賈 強,高躍飛,柯 彪

(中北大學 機電工程學院, 山西 太原 030051)

1 發(fā)展電磁迫擊炮的必要性

目前各國正在研制的大口徑迫擊炮系統(tǒng)大多采用輕型輪式或履帶式車輛為底盤，配備120 mm口徑的身管，配用包括精確制導導彈在內的各種新型彈藥和先進的火控系統(tǒng)，具有火力猛、可部署性強和精度高的特點，適用于特種、輕型部隊遂行山地作戰(zhàn)、空降作戰(zhàn)和城市巷戰(zhàn)。但這些迫擊炮系統(tǒng)也有其缺點：為了增強其火力打擊縱深，需采用高能推進劑和增大裝藥量的方法，不可避免地增大了迫擊炮發(fā)射時的后坐力，會導致系統(tǒng)命中精度降低和提升彈藥補給難度等問題，對底盤的性能和反后坐裝置的設計提出了較高要求。

基于以上的原因，提出了研究發(fā)展一種新型的大口徑電磁迫擊炮，不采用易燃易爆的發(fā)射藥，安全性增加，后勤補給方便，使其性能得到改善[1]。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外從2005年開始對電磁迫擊炮展開相應的研究工作，研究項目的目標是：

1)可發(fā)射精確制導迫擊炮彈。2)初速達到420 m/s以上。3)射程從原來的7 km增至9 km。4)初速散布小于0.1%。5)身管壽命達到100發(fā)以上。項目曾提出軌道式和線圈式兩種電磁發(fā)射方案，并分別對兩種發(fā)射方式進行了論證。截至2008年，兩種發(fā)射系統(tǒng)樣機均已完成發(fā)射試驗。圖1和圖2分別為軌道式和線圈式發(fā)射系統(tǒng)的內彈道仿真結果。

在軌道式發(fā)射系統(tǒng)樣機的試驗中，發(fā)射裝置可將質量為17 kg的試驗彈丸發(fā)射到420 m/s的速度，彈丸和軌道并沒有發(fā)現(xiàn)任何燒蝕的特征[2]。

在線圈式發(fā)射系統(tǒng)的試驗中，發(fā)射裝置可將18 kg的彈丸發(fā)射到420 m/s的速度。研究人員表示通過合理控制電流，彈丸初速可以達到500 m/s[3]。

圖3為國外某公司設計的自行軌道炮內部結構示意圖?？梢钥闯鲈撆诎l(fā)射所需的電量來自兩臺對置的脈沖交流發(fā)電機。圖4為該公司設計的車載軌道炮演示方案。圖中左邊的能源、彈藥補給車作戰(zhàn)時可為作戰(zhàn)車補給能源與彈藥。

3 發(fā)展電磁迫擊炮的可行性

3.1 電磁發(fā)射方案和主要戰(zhàn)技指標確定

選用軌道式發(fā)射方案，為了與現(xiàn)有的彈藥取得一致，電磁炮口徑選120 mm。其他詳細參數(shù)見表1。

表1 常規(guī)迫擊炮和電磁迫擊炮參數(shù)對照表

3.2 軌道炮炮身

目前較成熟的炮身結構主要有簡單軌道炮和增強軌道炮兩種。結合電磁迫擊炮的戰(zhàn)技指標，這里采用層疊式串聯(lián)增強方式。軌道層數(shù)不宜過多，過多會帶來結構復雜、炮尾電壓過大和軌道炮效率低等缺點，一般采用2～4層軌道結構。

3.3 彈丸

電磁迫擊炮彈由炮彈本體和發(fā)射電樞兩個主要部件組成。迫擊炮彈可以現(xiàn)有制式迫擊炮彈結構為基礎，通過簡單改裝而成，這樣可有效控制彈藥升級改造費用。因為迫擊炮對初速要求較低，因此，發(fā)射電樞主要考慮技術成熟的固體電樞。電樞應優(yōu)先選用固定式(與迫擊炮彈固接)。如果無法保證良好的外彈道性能也可考慮采用分離式或者預置空氣彈簧準流體電樞[4]。

3.4 電源

目前機動型電源的關鍵的技術就是小型化問題。軌道炮的脈沖電源主要有單級發(fā)電機、電容器組、磁通壓縮發(fā)生器和脈沖交流發(fā)電機等。未來應用于機動武器平臺的電源可能會是電容器組、磁通壓縮發(fā)生器或脈沖交流發(fā)電機。這里主要選擇目前技術相對成熟的電容組供電和脈沖交流發(fā)電機供電兩種方案進行具體分析。

3.4.1 電容器組電源

采用技術相對成熟的電容器組作為電源系統(tǒng)是一種理想的選擇。一套完整的軌道炮試驗用的電容器電源系統(tǒng)需要的組件有：電容器組、大電流開關、電感器、安全裝置、控制器、充電模塊、傳輸線。

1) 軌道炮效率選擇。選取軌道炮效率為30%，則可根據(jù)迫擊炮戰(zhàn)技指標計算出軌道炮電源系統(tǒng)儲存的能量為5.44 MJ。

2) 電容器組選擇。假設電容器儲能密度為1.2 MJ/m3,要提供5.44 MJ能量的電容器組體積約為4.54 m3，質量約為5 448 kg。

3) 其他電源組件設計。其他電源組件包含兩個1 mF的金屬薄膜電容、半導體晶閘管開關、調波電感、安全裝置、局部控制器、數(shù)據(jù)采樣裝置和同軸電纜。充電系統(tǒng)選用CCPS模塊，該充電模塊目前可以在60 s內將1 MJ的電容器組充電至10 kV[4]。

以目前國內外高功率脈沖電容器發(fā)展現(xiàn)狀來看，電容器還存在著體積大和質量大的問題，主要被用作實驗室研究使用。但隨著高功率電容器技術的不斷進步，采用電容器組作為機動式電源仍是一種理想的選擇。

3.4.2 脈沖交流發(fā)電機電源

1) 方案確定。 采用脈沖交流發(fā)電機作為軌道炮的電源是一種理想的機動型電源方案。脈沖交流發(fā)電機是目前最有可能應用于機動武器平臺的電源，盡管它的一些相關技術還不是十分成熟。圖5所示為脈沖交流發(fā)電機作為電磁軌道炮主電源的方案。

2) 效率估算。汽輪機所使用的燃料主要是汽油、柴油和煤油等碳氫燃料。汽輪機轉換為機械能輸出的效率約為30%。航空交流發(fā)電機的發(fā)電效率在95%以上，假設軌道炮的效率為30%，通過計算可知電磁軌道炮的能量轉化率為8.6%。雖然這個數(shù)值遠小于常規(guī)火炮30%的效率，但考慮到電磁軌道炮采用的能源為碳氫燃料。碳氫燃料的能量密度約為42 MJ/kg，該值大約是普通固體發(fā)射藥的10倍?？梢怨浪愠鍪褂孟嗤|量的碳氫燃料和固體發(fā)射藥，前者的所能提供的凈能量為后者的2.87倍。也就是說,如果軌道炮要獲得和常規(guī)火炮相同的炮口動能，那么所需的發(fā)射藥僅為原來的1/2.87，假設目前自行火炮攜彈量為50發(fā)，則軌道炮攜彈量可達143發(fā)。

4 電磁迫擊炮關鍵技術

4.1 大功率脈沖電源技術

迫擊炮屬于直接火力支援武器，戰(zhàn)場機動性要求高，但由于迫擊炮炮口動能較小，因此，使電容器組供電方案具有可行性。目前國外某公司最新公布的電容器儲能密度為3 MJ/m3。采用該電容器組則可將電容器組體積縮減至1.8 m3，質量約為1.43 t。若考慮充電系統(tǒng)，蓄電池系統(tǒng)，預計電源系統(tǒng)總體積約為2.5 m3，總質量為3.4 t，已可以達到實戰(zhàn)應用水平[5-6]。

若采用高能量密度的交流發(fā)電機則可更明顯減小電源系統(tǒng)體積和質量，這是最理想的機動電磁迫擊炮電源方案。國外某工業(yè)公司制造的脈沖交流發(fā)電機已經(jīng)可以為炮口動能為2～5 MJ的軌道炮提供發(fā)射所需的能量。該脈沖交流發(fā)電機該發(fā)電機的體積為1.9 m3，質量為7 000 kg，儲能密度達到2 000 J/kg。下一階段目標是實現(xiàn)8～10 MJ的炮口能量水平。但脈沖發(fā)電機目前還需要解決材料強度、冷卻和制造工藝等問題來提高能量密度。具體有：采用石墨、玻璃環(huán)氧等高強度材料制造空心轉子來替代鐵心轉子，可將儲能密度提升至少3倍以上；采用鈦合金等材料作主軸提高轉速等。如能將儲能密度提升至1 000 J/kg，則可應用于機動電磁迫擊炮系統(tǒng)。

4.2 高壽命軌道技術

迫擊炮的射速較其他支援火炮要高，因此，對軌道壽命提出了更高的要求。由于軌道的燒蝕情況與彈丸速度和軌道線電流密度的平方成正比[7]，其中彈丸速度已規(guī)定為450 m/s，在此速度下發(fā)射固體電樞，由于速度有限不會導致電樞轉捩的問題[8]。同時電樞發(fā)射時產生的的鋁沉積情況很小不會導致軌道之間的短路，相反由于前一發(fā)電樞沉積在軌道上的金屬堆積，會在下一發(fā)彈丸發(fā)射過程中起到潤滑作用，使電樞和導軌的接觸趨于良好，因此，迫擊炮多發(fā)彈丸不會嚴重影響軌道壽命[9]，未來可以采用在軌道或電樞表面鍍一層低熔點的金屬來起到潤滑的作用[10-11]。另外，若想提高壽命需要減小軌道線電流密度，可采用層疊式串聯(lián)增強軌道來實現(xiàn)，也可考慮新型炮膛結構、分層導軌、斜槽導軌和改善軌道材料等技術來提高軌道使用壽命。

4.3 工作穩(wěn)定高效的電樞

采用層疊式串聯(lián)增強軌道炮固體電樞的設計需要從改進現(xiàn)有電樞的材料和結構兩方面入手。需要研制高強度、耐高溫的電樞材料。另外可考慮采用準流體電樞，若采用聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜等高擊穿強度材料來提高多層電樞之間絕緣材料的絕緣性能，可將軌道絕緣層厚度大幅度減小。如果未來需要發(fā)射更高速的彈丸，則應考慮混合電樞或等離子電樞。

4.4 高效率軌道炮技術

大口徑軌道炮的效率普遍在10%～30%之間，較常規(guī)火炮較小。提高電磁迫擊炮的效率應從多方面入手，如設計更合理的金屬接觸結構，改善供電線路的接觸性能，減小接觸損耗；采用多級供電方法和增強軌道形式，采用準流體電樞防止電樞在發(fā)射過程中起弧，改進電源供電性能等。參考國外試驗數(shù)據(jù)，改進的電磁迫擊炮效率預計可達到50%以上[12]。

4.5 工程化關鍵技術

1)實用化炮身。為了提高電磁迫擊炮戰(zhàn)場維護性，需要設計輕型、安全和易拆裝的炮身封裝結構，如軌道的使用壽命期滿，不能再使用時，可在戰(zhàn)場上快速更換軌道。

2)迫擊炮后坐力控制。包括炮尾饋電結構設計，軌道炮和供電系統(tǒng)布置等。

3)自動裝填。需詳細論證采用電磁裝填還是傳統(tǒng)機械式裝填，由于電磁炮炮尾不存在高壓密封問題，因此，可采用側向裝填，擺動藥室裝填技術等，這樣可減小裝填系統(tǒng)空間，提高裝填速度，簡化裝填機構，節(jié)省裝填空間。

4)大電流旋轉和俯仰炮架設計。包括炮尾結構設計，傳輸線布置及其和炮身的接口設計等。

5)電磁兼容性及人機工程。若電磁迫擊炮安裝在機動作戰(zhàn)平臺上，由于發(fā)射時軌道內流過兆安級的大脈沖電流，這對膛內的彈丸和位于迫擊炮附近電子儀器的抗電磁干擾能力提出了極高的要求。此外強大的電磁場對周圍戰(zhàn)斗成員的影響也需要進行深入的研究。

5 結 論

通過對電磁迫擊炮的分析和關鍵技術的論證，提出了具體的工程化解決方案和預期指標，論證發(fā)展電磁迫擊炮在技術上是可行的，發(fā)展電磁迫擊炮在技術上已具備了較好的基礎。電磁發(fā)射技術的研究除了繼續(xù)研究小型化電源、高壽命軌道、高效率電樞等基礎構件外，應將更多精力投入到軌道炮工程化、裝備化等關鍵技術研究上。

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