喬志明，雷　彬，呂慶敖，向紅軍，黃　旭

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊　050003)

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電磁軌道炮關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢分析

喬志明，雷彬，呂慶敖，向紅軍，黃旭

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊050003)

電磁軌道炮是利用電磁力將彈丸加速到超高速的新概念武器系統(tǒng)，可遂行直瞄打擊、超高空或超遠程投送彈藥等多種作戰(zhàn)任務(wù)。介紹了軌道炮的基本原理，從電能利用角度對軌道炮研究中電源與電力控制、軌道與電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計、超高速滑動電接觸理論與技術(shù)以及軌道炮系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。依據(jù)電磁軌道炮發(fā)展規(guī)律及現(xiàn)有技術(shù)水平，分析其新的發(fā)展趨勢為大炮口動能軌道炮設(shè)計、基于軌道發(fā)射的彈丸設(shè)計以及軌道長壽命研究，對新概念武器發(fā)展有一定參考意義。

電磁發(fā)射；電磁軌道炮；脈沖功率電源；滑動電接觸；炮口動能

電磁發(fā)射技術(shù)是利用載流體在磁場中受力，對目標(biāo)物體進行加速的一項重要電磁能應(yīng)用技術(shù)，具備電力應(yīng)用的獨特優(yōu)勢，在彈丸發(fā)射、艦載機彈射、火箭和導(dǎo)彈彈射等方面有很好的發(fā)展前景。

在軍事領(lǐng)域，電磁軌道炮備受青睞[1-3]。電磁軌道炮炮口初速大，可在新形勢信息化作戰(zhàn)條件下遂行多種作戰(zhàn)任務(wù)，是新概念武器研究的一個重要方向。根據(jù)2001年美國電磁發(fā)射技術(shù)專家McNab對初速2.5 km/s的細(xì)長圓錐形彈丸外彈道分析，質(zhì)量為60 kg彈丸在51°仰角發(fā)射條件下，最大射高為120 km左右，在6 min內(nèi)可達到400 km的最大射程，而且彈丸末速度超過了1.5 km/s[4]；利用其在短時間內(nèi)將彈藥遠距離投送優(yōu)勢，可實現(xiàn)對敵快速、大縱深火力覆蓋以及作為登陸作戰(zhàn)中的有效火力掩護；利用其射高高的特點，可覆蓋戰(zhàn)斗機機群飛行高度，用作近程防空武器；發(fā)揮其彈丸速度高的特點，實現(xiàn)對厚壁目標(biāo)動能打擊，攻擊敵方裝甲目標(biāo)或工事，同時擺脫了對發(fā)射藥的依賴；另外，軌道炮彈丸速度高，目標(biāo)小，具備不易攔截、攻擊性強的優(yōu)勢。

1　電磁軌道炮基本原理

軌道炮基本組成包括大功率脈沖電源、電能控制模塊、兩條平行金屬軌道、位于兩軌道間且與兩軌道保持滑動電接觸的載流電樞、電樞推動的彈丸以及絕緣固定裝置等，如圖1所示。

電樞被壓入炮膛(兩軌道間)后，接通電源開關(guān)，電流由后膛饋入，流經(jīng)軌道、電樞、另一側(cè)軌道，形成閉合回路。兩根軌道中反向電流在軌道之間區(qū)域形成磁場，對載流電樞產(chǎn)生電磁力作用。由于在電磁發(fā)射過程中，極短時間內(nèi)電流迅速增大到幾兆安，所形成的洛倫茲力遠大于電樞的運動阻力，電樞推動彈丸向炮口加速運動。

依據(jù)法拉第定律、虛功定律以及能量守恒定律，可得到“軌道炮作用力”定律為[1]

(1)

式中：F為電樞受到的電磁力；L′為單位長度軌道的電感值，即電感梯度；I為通過回路的電流。

由圖1和式(1)可以看出，電磁軌道炮作為高電壓應(yīng)用條件下的機電系統(tǒng)，其技術(shù)核心在于脈沖大電流的產(chǎn)生及利用，因此，適配電磁軌道炮的大功率脈沖電源技術(shù)、基于改善結(jié)構(gòu)通流能力問題的樞軌結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、超高速滑動電接觸技術(shù)以及強電磁環(huán)境下的系統(tǒng)集成技術(shù)是制約軌道炮性能的優(yōu)化和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2　電磁軌道炮關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1電源與電力控制技術(shù)

軌道炮對電源有極高的性能要求，軌道炮電源在毫秒量級時間段內(nèi)釋放幾兆焦甚至更多的電能，以滿足軌道炮超高速發(fā)射性能需求。同時，為便于電源運載，軌道炮電源還應(yīng)具有能量密度高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

目前，大功率脈沖電源主要儲能形式有電容儲(電)能、電感儲(磁)能、旋轉(zhuǎn)機械儲(動)能和化學(xué)能儲能等，軌道炮發(fā)射系統(tǒng)的電源多采用單極發(fā)電機或電容器組。單極發(fā)電機采用旋轉(zhuǎn)機械儲能，儲能密度大，放電過程電流平穩(wěn)，其缺點主要是儲能周期長，最大的單極發(fā)電機是澳大利亞國立大學(xué)的堪培拉單極發(fā)電機，據(jù)試驗記載，可儲能550MJ[1]；電容器組經(jīng)充電后可形成高壓，放電速度快，是試驗用軌道炮的主要電源之一，缺點是能量密度小，不適用機動場所，目前，市場化的電容器最大儲能密度約4MJ/m3，實驗室用電容器的最大儲能密度為7MJ/m3，這仍然遠低于用于火箭發(fā)射的碳?xì)淙剂虾突鹋诎l(fā)射的發(fā)射藥能量密度[5]。

合理設(shè)計供電模式，采用有效的電力控制可提高能源利用率，軌道發(fā)射中，脈沖成型網(wǎng)絡(luò)(PFN)對電流波形影響很大，通過改善電流輸出波形可以提高系統(tǒng)效率及炮口動能，理想的軌道炮電源輸出電流波形為梯形平頂脈沖[6]。

2.2軌道與電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)“軌道炮作用力”定律，增加軌道電感梯度和加大回路電流能夠提高軌道炮作用力，合理設(shè)計軌道與電樞結(jié)構(gòu)可提高軌道電感梯度L′值，改善結(jié)構(gòu)通流能力，增加炮口動能，延長軌道壽命。

發(fā)射裝置口徑、軌道幾何尺寸、矩形軌道寬高比都直接影響電感梯度值的大小[7]；不同的封裝工藝對軌道電感梯度值影響很大，相同條件下，采用導(dǎo)磁性好、導(dǎo)電性能差的封裝材料，有利于提升軌道電感梯度值[8]；在結(jié)構(gòu)上設(shè)置磁場增強軌道，通過增加磁場可提高電感梯度值，美國IAT設(shè)計的增強型軌道炮電感梯度達到了1μH/m，較簡單軌道炮0.4μH/m左右的電感梯度值提高達2.5倍[9]。其他主要形式還有多軌式增強型軌道炮[10]、多層串聯(lián)軌道炮[11]、層疊式和并排式軌道炮[12]等。

合理設(shè)計電樞結(jié)構(gòu)可以改善電流分布，減少趨膚效應(yīng)、速度趨膚效應(yīng)以及電流傳導(dǎo)短路徑聚集現(xiàn)象帶來的電流分布不均，改善電樞熱應(yīng)力分布，采用“馬鞍面”狀電樞與多匝軌道相結(jié)合的復(fù)雜軌道炮結(jié)構(gòu)，可顯著改善電流分布[13]。其中“馬鞍面”狀電樞可利用“電流分布的短路徑聚集效應(yīng)”反作用于“脈沖電流的趨膚效應(yīng)”，與柱面結(jié)構(gòu)相比，能有效提高電樞電流分布的均勻化程度，如圖2所示。

2.3超高速滑動電接觸理論與技術(shù)

在電磁軌道炮中，大脈沖電流經(jīng)一條軌道通過電樞流到另一條軌道，電樞與軌道之間以過盈接觸方式保證良好滑動電接觸。大電流流經(jīng)電樞與軌道滑動接觸表面時，會伴隨機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、可能的電火花或電弧效應(yīng)。

大電流軌道炮的樞軌界面間超高速滑動電接觸導(dǎo)致的問題主要有：

1)滑動電樞與固定軌道相互運動過程中，軌道上微顆?；驊?yīng)力中心對電樞的沖擊作用，產(chǎn)生了刨削現(xiàn)象，在軌道上形成液滴狀刨坑。

2)由于電樞與軌道的不良接觸而引起接觸面之間產(chǎn)生電弧擊穿，發(fā)生轉(zhuǎn)捩和燒蝕。

3)由于電流在電樞邊緣匯聚和金屬液滴侵蝕作用導(dǎo)致槽蝕現(xiàn)象，在軌道上電樞兩側(cè)位置形成溝槽。

4)另外，由于鋁質(zhì)電樞尾翼滑動接觸界面的熔融，在銅合金軌道上形成銀白色金屬沉積層，使得電接觸界面更加復(fù)雜。

通過合理設(shè)計樞軌結(jié)構(gòu)可優(yōu)化樞軌電接觸狀態(tài)，有效減少軌道損傷，延長發(fā)射器壽命。美國高技術(shù)研究所(IAT)采用電鍍鋁膜作為樞軌接觸預(yù)先涂層，試驗證明可有效預(yù)防刨削現(xiàn)象，減輕軌道損傷[14]；Marshall和Persad在試射多層層疊電樞時，發(fā)現(xiàn)其刨削區(qū)域明顯小于單體電樞，證實了分層結(jié)構(gòu)對改善電接觸狀態(tài)的可觀效果[1]。

電接觸研究進展緩慢，國外研究主要單位是美國高技術(shù)研究所(IAT)、美國海軍研究實驗室(NRL)，主要研究方法是軌道沉積層組分、形態(tài)分析，以及基于大量實驗數(shù)據(jù)的電接觸狀態(tài)仿真。2004年，IAT宣稱，在2～3km/s速度范圍內(nèi)解決了軌道刨削和電樞轉(zhuǎn)捩問題[15]，取得了重大進展。

2.4系統(tǒng)集成技術(shù)

目前，大功率脈沖電源能量密度較低，由于電磁軌道炮系統(tǒng)的大電流需求，系統(tǒng)的供能模塊占用空間較大；大電流工作環(huán)境下的軌道炮系統(tǒng)會形成脈沖強電磁場，需要有效的電磁防護模塊；若實現(xiàn)軌道炮電樞彈丸裝填、瞄準(zhǔn)、發(fā)射的高度自動化，強電磁環(huán)境下的機電設(shè)備布置也是亟需解決的問題。所以，隨著大電流工作模式下的電磁軌道炮不斷走向?qū)嵱没M程，對其發(fā)射的可靠性、操作的靈活性、使用的安全性以及運載的簡易性提出了更高要求，其系統(tǒng)集成技術(shù)也顯得更加重要。

美國波音公司/英國航空航天公司(BAE)研制的電磁軌道炮于2014年7月上艦展示，是軌道炮軍事實用化進程的重大進展，表明美海軍軌道炮系統(tǒng)集成技術(shù)達到了很高的水平。我國在進行電磁軌道炮加工進程中也更加重視系統(tǒng)的小型化和緊湊性，軌道炮裝置的研發(fā)制作將會更加突出一體化的特點。

3　軌道炮發(fā)展趨勢

軌道炮的研究，是在順應(yīng)其軍事應(yīng)用目標(biāo)中曲折發(fā)展的，經(jīng)歷了處于技術(shù)探索階段的堪培拉軌道炮、以反洲際彈道導(dǎo)彈為應(yīng)用目標(biāo)的天基在軌軌道炮、以反裝甲為目標(biāo)的陸基機動軌道炮以及至今作為研究主流的以超遠程火力打擊為目標(biāo)的海基軌道炮4個主要階段。

如今，美海軍軌道炮系統(tǒng)代表著電磁軌道炮發(fā)展的最高水平。2008年，美國海軍進行了10.6MJ炮口動能圓膛炮發(fā)射試驗。2010年，使用同近方膛軌道炮發(fā)射裝置進行試驗，將10kg彈丸加速到2.5km/s炮口速度，炮口動能達到32MJ[16]。2012年，美海軍首次進行了軌道炮全威力樣機發(fā)射試驗，如圖3所示。2014年7月，美海軍研制的炮口動能32MJ電磁軌道炮進行了艦上展示，如圖4所示。

在現(xiàn)有技術(shù)水平和作戰(zhàn)需求下，軌道炮具有如下發(fā)展趨勢：

1)大炮口動能軌道炮設(shè)計。隨著軌道炮技術(shù)不斷趨于實用化，軌道炮將會在不久后走出實驗室，服務(wù)于軍事。各國在進行加大發(fā)射初速研究的同時，更加注重加大彈丸質(zhì)量和炮口動能以改善彈丸性能，提高打擊精度、增強殺傷效果。美國海軍計劃下一步提高彈丸質(zhì)量至20kg，炮口動能達到64MJ。圖5所示為初速2.5km/s不同質(zhì)量細(xì)長圓錐形彈丸的外彈道曲線[4]，其中，采用60kg彈丸以2.5km/s炮口初速發(fā)射，炮口動能達187.5MJ，最大射高為120km左右，射程可達到400km。大炮口動能軌道炮的遠射程發(fā)射性能對作戰(zhàn)模式和國際規(guī)則有重要影響，且由于彈丸在高于30km高空飛行時，幾乎不受空氣阻力影響，高射高發(fā)射也更利于形成有益于彈丸飛行的空氣動力學(xué)條件。受制于現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)水平，目前，大初速、高炮口動能的電磁軌道炮在工程研制進程中還不夠成熟，大炮口動能軌道炮研究的發(fā)展將在不斷加大彈丸質(zhì)量和炮口初速中曲折發(fā)展。

2)基于軌道發(fā)射的彈丸設(shè)計。關(guān)于軌道發(fā)射的彈丸設(shè)計主要有以下幾個方面：

①電樞與彈丸的一體化設(shè)計，目標(biāo)是使得電樞將彈丸可靠推動到超高速，彈托和彈丸分離后，彈丸實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。美海軍在2004年3月進行的一體化發(fā)射組件的自由飛行演示中，成功使用了方膛軌道炮脫殼彈丸組件；2010年8月，美海軍在內(nèi)凸方膛軌道炮上發(fā)射試驗了脫殼彈藥。

②軌道炮彈丸的制導(dǎo)需求，精確打擊是信息化條件下作戰(zhàn)的主要特點，軌道炮發(fā)射超遠射程彈丸，由于在膛內(nèi)電樞與軌道接觸狀況復(fù)雜、電樞出口速度快以及受環(huán)境因素影響，彈丸在無制導(dǎo)條件下打擊精度還不夠高。

③若實現(xiàn)炮口初速在1.7km/s以上，在現(xiàn)有發(fā)射器水平上，彈藥將承載約3萬個重力加速度，高于目前制導(dǎo)彈藥2萬個重力加速度承載能力[5]。

④由于發(fā)射過程中的強磁場作用，很可能造成制導(dǎo)電子元器件不準(zhǔn)確或失靈。

因此，基于軌道炮發(fā)射條件下制導(dǎo)彈藥一體化設(shè)計是伴隨大炮口初速軌道炮研究的重要研究方向。

3)軌道長壽命研究。由于高參數(shù)軌道炮發(fā)射過程中的大電流形成歐姆熱效應(yīng)，以及電接觸界面存在的磨擦磨損、刨削、轉(zhuǎn)捩燒蝕、槽蝕、沉積層等多方面作用，導(dǎo)致軌道的使用壽命受到很大限制。而軌道炮的使用壽命直接制約著其軍事應(yīng)用空間，軌道炮若遂行大縱深火力覆蓋、對敵大面積毀傷作戰(zhàn)任務(wù)，必須解決軌道的長壽命問題。在軌道炮發(fā)展過程中，由于固體電樞取代了等離子電樞，軌道炮壽命由單發(fā)發(fā)展為多發(fā)，軌道長壽命的實現(xiàn)仍將在很大程度上取決于材料、樞軌結(jié)構(gòu)的改善。

4 結(jié)束語

作為新概念武器，電磁軌道炮可加速彈丸到超高速。與傳統(tǒng)武器相比，由于其炮口初速大、易控制、安全性高等特點，電磁軌道炮在遂行防空、反導(dǎo)彈、反裝甲、超遠程火力壓制等軍事任務(wù)中具有很大優(yōu)勢。隨著電源與電力控制、軌道與電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計、超高速滑動電接觸以及系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)水平的提高，彈丸發(fā)射初速和炮口動能已初步達到軍事應(yīng)用水平，大炮口動能軌道炮、基于軌道發(fā)射的彈丸設(shè)計以及軌道長壽命將是伴隨軌道炮走向?qū)嵱没陌l(fā)展趨勢。

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Analysis of the Key Technologies and Development Tendency of Electromagnetic Railguns

QIAO Zhiming, LEI Bin, LYV Qing’ao, XIANG Hongjun, HUANG Xu

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

Electromagnetic railguns are new concept weapons which accelerate projectiles to a high value with electromagnetic force. They are possibly applied to various military operations such as direct attack, high-altitude or long-range launching of ammunition. An introduction is made of the basic principle of railguns. An analysis is made of the novel electric power supply and electricity control research, structure designs of armatures and rails, sliding electrical contact technologies, and the integration technologies in electromagnetic launch from the perspective of the use of electricity. Based on the law development and current technical level of railguns, the new development tendencies are represented by guns with high muzzle kinetic energy, railgun projectile design and the long-life of rails, which has a certain reference value for the development of new concept weapons.

electromagnetic launching; railguns; pulsed power supply; sliding electrical contact; muzzle kinetic energy

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.019

2015-08-25

國家安全重大基礎(chǔ)研究項目(6132270102)；國家自然科學(xué)基金項目(51407195)

喬志明(1991—)，男，碩士研究生，主要從事電磁發(fā)射技術(shù)研究。E-mail：qiaozhiming99@163.com

TM153

A

1673-6524(2016)02-0091-05