馬偉明，魯軍勇，李湘平

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

為適應(yīng)以信息化和縱深精確打擊為核心的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)需求，彈藥發(fā)射也正朝著遠(yuǎn)程化、精確化和高效能的方向發(fā)展。傳統(tǒng)火炮由于受到火藥氣體滯止聲速的限制，炮口初速已達(dá)到化學(xué)能武器的極限[1]，不能滿足海軍未來(lái)海上作戰(zhàn)需求。電磁發(fā)射彈丸應(yīng)運(yùn)而生，成為未來(lái)海軍艦炮發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

電磁發(fā)射一體化彈丸主要由電樞、彈體和彈托組成，如圖1所示。圖中I表示電流；B表示磁場(chǎng)；V表示彈丸的運(yùn)動(dòng)速度。發(fā)射時(shí)，利用導(dǎo)軌及電樞取代傳統(tǒng)的身管和藥筒、利用磁場(chǎng)力推動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)火炮的氣體介質(zhì)推動(dòng)，彈丸速度可超越化學(xué)能武器的極限，使彈丸具有傳統(tǒng)火炮發(fā)射無(wú)法企及的射程、著速和威力，近年來(lái)成為各軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相追逐的發(fā)展利器。然而電磁發(fā)射炮彈與傳統(tǒng)火藥發(fā)射炮彈的膛內(nèi)、炮口、外彈道的環(huán)境存在巨大差別，毀傷機(jī)理也發(fā)生了根本性改變，因而，無(wú)法簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)彈藥的分析方法。并且電磁發(fā)射彈丸的研制涉及多學(xué)科、多系統(tǒng)的集成融合，致使電磁發(fā)射一體化彈丸的研究面臨理論分析體系不足、技術(shù)解決途徑匱乏等問題。

圖1 電磁發(fā)射一體化彈丸工作原理及組成Fig.1 Schematic diagram of working principle and composition of EM launch ILP

為給電磁發(fā)射一體化彈丸的研究提供指導(dǎo)，本文介紹了目前電磁發(fā)射一體化彈丸研究方面具有代表性的研究成果以及面臨的問題，并給出了下一步研究建議。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 理論研究

1.1.1 內(nèi)彈道多物理場(chǎng)耦合模型研究

電磁發(fā)射彈丸內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境表現(xiàn)為電磁-結(jié)構(gòu)-熱-氣動(dòng)-運(yùn)動(dòng)的雙向耦合，如圖2所示，其研究難度較大且具有重要的理論和實(shí)用研究?jī)r(jià)值，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。美國(guó)得克薩斯大學(xué)的先進(jìn)技術(shù)研究所(Institute for Advanced Technology, IAT)從耦合控制方程出發(fā)，通過自編代碼，完成了一款三維電磁-結(jié)構(gòu)耦合分析軟件，即EMAP3D[3]；Shatoff等基于ANSYS內(nèi)核編寫了HERB代碼，通過移動(dòng)自由度的方式實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)-電磁的雙向耦合[4]；Rodger等開發(fā)的MEGA代碼[5]可實(shí)現(xiàn)電磁-結(jié)構(gòu)-熱耦合。

國(guó)內(nèi)Lin等基于混合有限元和邊界元的方法，編寫了運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)仿真代碼，并結(jié)合Ls-dyna軟件實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)-電磁-結(jié)構(gòu)的耦合[6]；Tan等采用棱邊元方法實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)-電磁場(chǎng)的耦合[7]。此外，文獻(xiàn)[8-9]均公開發(fā)表了其在電磁發(fā)射彈丸內(nèi)膛多物理場(chǎng)耦合仿真模型方面的研究成果。

圖2 電磁發(fā)射彈丸內(nèi)彈道多物理場(chǎng)耦合過程Fig.2 Coupling progress of interior ballistic multiphysics of EM launch projectile

綜上，目前國(guó)內(nèi)外在電磁發(fā)射彈丸內(nèi)彈道多物理場(chǎng)耦合模型方面的研究取得了一定的成果，但還未出現(xiàn)一款軟件或代碼能實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物理場(chǎng)的雙向緊耦合，尤其是對(duì)于高速、高溫滑動(dòng)電接觸下的樞軌接觸狀態(tài)缺乏有效的分析方法和手段，導(dǎo)致內(nèi)彈道的機(jī)理尚未得到清晰的揭示。

1.1.2 彈托分離仿真模型研究

彈托分離過程是彈體、彈托以及其他附屬組件之間相互氣動(dòng)甚至機(jī)械干擾的過程，導(dǎo)致分離過程對(duì)彈體飛行穩(wěn)定性和作戰(zhàn)效能影響較大[10]，如圖3所示。文獻(xiàn)[11-12]通過假定彈托迎風(fēng)面受力均勻且等于來(lái)流動(dòng)壓，并將彈托上的感應(yīng)渦流等效為一定匝數(shù)且以一定時(shí)間常數(shù)呈指數(shù)衰減的電流環(huán)，建立了電磁發(fā)射一體化彈丸金屬?gòu)椡谐雠诳诤蟮碾姶帕蜌鈩?dòng)力理論計(jì)算模型。文獻(xiàn)[13]基于時(shí)頻分析和渦流分析方法，獲得了彈托上電磁力隨彈托分離位置的關(guān)系，建立了基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)電磁發(fā)射一體化彈丸彈托分離仿真模型，提高了模型的通用性。

(a) 初始分離(a) Initial separation

(b) 中間分離(b) Middle separation圖3 彈托分離干擾示意圖Fig.3 Schematic diagram of disturbance of sabot discard

1.1.3 外彈道模型研究

Satapathy和McNab等建立了8 MJ電磁發(fā)射彈丸的計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)模型，并獲得了該彈丸在不同馬赫數(shù)下的氣動(dòng)系數(shù)[14]。ISL的Hundertmark等通過建立電磁發(fā)射彈丸外彈道模型，并結(jié)合氣動(dòng)力以及氣動(dòng)熱模型，仿真得到了5 kg電磁發(fā)射彈丸以射角2°～80°射擊時(shí)的飛行彈道軌跡，如圖4所示，并對(duì)不同射角下彈丸表面的氣動(dòng)熱進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明該5 kg電磁發(fā)射彈丸最大射程和最大射高分別為500 km和260 km[15]。洛克希德·馬丁公司的Skurdal等構(gòu)想了一種可連續(xù)發(fā)射的電磁發(fā)射裝置，并對(duì)其發(fā)射彈丸在不同射擊條件下的彈道軌跡進(jìn)行了對(duì)比[16]。

圖4 不同射角下的飛行彈道Fig.4 Flight trajectories for the different launch angles

國(guó)內(nèi)尚曉兵[17]根據(jù)電磁發(fā)射彈丸在外彈道飛行的特點(diǎn)，建立電磁發(fā)射彈丸剛體六自由度模型，考慮在具體外彈道參數(shù)條件下，利用相應(yīng)的仿真模型對(duì)電磁發(fā)射彈丸外彈道進(jìn)行仿真，但其未考慮環(huán)境因素以及彈體熱燒蝕對(duì)彈丸飛行外彈道的影響。謝楊柳等[18]在建立的六自由度電磁發(fā)射彈丸外彈道數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析各種因素和變量對(duì)彈著點(diǎn)位置偏移和概率誤差的影響，并重點(diǎn)研究了燒蝕現(xiàn)象對(duì)外彈道特性的影響。

1.2 一體化彈丸設(shè)計(jì)

1.2.1 電樞設(shè)計(jì)

根據(jù)電樞工作形態(tài)的不同，可將電樞分為固體電樞、等離子電樞和混合電樞三種類型[1]，從工程應(yīng)用出發(fā)，固體電樞被認(rèn)為是發(fā)展前景最好的一種電樞形態(tài)。

國(guó)外在固體電樞的設(shè)計(jì)技術(shù)方面進(jìn)行了大量的探索[19-21]，設(shè)計(jì)出了C形固體電樞、馬鞍形固體電樞和蓄池式電樞等不同形狀的電樞，通過不斷優(yōu)化電樞材料和結(jié)構(gòu)，用以改善樞軌接觸性能，減少電樞表面材料的熔化，達(dá)到保護(hù)軌道并提高其使用壽命的目的。國(guó)內(nèi)在電樞的設(shè)計(jì)上起步較晚，2014年，馮登等研究了C形電樞結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)初始接觸特性的影響，設(shè)計(jì)了最優(yōu)化的過盈配合方案，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證[22]。2016年，李白等提出了一種多因素作用下的C形固體電樞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為電樞的最優(yōu)化參數(shù)選擇提供了依據(jù)[23]。

1.2.2 彈丸設(shè)計(jì)

國(guó)外非常重視一體化彈丸的研制工作，美國(guó)在電磁發(fā)射彈丸的研制方面起步較早、投入較大，先后有GA公司和BAE系統(tǒng)公司兩大團(tuán)隊(duì)進(jìn)行該技術(shù)的攻關(guān)工作[24]，美國(guó)得克薩斯大學(xué)的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所參與了其中的理論分析工作[25]，并設(shè)計(jì)了惰性彈進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示。美國(guó)海軍于2013年底，授予BAE系統(tǒng)公司3360萬(wàn)美元的第一期研制合同，用于研制適用于電磁發(fā)射等多種發(fā)射平臺(tái)的高超聲速制導(dǎo)彈藥，從2015年開始進(jìn)行炮口動(dòng)能32 MJ電磁發(fā)射彈丸試驗(yàn)，出口速度可達(dá)7.4馬赫，射程預(yù)計(jì)可達(dá)100海里，并計(jì)劃于2025年在DDGX驅(qū)逐艦裝備艦載電磁能武器[26]。

國(guó)內(nèi)到目前為止鮮有一體化彈丸設(shè)計(jì)的公開報(bào)道，2018年，Li等系統(tǒng)地總結(jié)了其團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在電磁發(fā)射領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并給出了其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一體化彈丸模型及其試驗(yàn)情況[27]，如圖6所示。

圖6 國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一體化彈丸Fig.6 The designed ILP at home

綜上，目前國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了一體化彈丸的動(dòng)態(tài)發(fā)射試驗(yàn)，突破了器件抗30 000g過載技術(shù)和氣動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)，但未突破器件的小型化、抗磁沖擊以及彈炮匹配設(shè)計(jì)等技術(shù)，因此一體化制導(dǎo)彈丸的研制尚無(wú)成功的報(bào)道。國(guó)內(nèi)前期受電磁發(fā)射裝置發(fā)展的限制，一體化彈丸的研制進(jìn)展較為緩慢。Li及其團(tuán)隊(duì)雖成功進(jìn)行了一體化動(dòng)能彈的發(fā)射試驗(yàn)，但其發(fā)射能級(jí)較低[27]。魯軍勇及其團(tuán)隊(duì)在相關(guān)技術(shù)取得突破后，在某些方面取得了較快進(jìn)展，對(duì)電磁發(fā)射一體化彈丸的磁場(chǎng)分布[28-29]、彈托分離特性[13]、內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)分析[30-31]等方面進(jìn)行了較為深入的研究。

1.3 試驗(yàn)研究

1.3.1 火炮發(fā)射試驗(yàn)研究

由于電磁發(fā)射技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，仍然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在進(jìn)行電磁發(fā)射實(shí)彈之前一般采用傳統(tǒng)火炮發(fā)射驗(yàn)證彈丸的設(shè)計(jì)。美國(guó)海軍利用火炮發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行了大量的電磁發(fā)射用一體化彈丸的試驗(yàn)研究工作，先后進(jìn)行了彈丸接口方式驗(yàn)證試驗(yàn)、彈丸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)、彈托分離驗(yàn)證試驗(yàn)以及彈丸飛行穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖7所示。

圖7 火炮發(fā)射一體化彈丸試驗(yàn)Fig.7 Artillery launch ILP experiment

1.3.2 毀傷效能試驗(yàn)研究

電磁發(fā)射一體化彈丸發(fā)射初速極高，主要依靠其高速動(dòng)能進(jìn)行毀傷，目前美國(guó)海軍已通過電磁發(fā)射或火炮發(fā)射一體化動(dòng)能實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼板靶、鋼筋混凝土、車輛以及彈道導(dǎo)彈的毀傷，初步驗(yàn)證了一體化動(dòng)能彈的毀傷效能，為一體化制導(dǎo)彈丸的毀傷效能研究奠定了基礎(chǔ)。

1.3.3 彈載器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)研究

2005年，美國(guó)陸軍武器研究發(fā)展工程中心(Army armament Research and Development Engineering Center, ARDEC)利用22 mm×44 mm口徑發(fā)射裝置進(jìn)行了電子手表、保險(xiǎn)絲、機(jī)電引信等典型電子器件的抗強(qiáng)磁場(chǎng)性能考核試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明：在電樞位置峰值磁場(chǎng)達(dá)4 T以上的磁場(chǎng)環(huán)境中，器件均完好無(wú)損，可正常工作；2009年，意大利比薩大學(xué)的Ciolini等進(jìn)行了電磁發(fā)射彈丸靜態(tài)通電實(shí)驗(yàn)，將電子元器件置于該磁場(chǎng)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)后，大部分電子元件在炮口強(qiáng)電磁環(huán)境下受到破壞而失效[32]。

此外，ISL利用“PEGASUS”電磁發(fā)射器，進(jìn)行了一系列電子器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)射電磁環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響。其中Ciolini等組織了兩個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子腕表在峰值為4.1 T磁場(chǎng)環(huán)境下有明顯損壞， DDR2-RAM內(nèi)存條在峰值為10 T的磁場(chǎng)環(huán)境下明顯損壞。

Hundertmark等在彈上安裝商業(yè)用低功耗無(wú)線收發(fā)模塊，并進(jìn)行了一系列發(fā)射實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證電磁發(fā)射環(huán)境下無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的可行性[33]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明了在低能級(jí)電磁發(fā)射過程中，彈載低功耗無(wú)線傳輸設(shè)備用以傳輸傳感器數(shù)據(jù)是可行的。目前未見大電流、高初速實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公開報(bào)道。

國(guó)內(nèi)蘭州大學(xué)的張國(guó)賓等針對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)(包括恒磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng))對(duì)基本元器件、磁敏感器件、典型電子線路工作狀態(tài)的影響(其中包括二極管、三極管、CMOS、電阻、電容、磁敏元件等)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析兩方面的工作[34]，但其研究的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在2.5 T以下，與電磁發(fā)射彈丸彈載器件的最大工作磁場(chǎng)強(qiáng)度相差較大，如圖8所示。

(a) Si基二極管(a) Si based diode

(b) Ge基二極管(b) Ge based diode圖8 恒定磁場(chǎng)對(duì)二極管反向飽和電流的影響Fig.8 Effect of constant magnetic field on reverse saturation current of diode

2 面臨的問題

2.1 基礎(chǔ)理論

2.1.1 多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合分析

由于電磁軌道發(fā)射帶來(lái)的滑動(dòng)電接觸問題與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)問題存在顯著的差異，如圖9所示，而現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件尚不具備動(dòng)態(tài)發(fā)射工況下的電磁場(chǎng)仿真能力，因此電磁發(fā)射彈丸動(dòng)態(tài)發(fā)射過程的電磁場(chǎng)數(shù)值模擬一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的麥克斯韋方程組求解問題，存在以下難點(diǎn)：①高速將使方程的Peclet數(shù)(用于衡量對(duì)流項(xiàng)在方程中主導(dǎo)程度的無(wú)量綱參數(shù)，與速度成正比)增大，使控制方程離散后形成的方程組矩陣性態(tài)變差，導(dǎo)致數(shù)值解出現(xiàn)物理上并不存在的“偽振蕩”[35]；②電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)時(shí)間尺度上的差異性也導(dǎo)致了時(shí)間步長(zhǎng)的確定難度較大，導(dǎo)軌和電樞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的網(wǎng)格變形或畸變問題使得求解處理的難度較大。

(a) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)問題(a) Problem of rotary motor

(b) 直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)問題(b) Problem of linear motor

(c) 電磁軌道發(fā)射滑動(dòng)電接觸問題(c) Sliding electric contact problem of EM rail launch圖9 三種典型電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程Fig.9 Motion process of three typical electric machines

2.1.2 高能級(jí)炮口拉弧研究

電磁發(fā)射一體化彈丸出膛后，由于電流回路斷開，在導(dǎo)軌兩端形成高壓擊穿空氣，產(chǎn)生特有的高溫高壓高速電弧，進(jìn)而引起炮口流場(chǎng)、磁場(chǎng)的變化，對(duì)彈體姿態(tài)和彈托分離過程造成一定影響，如圖10所示。因此，需要建立彈托、彈體的電弧-氣動(dòng)耦合模型，分析炮口弧對(duì)彈托分離過程以及彈丸出膛后姿態(tài)和速度的影響，為電磁發(fā)射彈丸的外彈道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖10 電磁發(fā)射裝置炮口拉弧Fig.10 Muzzle arc of EM launcher

此外，炮口電弧轉(zhuǎn)移過程很短，導(dǎo)致炮口磁場(chǎng)變化劇烈，會(huì)在彈丸金屬部分形成較強(qiáng)的感應(yīng)電壓和電場(chǎng)，從而對(duì)彈載器件性能造成影響[36]。因此，需要分析炮口拉弧引起的彈上磁場(chǎng)分布特性的變化，為彈載器件的布局和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外在空氣電弧方面的研究較多，但對(duì)高能級(jí)炮口拉弧方面的研究報(bào)道幾乎沒有，更沒有針對(duì)炮口拉弧對(duì)電磁發(fā)射彈丸的彈載器件布局和外彈道設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析。

2.1.3 大空域、寬速域氣動(dòng)仿真

相比于傳統(tǒng)炮彈，電磁發(fā)射彈丸最遠(yuǎn)射程可達(dá)200 km以上，最大射高可達(dá)100 km以上，整個(gè)飛行過程伴隨復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象并伴隨劇烈變化的溫升，如圖11所示(10°低彈道時(shí)飛行時(shí)間短，圖中僅有0～75 s以內(nèi)的數(shù)據(jù))。目前標(biāo)準(zhǔn)大氣僅覆蓋了30 km以下的大氣密度，使得遠(yuǎn)程彈道的仿真面臨空氣密度參數(shù)無(wú)法精確獲得的問題。

圖11 不同射角下駐點(diǎn)處表面溫度Fig.11 Surface temperature at the stagnation point for the different launching angles

此外，電磁發(fā)射彈丸炮口初速在6馬赫左右，零海拔高動(dòng)壓導(dǎo)致炮彈飛出時(shí)溫度快速增加，引起化學(xué)反應(yīng)和輻射等現(xiàn)象，薄激波層、強(qiáng)黏性干擾等流動(dòng)現(xiàn)象都對(duì)氣動(dòng)特性產(chǎn)生較大的影響，使得遠(yuǎn)程彈道的仿真面臨氣動(dòng)系數(shù)無(wú)法精確獲得的問題。因此，若要精確仿真得到電磁發(fā)射彈丸的飛行外彈道，一方面需要擴(kuò)大高空大氣密度數(shù)據(jù)表范圍，另一方面需要提高氣動(dòng)系數(shù)仿真精度。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 彈載器件抗高過載、強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)

彈載器件抗過載能力取決于其結(jié)構(gòu)和灌封工藝。2015年，胡陳君設(shè)計(jì)了一種嵌入式一體化微慣性測(cè)量組合結(jié)構(gòu)，通過了峰值10 349.08g，持續(xù)時(shí)間0.08 ms的過載驗(yàn)證[37]；2016年，蔣鵬通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和灌封處理，設(shè)計(jì)了一款抗過載能力10 552g，持續(xù)時(shí)間6 ms的微慣性測(cè)量單元[38]，但距離電磁軌道發(fā)射彈丸的30 000g過載需求仍有很大的差距[28]。

隨著彈丸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)能力已成為制約制導(dǎo)器件應(yīng)用于電磁發(fā)射彈丸的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，圖12所示為彈丸在膛內(nèi)承受的過載以及磁場(chǎng)變化曲線。國(guó)外針對(duì)電子元器件的抗強(qiáng)磁場(chǎng)性能進(jìn)行了初步研究，但實(shí)驗(yàn)過程中磁場(chǎng)環(huán)境與實(shí)際發(fā)射相差甚遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不足以指導(dǎo)電磁發(fā)射彈載器件的研制。而國(guó)內(nèi)對(duì)電磁發(fā)射彈丸內(nèi)部的磁場(chǎng)環(huán)境的研究尚處于仿真分析階段，未針對(duì)真實(shí)電磁發(fā)射磁場(chǎng)環(huán)境模擬技術(shù)以及真實(shí)電磁發(fā)射磁場(chǎng)環(huán)境下的彈載器件的磁屏蔽設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

(a) 彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)曲線(a) Motion curve of projectile in the bore

(b) 彈丸中軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度(b) Magnetic induction intensity at central line of projectile圖12 彈載器件的內(nèi)膛環(huán)境Fig.12 In-bore environment of onboard devices

針對(duì)上述現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[39-40]在已有脈沖功率電源的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并搭建了能夠模擬電磁發(fā)射彈丸膛內(nèi)磁場(chǎng)分布特性的線圈式磁場(chǎng)發(fā)生器，具備了開展一體化彈丸彈載器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)性能考核試驗(yàn)及其相關(guān)磁屏蔽設(shè)計(jì)驗(yàn)證的條件，如圖13所示。

圖13 磁場(chǎng)發(fā)生器實(shí)物圖及其指標(biāo)Fig.13 Photograph and index of the magnetic generator

2.2.2 高效毀傷戰(zhàn)斗部技術(shù)

目前戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)主要有兩種：①動(dòng)能戰(zhàn)斗部，僅依靠彈體的動(dòng)能進(jìn)行毀傷；②殺爆戰(zhàn)斗部，通過引信引爆裝藥戰(zhàn)斗部，起爆裝藥，形成破片，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。電磁發(fā)射一體化彈丸具有初速大、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，且兩者之間存在一定的矛盾關(guān)系，即在能級(jí)一定的前提下，初速越大必然導(dǎo)致彈丸的體積和重量減小。并且，一體化彈丸戰(zhàn)斗部一般采用截錐形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空間利用率進(jìn)一步降低。因此若要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的毀傷效能最大化，需要從結(jié)構(gòu)、材料、殺傷元拋撒方式等方面對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行高效設(shè)計(jì)，充分利用電磁發(fā)射彈丸存速大的優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 彈丸出口擾動(dòng)抑制技術(shù)

傳統(tǒng)火炮的炮口擾動(dòng)主要是由于身管變形以及彈炮間隙帶來(lái)的彈炮碰撞造成的[41]。電磁發(fā)射一體化彈丸采用電樞取代了火藥筒，電樞與導(dǎo)軌過盈配合，但由于發(fā)射過程中電樞會(huì)發(fā)生軟化，因此彈炮之間的碰撞相比傳統(tǒng)火炮要強(qiáng)烈。受重力影響，電磁發(fā)射裝置存在初始撓度，且電樞運(yùn)動(dòng)處存在對(duì)接觸導(dǎo)軌的電磁擴(kuò)張力，致使導(dǎo)軌形變進(jìn)一步增大，如圖14所示。此外，電磁發(fā)射彈丸出膛雖然沒有火藥燃?xì)獾暮笮七M(jìn)過程，但會(huì)受到炮口高速、高溫、高壓拉弧的擾動(dòng)。

圖14 電磁發(fā)射彈丸膛內(nèi)受力分布Fig.14 In-bore force distribution of EM launch projectile

為了減小電磁發(fā)射彈丸的出口擾動(dòng)，首先要建立電磁發(fā)射彈丸出口擾動(dòng)模型，但電磁發(fā)射彈丸的炮口擾動(dòng)來(lái)源與傳統(tǒng)火炮存在本質(zhì)的區(qū)別，這導(dǎo)致無(wú)法直接借用傳統(tǒng)火炮的炮口擾動(dòng)結(jié)論或分析方法分析電磁發(fā)射彈丸的炮口擾動(dòng)。其次，理論上通過減小彈炮間隙可以起到限制彈丸膛內(nèi)振動(dòng)的作用，但由于電磁發(fā)射過程中，身管內(nèi)壁受到高溫高壓的等離子體電弧的作用產(chǎn)生燒蝕和變形，并與電樞之間產(chǎn)生摩擦磨損，導(dǎo)致內(nèi)膛尺寸發(fā)生變化[42]，從而使得彈炮匹配難度很大。

因此，若要準(zhǔn)確抑制電磁發(fā)射彈丸的出口擾動(dòng)，首先需要摸清導(dǎo)軌的燒蝕和磨損機(jī)理，其次選擇合適的表面涂層技術(shù)減小導(dǎo)軌的磨損，最后建立考慮電樞、彈體和導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)受力的內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析影響彈丸出口擾動(dòng)的主要因素，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2.2.4 制導(dǎo)控制技術(shù)

電磁發(fā)射彈丸在飛行過程中，短時(shí)間內(nèi)跨越了從高空到低空、從高超聲速到超聲速的劇變過程，炮彈的飛行速度、高度等參數(shù)變化劇烈，制導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)方程表現(xiàn)出強(qiáng)烈的多變量耦合和非線性，大氣密度偏差大造成氣動(dòng)參數(shù)偏差大等特點(diǎn)，這些不確定性給控制律的設(shè)計(jì)帶來(lái)了擾動(dòng)。同時(shí)，由于電磁發(fā)射一體化彈丸速度高、體積小，對(duì)彈丸的跟蹤精度提出了更高的要求。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁發(fā)射彈丸的精確制導(dǎo)和控制，首先要提高彈丸本身的定位精度，其次選擇魯棒性更強(qiáng)的控制算法。

2.3 測(cè)量方法

2.3.1 彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量

傳統(tǒng)火炮的彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法主要包括多普勒雷達(dá)、光學(xué)杠桿等[43-44]，如圖15(a)所示。電磁發(fā)射彈丸在發(fā)射過程中膛內(nèi)存在等離子體弧光，且在彈丸前方存在高溫高壓正激波，導(dǎo)致膛內(nèi)鋁屑被揚(yáng)起，這些特有的現(xiàn)象導(dǎo)致傳統(tǒng)的彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法不能被直接應(yīng)用于電磁發(fā)射彈丸的內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量。

(a) 光學(xué)杠桿測(cè)量膛內(nèi)振動(dòng)原理(a) Principle of measuring in-bore vibration by optical level

(b) B點(diǎn)探頭測(cè)量膛內(nèi)速度原理(b) Principle of measuring in-bore velocity B-dot probe圖15 彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法Fig.15 Method for measuring the in-bore motion state of projectile

目前應(yīng)用比較成熟的彈丸內(nèi)彈道測(cè)量方法主要采用B點(diǎn)探頭[45-46]，但現(xiàn)有的B點(diǎn)探頭僅適用于彈丸速度的測(cè)量，遠(yuǎn)沒有達(dá)到測(cè)量彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的要求，如圖15(b)所示。因此，針對(duì)內(nèi)膛測(cè)量方法的缺陷，結(jié)合電磁發(fā)射彈丸特有的膛內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，尋求一種更為有效的彈丸內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法十分必要，如在身管兩側(cè)對(duì)稱布置三維磁探頭，利用磁場(chǎng)差分方法測(cè)量電樞在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.3.2 彈丸中間彈道測(cè)量

彈丸中間彈道測(cè)量方法主要有多普勒雷達(dá)、高速攝像、X光機(jī)等[47]，如圖16所示。由于彈丸出膛瞬間炮口開始拉弧，且拉弧隨著彈丸的運(yùn)動(dòng)而迅速膨脹，并夾雜著膛內(nèi)揚(yáng)起的鋁屑等雜質(zhì)，對(duì)

(a) 高速攝像采集系統(tǒng)(a) High speed camera acquisition system

(b) X光機(jī)采集系統(tǒng)(b) X-ray machine acquisition system圖16 彈丸中間彈道測(cè)量方法Fig.16 Method for measuring the intermediate ballistic of projectile

高速攝像采集以及多普勒雷達(dá)的測(cè)量帶來(lái)了很大的干擾。X光機(jī)不受弧光的影響，但其成本巨大，且拍攝效率不高，獲得的數(shù)據(jù)信息量較少。因此，需要克服電磁發(fā)射彈丸中間彈道環(huán)境帶來(lái)的測(cè)量干擾，或?qū)で笠环N新的中間彈道觀測(cè)手段。

2.3.3 彈丸外彈道測(cè)量

彈丸外彈道測(cè)量方法主要有便攜式高速攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、雙目視覺系統(tǒng)和雷達(dá)等。其中光測(cè)方法用于視距內(nèi)的外彈道測(cè)量，超視距外彈道測(cè)量主要采用毫米波雷達(dá)，但由于電磁發(fā)射一體化彈丸體積小，反射面積很小，飛行速度極高，射程可達(dá)200 km，對(duì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)精度、工作頻率以及雷達(dá)波輻射功率都提出了很高的要求。因此，需要通過發(fā)展新體系、新體制、新頻段、新處理技術(shù)，提高雷達(dá)靈敏度，增加探測(cè)距離，提高對(duì)高超聲速目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性，改善對(duì)遠(yuǎn)程小尺寸目標(biāo)的分辨率[48]。

3 解決思路

1)提升理論認(rèn)知水平，完善理論分析體系。電磁發(fā)射一體化彈丸研究涉及電磁學(xué)、熱學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科的交叉融合，并且是集儲(chǔ)能電源、發(fā)射裝置、總體控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及材料設(shè)計(jì)為一體的復(fù)雜大系統(tǒng)。因此在研制過程中會(huì)遇到很多理論不好解釋和工程難以克服的問題，這就要求研究人員從多學(xué)科的角度去分析問題，提升理論認(rèn)知水平，在認(rèn)知的過程中不斷總結(jié)，形成電磁發(fā)射一體化彈丸研究理論體系，為后續(xù)的研究提供借鑒。

2)提高技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力，完備技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。電磁發(fā)射彈丸的概念從誕生起到現(xiàn)在已有百年歷史，但到目前為止仍然沒有相關(guān)武器列裝，除了缺乏完整的理論研究體系外，更多的是技術(shù)方面的實(shí)現(xiàn)較為困難。對(duì)于一種新型武器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，不能照搬傳統(tǒng)的方法，而需要大膽創(chuàng)新，努力提高其技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力，同時(shí)要多種方法、多種技術(shù)同時(shí)推進(jìn)，完備電磁發(fā)射彈丸的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，加快推進(jìn)電磁發(fā)射彈丸的研制進(jìn)度。

3)立足現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備，著眼未來(lái)科技突破。任何新型武器從出現(xiàn)到應(yīng)用都是一個(gè)從無(wú)到有，從起步到成熟的過程，其研制過程必然會(huì)歷經(jīng)曲折，有些關(guān)鍵技術(shù)的突破在短期內(nèi)甚至無(wú)法完成，這就要求研究人員要以發(fā)展的眼光看待當(dāng)前面臨的困難。一方面要認(rèn)識(shí)到電磁發(fā)射一體化彈丸在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)列裝，因?yàn)槠鋺?yīng)用還需要相關(guān)配套系統(tǒng)的建設(shè)以及作戰(zhàn)理論的更新。另一方面，要充分利用已有的技術(shù)儲(chǔ)備，穩(wěn)步推進(jìn)電磁發(fā)射彈丸的研制，同時(shí)不要局限于現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備，要積極牽引相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，科技難關(guān)的突破都指日可待。