電磁軌道炮及其脈沖電源技術探析范文

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《國防科技雜志》2016年第4期

摘要：

隨著美國第三次“抵消戰略”的推進，電磁軌道炮等新概念武器成為關注的焦點。在介紹電磁軌道炮的基礎上，總結了外軍的發展現狀和技術瓶頸，詳細闡述了電磁軌道炮脈沖功率電源的超導儲能技術和變流裝置的拓撲結構。研究表明，電磁軌道炮和超導儲能技術將是發展的趨勢。

關鍵詞：

電磁軌道炮；超導儲能；抵消戰略

引言

電磁軌道炮是利用電磁軌道發射技術制成的一種先進的動能殺傷武器，通過電磁力來加速彈丸，很容易突破傳統化學能火炮技術的初速極限，因此具有高速度、大威力和遠射程等優點[1]。當前，美軍高度重視電磁軌道炮的研發和試驗，稱電磁軌道炮為可“改變游戲規則”的新概念武器[2]。電磁炮具備廣泛的用途，據文獻報道，可能的用途包括以下幾個方面：打擊地面和海上目標；陸地和海上防空反導；發射導彈和衛星；天基戰略反導和反衛星；實施空中作戰[3]。電磁軌道炮通過洛倫茲力加速彈丸，相較于傳統火炮依靠化學能實現發射方式，具有初速快和精確可控等優點。電磁軌道炮不僅能突破傳統火炮初速的限制，而且可實現彈丸的初速、威力和射程的連續精確調控，這使得電磁軌道炮順應了信息化戰爭對裝備智能化的要求。此外，由于電磁炮未使用火藥，作戰時不會產生火焰和煙霧，所以隱蔽性和安全性高。而且電磁炮發射成本低廉，同時降低了后勤補給負擔。因此，電磁軌道炮的廣泛應用將是未來的發展趨勢。文中對國內外電磁軌道技術發展現狀進行了闡述，并指出了電磁軌道炮目前的發展瓶頸。最后詳細闡述了電磁軌道炮脈沖電源的超導儲能系統，指出復雜的電源儲能技術的突破將會極大推動電磁軌道炮技術的成熟。

一、外軍電磁軌道炮技術發展現狀與瓶頸

（一）外軍電磁軌道炮技術發展現狀

美國對于電磁發射技術在軍事領域內應用的研究始于21世紀初，目前處于世界領先水平。早在2000年，電磁發射技術就作為超前技術納入美軍的未來戰斗系統（FCS）應用規劃中。2001年，美國海軍完成了艦載電磁軌道炮可行性分析，認為可以64MJ的炮口動能發射20Kg的彈丸，完成動能毀傷。之后，美國海軍2005年啟動了電磁軌道炮研制項目，并于2008年至2012年進行了多次實驗和試射。2013年，美國海軍授權BAE系統公司正式啟動連續發射的發射樣機和脈沖電源的研發工作。2014年3月7日，美國海軍研究實驗室所屬材料試驗研究室成功試射了新研發的小口徑電磁軌道炮試驗臺，標志著美軍電磁軌道炮研究進入新階段。該試驗臺口徑僅為25.4mm，每分鐘可進行數次發射，并可安裝在配有先進電池的機動平臺上。2014年9月，美防長第一次在公開場合提出第三次“抵消戰略”，旨在利用美國的技術優勢發展新的裝備和戰略戰術，謀求與對手新的不對稱軍事優勢[4]。美軍電磁軌道炮的未來的實戰化應用，將增大相對戰爭成本，并削弱其對手的導彈生存能力。在此背景下，美軍加速了電磁軌道炮的測試和應用。美海軍計劃于2016年在“米利諾基特”聯合高速艦上暫時安裝一部用于海試的電磁炮原型機。2015年4月，美海軍計劃未來將一套新型電磁軌道炮武器整合在朱姆沃爾特級驅逐艦（DDG1000）上。法德國防部共同組建的聯合實驗室法•德圣路易斯研究所是繼美國之后在電磁發射領域的重要研究力量，目前已經能夠實現電磁軌道炮的多發快速發射。1998年ISL建成的“PEGASUS”電磁軌道發射器是其主要發射裝置，并在隨后的幾年中進行了多次優化與改進。2002年，該試驗型發射器優化為方口徑，如圖3所示，此結構更加容易控制條件和拆換部件，有利于試驗研究。此發射裝置可以將質量為300g的電樞加速至2.4km/s，也可將質量為1kg的彈丸發射到2.0km/s以上的速度，發射效率超過25%。2006年，ISL已實現將質量1～4kg的彈丸加速到2300m/s的發射。ISL基于這些發射系統獲得的基礎數據，研究獲得了發射器口徑結構、電樞結構、分布式饋電和材料等因素對發射穩定性和軌道壽命的關系。

（二）電磁軌道炮技術發展瓶頸

電磁軌道炮雖然具有很多優勢，但也存在能量儲存困難、電源復雜的缺點。可以預見，電磁炮從概念走向廣泛應用還需要經歷一個長期的發展過程。盡管美軍的電磁炮項目目前已進入工程化階段，但要在未來實現實用化和武器化，仍面臨著以下技術突破的巨大挑戰。

一是脈沖電源問題。電磁軌道炮在工作時，彈丸的加速時間極短，但為了獲得所需的初速，所需的能量卻非常巨大。脈沖電源負責為電磁炮提供能量，要在幾毫秒的時間內提供幾十至上百兆焦的電能。如此巨大的能量存儲依賴于儲能技術的進步，目前較為成熟的儲能技術是體積和重量都較大的電容器。例如，美國通用電子公司推出的“閃電”電磁軌道炮所使用的電容器大小如兩輛拖車式卡車，無法實現高機動性。為實現電磁炮車載化的目標，電源儲能裝置需進一步小型化。因此脈沖電源設計時，不僅要考慮材料的強度、效能和溫度控制等因素，而且要考慮儲能裝置的小型化問題。

二是炮管長壽命問題。炮管壽命制約著電磁炮技術的發展，長壽命是連續發射的前提。雖然目前已經解決了電弧燒蝕和高速刨削等問題，但發射器的壽命依然只有百發量級。發射器在發射時承受著巨大推力，以及流經軌道和電樞的電流都會對炮管造成磨損。因此在解決炮管長壽命問題時，要設計可承受軌道斥力的炮管結構，并攻克熱管理技術等等。

三是炮彈設計和抗過載問題。首先，電磁軌道炮的殺傷機制為單純的動能毀傷，因此炮彈的材料和結構設計直接影響了最終的殺傷效果。其次，電磁炮要實現遠距離的精確打擊，必須進行制導和彈道修正。在電磁炮發射的瞬間，炮彈將承受巨大的空氣阻力、百萬安培的強大電流和35000-40000g的高過載。所以炮彈及其制導組件必須具備耐高溫、高壓和巨大過載的性能。制導炮彈的抗過載能力越強，對應的精確打擊射程就越遠。

四是與作戰平臺集成的問題。電磁軌道炮無論用于執行何種作戰任務，在使用過程中都將基于特定的作戰平臺，因此需要將武器系統與已有或未來的作戰平臺進行集成。具體包括動態功率共享、空間和質量、冷卻、電磁場管理等方面的問題。

二、電磁軌道炮脈沖功率電源技術

（一）脈沖電源超導儲能技術進展

電磁軌道炮的脈沖功率電源一般包括初級電源、中間儲能系統和脈沖形成網絡。其中儲能系統常見類型包括：電容儲存靜電能，電感儲存磁能，旋轉機械儲存慣性動能[5]。在幾種儲能方式中，電容儲能技術最為成熟，應用最為廣泛但能量密度最低；旋轉機械儲能的能量密度大，但其結構非常復雜且難以實施；電感型儲能的儲能密度高于電容，易于冷卻且只需儲存一次發射的能量即可。所以，電感儲能型高能大功率脈沖電源是滿足電磁發射需求的可能方案。超導磁儲能裝置（SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES）通過對超導線圈供電勵磁產生磁場而儲存能量[6]。超導儲能具有很多優點：直接存儲能量，所以效率高；儲能密度大，理論上存儲能量沒有限制；可控性好；由于線圈處于超導態，所以能量在磁場中的幾乎沒有損耗，并且可極大降低對充電電源的要求。SMES本質上是電流源，它的電壓隨著負載而變化。脈沖功率SMES可以應用在諸多需要大功率電流源的領域，例如電磁軌道炮、艦載機彈射裝置和載荷電磁發射器。目前，第二代高溫超導帶材（YBCO）的發展，為提高超導儲能技術奠定了材料基礎。HTSSMES相比于低溫超導,在高磁通密度下可以提供更大的電流密度，而且具有更大的熱穩定性。使用HTS，在15K溫度以上進行操作有了可能，這也降低了冷卻降溫的成本。2007年，法國總軍械代表團框架下的HTSSMES發生器‘SMESI’進行了測試。2011年，ISL設計了儲能84KJ的三模塊高溫超導磁儲能XRAM發生裝置，是第一個設計并實驗成功的超導XRAM發生器[7]。該XRAM發生器在27m的負載上得到了峰值為600A的34s時長的脈沖電流。‘SMESI’的升級版‘SMESII’實現了2╳200KJ-1MW的脈沖功率高溫超導磁儲能裝置的設計和測試，其雙餅繞組如圖6所示。

（二）脈沖電源變流裝置研究現狀

雖然電感型儲能具有諸多優點，但也具有一個典型缺點。在關斷大電感電流時，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場能量，使得在關斷開關兩端會產生很大的電壓應力而超出半導體開關所能承受的范圍。因此人們一直在提高關斷開關的耐壓和探索對主管耐壓要求低的換流電路。美國IAT實驗室提出的STRETCHmeatgrinder和由德法ISL聯合實驗室提出的ICCOS換流的XRAM是兩種基本的電流脈沖壓縮拓撲，兩者的典型電路分別如圖7和圖8所示。STRETCHmeatgrinder是利用磁通壓縮原理實現電流倍增的，電流放大倍數大，拓撲結構簡單。采用全控型器件IGCT作為關斷開關，成本高且關斷電流較小；而ICCOS換流的XRAM通過從電流源串聯充電轉換為并聯放電，從而產生一幅值約為各電感電流之和的輸出電流。該拓撲模塊化性能好，但結構相對復雜。我國清華大學提出的STRETCHmeatgrinderwithICCOS將ICCOS換流技術應用于STRETCHmeatgrinder拓撲中，典型電路如圖9所示。該拓撲結合了前2個拓撲的優勢，同時具備高電流放大倍數、較小關斷開關電壓和關斷開關能關斷較大電流的優勢，并且顯著降低了系統成本。電感型儲能脈沖電源在電磁軌道炮中的應用尚在探索中，目前超導磁儲能技術也已經能夠達到MW級，變流裝置的研究也在快速發展。超導儲能裝置的小型化和能量轉換所用大容量短路開關及變流技術的突破是電磁炮從概念走向實際的有效橋梁。

三、電磁軌道炮及其脈沖功率電源技術的發展趨勢

（1）電磁發射技術的研究熱潮。從弓箭到火炮，人類實現了從機械能到化學能發射的轉變，未來由化學能轉換為更高發射速度的電磁能發射將是必然趨勢。隨著美國第三次“抵消戰略”的加速推進，電磁發射技術的研究也將越來越引起人們的關注。

（2）超導儲能成為未來的主要方向。由于超導儲能與其它儲能方式相比，具有較高的儲能密度和功率密度，存儲容量沒有限制，而且幾乎沒有電能損耗等諸多優點，所以超導儲能未來最有望成為電磁軌道炮脈沖功率電源所用儲能裝置。

（3）儲能裝置小型化。為了實現脈沖功率電源的車載化目標，最終實現電磁軌道炮的武器化和實戰化應用，電源小型化是必然趨勢。因此儲能裝置小型化是未來一段時間的發展目標。

四、結束語

隨著美國第三次“抵消戰略”的推進，將在無人作戰、定向能、動能武器等領域掀起新一輪軍事科技革命。電磁軌道炮作為高速動能新概念武器，將在未來的軍事科技競爭中成為搶奪戰略制高點的關鍵。目前，美國處于世界領先水平，電磁軌道炮也已經進入工程化階段。我國應結合自身國情，科學合理制定電磁軌道炮的發展規劃。當前，應加強電磁軌道炮基礎理論科學和關鍵技術的研究，為將來電磁軌道炮的實戰應用提供技術儲備和經驗積累。此外，超導儲能技術不僅可以用于電磁軌道炮，而且可用于電網中的脈沖功率電源。超導儲能技術將隨著超導材料和相關技術的進步，逐步提高功率密度和能量密度。相信在不久的將來，電磁軌道炮會進入實戰化和武器化應用階段。

參考文獻：

[1]李軍,嚴萍,袁偉群.電磁軌道炮發射技術的發展與現狀[J].高電壓技術,2014,40(4):1052-1064.

[2]伍尚慧.國外電磁軌道炮的發展現狀及軍事應用前景[J].電光系統,2014(3):1-5.

[3]楊藝,郭靜.美軍電磁軌道炮發展綜述[J].國外坦克,2015(4):35-38.

[4]虞衛東.美國第三次“抵消戰略”:意圖與影響比較研究[J].國際關系研究,2015(3):77-87.

[5]馬山剛,于歆杰,李臻.用于電磁發射的電感儲能型脈沖電源的研究現狀綜述[J].電工技術學報,2015(24):222-236.

作者:楊鑫 林志凱 龍志強 單位:國防科技大學機電工程與自動化學院