級(jí)（飛行組件）加速有效載荷空間升力的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[58]提出利用電磁發(fā)射輔助清除空間碎片的方案，文獻(xiàn)[59]則提出通過電磁軌道發(fā)射太空物資的概念。可以預(yù)見，在不久的將來，航天電磁推射將具備工程化拓展應(yīng)用的潛力。

3.2.2 微重力落塔

量子精密測(cè)量旨在利用量子效應(yīng)，突破現(xiàn)有體系物理測(cè)量的瓶頸，實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測(cè)量精度，在軍事、科研、民生等領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義?？臻g星載精密測(cè)量載荷工作在微重力環(huán)境下，與地面工作環(huán)境有很大的不同，在載荷的研制過程中，迫切需要一個(gè)能夠模擬空間微重力環(huán)境的科學(xué)裝置。采用地面落塔進(jìn)行微重力環(huán)境模擬具有較高的性價(jià)比。

針對(duì)上述需求，我國擬基于電磁發(fā)射技術(shù)，建設(shè)一座高150 m的新一代電磁驅(qū)動(dòng)式落塔。與傳統(tǒng)直拋式落塔相比，采用電磁彈射技術(shù)和電磁阻尼技術(shù)的新一代落塔，可實(shí)現(xiàn)多種重力環(huán)境模擬，具有雙倍微重力時(shí)間、高微重力水平、高重復(fù)頻次，過載小和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于空天、深空、深海等精密測(cè)量場(chǎng)合。

3.2.3 高速磁懸浮列車

高速磁懸浮列車主要利用電磁力實(shí)現(xiàn)懸浮，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，相比于輪軌接觸式列車，在運(yùn)行功耗、振動(dòng)、噪聲等方面具有優(yōu)勢(shì)，是未來軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。目前，高速磁懸浮技術(shù)主要有三種主流制式，分別是電磁懸浮制式、電動(dòng)懸浮制式和釘扎懸浮制式。其中，我國上海高速磁浮示范線最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)431 km/h，是目前世界載人軌道交通運(yùn)營的最高速度；2020年，我國自主研發(fā)的時(shí)速600 km/h高速磁浮列車試跑成功，標(biāo)志著我國已掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁型高速磁浮核心關(guān)鍵技術(shù)。此外，美國、德國、日本、西班牙、巴西等國也均在高速磁懸浮領(lǐng)域開展了大量研究工作。

近年來，海軍工程大學(xué)積極響應(yīng)國家軍民融合戰(zhàn)略，將電磁發(fā)射技術(shù)向民用軌道交通領(lǐng)域推廣，擬在湖北東湖實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一條長約1 km的高速磁浮測(cè)試線，采用懸浮支撐和電磁推進(jìn)的方式，將約1 t重的試驗(yàn)車加速至峰值速度800 km/h，并在有限距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)。建成后，將為我國開展高速運(yùn)行下磁浮列車的牽引供電、懸浮導(dǎo)向、運(yùn)行控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證提供一個(gè)強(qiáng)有力的支撐平臺(tái)。

4 電磁發(fā)射技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策

近年來，隨著材料、器件等有關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題的不斷突破，電磁發(fā)射技術(shù)取得了長足進(jìn)展。但是由于電磁發(fā)射涉及的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣、工作條件越來越極端、所涉及的學(xué)科領(lǐng)域越來越多，技術(shù)發(fā)展仍然面臨以下挑戰(zhàn)：

4.1 極端電磁熱力耦合沖擊條件下材料物性參數(shù)演變機(jī)理不清

不同于傳統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝備，電磁能裝備受極高功率（數(shù)萬兆瓦）、極短時(shí)間（數(shù)毫秒）、極大電流（數(shù)兆安）、極高速度（數(shù)千米每秒）以及上述物理量極高變化率等極端條件的共同耦合作用，其材料的電磁、溫度、應(yīng)力等物理量的變化率與峰值極大，產(chǎn)生極端的電磁、熱、力沖擊環(huán)境，在材料上形成巨大的磁場(chǎng)梯度、溫度梯度和應(yīng)力梯度，以及多種高度非線性的瞬時(shí)耦合物理效應(yīng)，傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況建立的材料模型與性能表征、設(shè)計(jì)理論等無法適用于電磁能裝備極端的沖擊態(tài)物理環(huán)境，需要從沖擊條件材料物性演變機(jī)理與調(diào)控、電磁能裝備盡限設(shè)計(jì)與穩(wěn)定運(yùn)行等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。

解決對(duì)策分兩個(gè)層面：一是從時(shí)空耦合角度研究電磁、熱、力等沖擊條件下材料與電磁能的相互作用機(jī)理，突破現(xiàn)有周期穩(wěn)態(tài)理論框架，發(fā)展基于時(shí)空的材料多維度綜合數(shù)學(xué)物理建模理論和性能表征新方法，研究材料的成分設(shè)計(jì)與晶相結(jié)構(gòu)優(yōu)化、服役條件下組織結(jié)構(gòu)演化與沖擊性能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料沖擊響應(yīng)的電磁性能、機(jī)械性能、溫度性能和頻率特性的綜合調(diào)控；二是從精細(xì)描述電磁能裝備性能的角度，研究循環(huán)非周期暫態(tài)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程的分析理論，從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面迭代優(yōu)化，發(fā)展基于材料盡限應(yīng)用的電磁能裝備設(shè)計(jì)方法，提出復(fù)雜大系統(tǒng)信息感知與智能診斷預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)電磁能裝備的緊湊化設(shè)計(jì)與安全高效運(yùn)行。

4.2 高壓大功率器件非周期瞬態(tài)性能表征方法不明

為提升電磁發(fā)射系統(tǒng)功率體積密度和可靠性，器件層面需要掌握極限能力邊界，核心是器件特性的精確表征。由于電磁發(fā)射表現(xiàn)出短時(shí)超大電流的特點(diǎn)，其高壓大功率器件既有開關(guān)瞬態(tài)載流子ns級(jí)運(yùn)動(dòng)過程，又有浪涌電流ms級(jí)輸運(yùn)過程，同時(shí)也有貫穿始終的熱傳遞過程以及全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)變化過程[60-61]。因此，器件呈現(xiàn)出較傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)更為復(fù)雜的多時(shí)間尺度多物理場(chǎng)耦合特征，實(shí)現(xiàn)其極限能力的評(píng)估需要突破器件多時(shí)間尺度表征難題。技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如何建立脈沖瞬態(tài)器件內(nèi)部微觀特性與端口宏觀特性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、驅(qū)動(dòng)控制下器件特性與主電路元素的互動(dòng)關(guān)系，以及全壽命周期內(nèi)器件特性的演變規(guī)律[62]。

解決對(duì)策分兩個(gè)層面：一是器件本體微觀與宏觀特性，重點(diǎn)關(guān)注多時(shí)間尺度下載流子輸運(yùn)與能量傳遞之間的關(guān)系；二是器件與主回路元素的互動(dòng)關(guān)系，尤其是多時(shí)間尺度下驅(qū)動(dòng)控制與負(fù)載特性對(duì)器件能力邊界的影響?？蓮膬蓚€(gè)角度突破：一是從半導(dǎo)體和封裝材料的物理特性角度分析器件多時(shí)間尺度特性；二是從極端工況的角度分析器件多時(shí)間尺度應(yīng)力特點(diǎn)，最終從物理邊界和工程邊界兩個(gè)目標(biāo)維度建立器件不同時(shí)間尺度下的特性表征方法，突破電磁發(fā)射極端條件下高壓大功率器件多時(shí)間尺度表征難題。

4.3 多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合極端工況下等價(jià)測(cè)試與原位觀測(cè)手段不足

電磁發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，1:1原型試驗(yàn)代價(jià)極大，開展極端電磁、熱、力沖擊條件下的等價(jià)測(cè)試，可大幅加快各關(guān)鍵技術(shù)的研究速度。由于非周期脈沖工況和復(fù)雜極端多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合作用，等價(jià)測(cè)試面臨三大難題：一是極端的等價(jià)模擬條件加載，包括溫升速率≥106K/s、電流密度≥1010A/m2、應(yīng)變速率≥106s-1等指標(biāo)；二是極端多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合下的關(guān)聯(lián)等價(jià)測(cè)試，需提供電磁、電熱、熱力等至少兩種極端條件耦合作用下的模擬條件，研究多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合下的機(jī)理和演化規(guī)律；三是強(qiáng)電磁干擾下的微時(shí)間尺度高速高精度原位測(cè)量，時(shí)間分辨率≤1 μs、空間分辨率≤0.1 μm、測(cè)量精度≤1‰等。針對(duì)上述難題，現(xiàn)有的原位觀測(cè)手段和等價(jià)測(cè)試平臺(tái)均無法滿足要求。

解決方法分三個(gè)層面：一是開展復(fù)雜機(jī)理及其指標(biāo)關(guān)聯(lián)性研究，提出等價(jià)解耦指標(biāo)，如解耦熱力和電磁指標(biāo)，分別開展等價(jià)測(cè)試，大幅降低等價(jià)測(cè)試難度；二是研究電磁能極端物理環(huán)境的等效模擬方法，建立多因素耦合的沖擊載荷下材料物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，突破傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的單一物理量加載的局限，實(shí)現(xiàn)沖擊工況下對(duì)材料宏觀物理性能與微觀組織演變規(guī)律和機(jī)理的描述，解決沖擊工況材料動(dòng)態(tài)性能觀測(cè)難題；三是應(yīng)用人工智能成果，開發(fā)多源多信息融合測(cè)試系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)層面深度融合各傳感器信息，突破單一傳感器測(cè)量信息少、時(shí)空分辨率低和測(cè)量精度差等難題。

4.4 電磁能裝備性能進(jìn)一步提升面臨材料和制備工藝短板

為提升電磁裝備服役耐久性，材料層面需要揭示電磁軌道失效機(jī)制，指導(dǎo)新型高性能軌道材料和相應(yīng)工藝的研發(fā)。由于電磁裝備服役過程中樞/軌界面涉及電、磁、熱、力多場(chǎng)耦合的苛刻服役環(huán)境，軌道材料呈現(xiàn)出較單一物理場(chǎng)下更為復(fù)雜的損傷行為[63]。實(shí)現(xiàn)新型軌道材料的研發(fā)需要突破多物理場(chǎng)下材料失效行為動(dòng)態(tài)耦合及多重材料性能協(xié)同優(yōu)化的難題。技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如何構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合下軌道材料微觀結(jié)構(gòu)-性能-失效行為之間的內(nèi)稟關(guān)系、針對(duì)復(fù)雜損傷機(jī)制實(shí)現(xiàn)軌道材料多重性能的集成以及高性能軌道材料制備工藝的工程化。

解決對(duì)策分兩個(gè)層面：一是研究多場(chǎng)耦合下材料的損傷特性，重點(diǎn)關(guān)注失效機(jī)制耦合及材料微觀結(jié)構(gòu)與損傷行為之間的內(nèi)在關(guān)系；二是基于軌道材料在多場(chǎng)耦合下的損傷模型，指導(dǎo)高耐久性能復(fù)合結(jié)構(gòu)軌道材料的設(shè)計(jì)?？蓮娜齻€(gè)角度突破：一是新一代高強(qiáng)高電導(dǎo)率銅合金的研發(fā)，通過成分和結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)軌道材料多重性能的集成；二是基于損傷機(jī)制分析，利用高性能材料復(fù)合化（如涂層技術(shù)等）抑制軌道損傷，實(shí)現(xiàn)軌道材料抗耐久性的提升；三是從樞/軌界面損傷出發(fā)，利用電樞表面改性抑制鋁合金粘附引起的軌道損傷。通過材料的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，突破電磁能裝備性能進(jìn)一步提升面臨的難題。

5 發(fā)展趨勢(shì)與展望

電磁發(fā)射系統(tǒng)工作于極端條件，受限于現(xiàn)有材料器件性能和國家基礎(chǔ)工業(yè)水平，目前電磁能裝備還存在著一些體積、重量大等問題，為了進(jìn)一步提高適裝性、可靠性和壽命，需要繼續(xù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，面向“三化”開展研究。

5.1 電力電子系統(tǒng)無纜化

電力電子系統(tǒng)作為能量流轉(zhuǎn)換的基本單元，通常由半導(dǎo)體器件、傳感器元件、硬件電路、監(jiān)控軟件經(jīng)連接件組合而成，通過數(shù)據(jù)總線在底層設(shè)備、傳感器和控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息交互，具有實(shí)時(shí)性、確定性和安全性的特點(diǎn)。隨著電力電子系統(tǒng)向多樣化、規(guī)?；?、智能化發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)的信息流和能量流互聯(lián)互通日趨復(fù)雜，不斷促進(jìn)電力電子系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展。復(fù)雜的互聯(lián)線纜嚴(yán)重制約了電力電子系統(tǒng)的智能制造、柔性擴(kuò)展，而現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)理念難以支撐電力電子系統(tǒng)和這些新技術(shù)手段的深度融合。無纜化需要解決瞬態(tài)電磁能量精確表征與平衡調(diào)控、狀態(tài)管理智能決策與高效控制、高功率密度集成單元無纜化封裝電磁兼容及散熱等問題[1]。

海軍工程大學(xué)提出了電能變換單元無纜化思想，解決了信息流系統(tǒng)維護(hù)性差、可靠性差等問題；提出了高過載制導(dǎo)彈彈載器件少纜化思想，進(jìn)一步縮小了制導(dǎo)元器件的體積和重量，提高了耐沖擊性能。目前已研制出抗高過載能力的制導(dǎo)導(dǎo)航控制（Guidance Navigation and Control, GNC）模塊，未來將會(huì)全面覆蓋電磁發(fā)射系統(tǒng)的信息流層面，并將推廣到其他民用及航天領(lǐng)域。

5.2 高性能材料復(fù)合化

電磁能裝備材料工作于多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合、高瞬態(tài)、高應(yīng)力和高速摩擦運(yùn)動(dòng)的極端條件下，對(duì)材料的多重核心指標(biāo)均有較高要求，然而，現(xiàn)有材料中往往存在核心指標(biāo)之間相互制約的情況。比如，在常規(guī)金屬材料中，導(dǎo)電性和強(qiáng)度往往呈現(xiàn)倒置規(guī)律[64]。高導(dǎo)電性金屬（如銀、銅等）的強(qiáng)度通常較低，必須通過多種復(fù)合強(qiáng)化手段（如添加陶瓷第二相、高強(qiáng)納米顆粒、合金化、晶粒細(xì)化和加工強(qiáng)化等）提高金屬的強(qiáng)度，但這些強(qiáng)化技術(shù)往往導(dǎo)致導(dǎo)電性能大幅度降低。其原因在于這些強(qiáng)化技術(shù)本質(zhì)上是在材料中引入各種缺陷，但缺陷會(huì)顯著增加電子散射，從而降低電導(dǎo)率。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在儲(chǔ)能材料中，儲(chǔ)能密度和功率密度兩大核心指標(biāo)之間存在不可調(diào)和的矛盾，單一的儲(chǔ)能材料難以滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)既要高儲(chǔ)能密度、又要高能量密度的現(xiàn)實(shí)需求。

海軍工程大學(xué)提出用“復(fù)合”材料的原理來解決材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性協(xié)同提高的難題。比如，用銅作為基體、其他高強(qiáng)度材料作為覆層進(jìn)行爆炸焊接后整體成形，作為導(dǎo)電耐磨材料；另外，材料表面改性也是開發(fā)新型高強(qiáng)高導(dǎo)金屬材料的主要手段。

為了解決儲(chǔ)能材料同時(shí)需要高功率密度和高能量密度難題，2009年海軍工程大學(xué)率先提出混合儲(chǔ)能技術(shù)路線，以蓄電池為初級(jí)單元提高儲(chǔ)能密度，以脈沖電容為二級(jí)儲(chǔ)能提高功率密度，從而實(shí)現(xiàn)高功率和高能量密度，大幅降低高能武器對(duì)艦船電網(wǎng)的容量需求。電磁發(fā)射的極端應(yīng)用背景將會(huì)催生高性能材料的復(fù)合化，為電磁發(fā)射技術(shù)的工程化鋪平道路。

5.3 全系統(tǒng)感知控制智能化

電磁發(fā)射裝置長期工作于大功率脈沖條件下，信息感知能力和運(yùn)行控制手段決定著平臺(tái)性能的發(fā)揮程度，需要不斷深化基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的電磁發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)智能感知與運(yùn)行控制理論，全面提升全系統(tǒng)的自傳感、自診斷和優(yōu)化控制能力，為發(fā)展智能化武器裝備提供理論和技術(shù)支撐。電磁發(fā)射系統(tǒng)智能感知與運(yùn)行控制系統(tǒng)由集成式智能傳感單元、健康狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)單元、運(yùn)行控制管理單元三部分組成，通過新型集成傳感、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)化理論、數(shù)據(jù)融合等理論和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)測(cè)，并結(jié)合電磁發(fā)射實(shí)時(shí)工況需求，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化控制。需要解決系統(tǒng)集成智能感知、復(fù)雜工況下系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)自適應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化與容錯(cuò)控制等問題[1]。

智能感知與運(yùn)行控制系統(tǒng)可充分挖掘并掌握電磁發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)故障準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，根據(jù)不同工況和故障狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整與容錯(cuò)控制，使其滿足高載荷、高動(dòng)態(tài)復(fù)雜工況，并為上層武器分系統(tǒng)和下層能量管理分系統(tǒng)提供決策數(shù)據(jù)，支撐電磁發(fā)射系統(tǒng)作戰(zhàn)效能最大化，有望使電磁能武器在運(yùn)行、維護(hù)效率和盡限運(yùn)行能力等方面的性能得到大幅提升。

綜上所述，電磁發(fā)射技術(shù)是人類運(yùn)用能量的又一次進(jìn)步，必將成為未來發(fā)射方式的必然趨勢(shì)，將在軍事民用航天航空等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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Research Progress and Challenges of Electromagnetic Launch Technology

Ma Weiming Lu Junyong

（National Key Laboratory of Electromagnetic Energy Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Electromagnetic launch (EML) technology takes electric energy as the original organization form and achieves accurate control from information flow to energy flow. It involves deep cross-integration of multiple disciplines and fields such as electrical, material, information and control, and has significant advantages such as high launch kinetic energy, high system efficiency, high launch frequency, fast start time, strong continuous launch capability and strong load adjustable capability. It will become a new launch technology to replace the traditional mechanical launch and chemical-energy launch. In recent years, with the rapid development of integrated power technology, new composite materials, high-voltage and high-power switches and artificial intelligence, EML technology has set off a new round of research upsurge, and has great significance in the military and civilian fields to subvert the existing pattern. Based on the research achievements in EML field in the past 20 years, this paper introduces the technical characteristics and technical branches of EML, and summarizes five common technologies of EML system, such as pulsed energy storage, pulsed power conversion, pulsed linear machine, detection and control, high speed high overload guidance. The development status and applications in the field of military platform and weapons, civil and aerospace are reviewed. Meanwhile, the current challenges and countermeasures are pointed out, and the future development trend are proposed, such as cable-free electronic system, high performance materials composite and intelligent sensing control of the whole system, so as to provide a reference for subsequent research of EML technology. EML technology is another human progress in the use of energy, will become the inevitable trend of future launch methods, will have a profound impact on military, civilian, space and other fields.

Electromagnetic launch, electromagnetic catapult, rail gun, coil gun, wireless, intelligent sensing

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230470

TM154.2; TM359.4; TJ866

國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目（92266301）、重點(diǎn)項(xiàng)目（92166204, 92166205）資助。

2023-04-20

2023-05-20

馬偉明 男，1960年生，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)、電力電子裝置與控制、電磁發(fā)射技術(shù)、電磁兼容等。E-mail：ma601901@vip.163.com

魯軍勇 男，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)、直線電機(jī)及其控制技術(shù)、電磁軌道炮技術(shù)等。E-mail：jylu2019@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）