李陽，秦濤，朱捷，曹月，張杰

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

與傳統(tǒng)火炮相比，電磁軌道炮既有高炮反應(yīng)快、攔截精度高的優(yōu)點，又比高炮初速高、威力大、射程遠、綜合毀傷能力強[1]，比導(dǎo)彈全壽命成本低，是一種極具潛力的新概念動能武器[2-4]，已成為美、英、德、法、俄等軍事大國競相研究的對象。適應(yīng)電磁軌道炮發(fā)射的精確制導(dǎo)彈藥正逐步成為各國爭奪的重要戰(zhàn)場，電磁軌道炮制導(dǎo)控制技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 國外電磁炮發(fā)展趨勢分析

1.1 電磁軌道炮發(fā)展歷程[5-13]

在電磁軌道炮研究方面，美國一直保持國際領(lǐng)先優(yōu)勢，有關(guān)研究不斷取得新進展。2003年4月，美國海軍用90 mm口徑電磁炮樣機發(fā)射了初速達2 500 m/s以上的射彈，演示驗證試驗取得成功；2008年,海軍研究局在達爾格倫進行了一次電磁軌道炮10 MJ發(fā)射動能的發(fā)射試驗；2010年12月,美國海軍第2次完成實際尺寸的電磁炮試射，射程超過200 km，是美軍現(xiàn)有射程最遠的MK45型艦炮射程的近2倍。2016年11月美國海軍完成電磁軌道炮發(fā)射試驗，在尺寸和質(zhì)量上已達到實戰(zhàn)標(biāo)準。2017年，美國海軍完成電磁軌道炮樣機彈藥連續(xù)發(fā)射試驗，已實現(xiàn)充能、發(fā)射、裝彈、充能、再發(fā)射循環(huán)的自動裝填功能，表明美海軍電磁軌道炮武器系統(tǒng)已基本具備了武器的全部功能。

2010年12月，美國通用原子公司利用研制的防空型電磁軌道炮的樣炮首次成功試射了空氣動力學(xué)彈丸。2016年3月、2017年5月，先后完成了基于“閃電”電磁炮的高超聲速彈藥的多次試射。試驗搭載集成了制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制等功能的增強型制導(dǎo)電子單元(guidance electronics unit,GEU)，炮口動能為3 MJ，炮彈及GEU均承受住了30 000過載、高超聲速和強磁場條件，飛行穩(wěn)定受控，工作正常。試驗表明，美國陸軍電磁軌道炮、高超聲速制導(dǎo)彈藥和GEU的技術(shù)成熟度進一步提高。2018年3月，美GA-EMS公司宣布已獲得美國陸軍合同，將在3年內(nèi)研制出電磁軌道炮的原型炮并開展工程化應(yīng)用，以增強美陸軍應(yīng)對敵方飛機、火箭彈和巡航導(dǎo)彈等氣動目標(biāo)突襲以及其他類型威脅的能力。美國電磁軌道炮發(fā)射主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

根據(jù)制訂的三步走戰(zhàn)略，美國正在開展炮彈15 kg質(zhì)量、64 MJ炮口動能的電磁軌道炮型號樣機研制工作,并希望能在2020年～2026年正式列裝。這些表明，美國電磁炮的性能離實戰(zhàn)化要求越來越近，制約電磁軌道炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)已取得重大突破，已進入工程化應(yīng)用研究階段。美國海、陸軍電磁炮演示系統(tǒng)和美國陸軍高超聲速制導(dǎo)彈藥發(fā)射試驗如圖1～3所示。

1.2 電磁軌道炮發(fā)展趨勢

順應(yīng)軍事應(yīng)用需求的不斷演進，持續(xù)跟蹤制導(dǎo)彈藥、導(dǎo)彈技術(shù)及作戰(zhàn)模式的發(fā)展趨勢，可預(yù)判電磁軌道炮將會在如下幾個方面有進一步的發(fā)展：

(1) 與現(xiàn)有武器裝備相結(jié)合，謀求生成顛覆性作戰(zhàn)手段

近幾十年來，國外大力發(fā)展電磁軌道炮動能武器，與現(xiàn)有武器裝備相結(jié)合，可充分發(fā)揮電磁軌道炮在遂行岸防/要地防御、防空、反裝甲、超遠程火力壓制、反導(dǎo)、反臨近空間飛艇作戰(zhàn)平臺等軍事任務(wù)中的巨大優(yōu)勢[5,9-10]。但目前和今后一段時期內(nèi),電磁發(fā)射彈丸的主要任務(wù)仍然是反裝甲和防空。美國正在研制長7.5 m、發(fā)射速度為500發(fā)/min、射程達幾十km的電磁炮，準備替代艦上的“火神-方陣防空系統(tǒng)”，用它不僅能打擊臨空的各種飛機，還能在遠距離攔截空對艦導(dǎo)彈[9]。同時，美國打靶試驗證明,發(fā)射質(zhì)量為50 g、速度為3 000 m/s的炮彈，可穿透25.4 mm厚的坦克裝甲，足以對付T-72,T-80等新型坦克裝甲。隨著電磁發(fā)射高速彈丸技術(shù)的日臻成熟，將加速構(gòu)建顛覆性作戰(zhàn)手段，成為改寫未來戰(zhàn)爭的利器。

表1 美國電磁軌道炮主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index of the U.S. electromagnetic rail guns

圖1 美國海軍電磁軌道炮演示系統(tǒng)Fig.1 Demonstration system of the U.S. navy electromagnetic rail gun

圖2 美國陸軍電磁軌道炮演示系統(tǒng)Fig.2 Demonstration system of the U.S. army electromagnetic rail gun

圖3 美國陸軍高超聲速制導(dǎo)彈藥發(fā)射試驗Fig.3 Launching test of hypersonic guided ammunition in US army

(2) 電磁發(fā)射彈藥智能化進程加速，促進武器裝備跨越式發(fā)展

隨著電磁發(fā)射技術(shù)的快速突破，電磁軌道炮炮口動能由2.8 MJ(1984年)增加到33 MJ(2010年)，并將逐步延展至64 MJ(2020年)甚至更高，這意味著電磁炮射平臺能夠發(fā)射的彈藥有效載荷更大，也為彈藥搭載抗高過載制導(dǎo)組件、實現(xiàn)高精度控制能力創(chuàng)造了基本條件。瞄準充分發(fā)揮電磁發(fā)射高初速、強動能的優(yōu)勢，研究重心也必將逐步從無控彈藥向發(fā)展具備敏捷快響應(yīng)、高精度制導(dǎo)、高動能毀傷等能力的一體化制導(dǎo)智能化彈藥技術(shù)轉(zhuǎn)變，形成對現(xiàn)有武器裝備的高效補充。電磁發(fā)射彈丸技術(shù)的拓展應(yīng)用，將大大提升現(xiàn)有裝備武器的作戰(zhàn)能力，引領(lǐng)未來裝備武器的跨越式發(fā)展。

(3) 微系統(tǒng)、一體化技術(shù)的高效應(yīng)用，為電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥技術(shù)發(fā)展提供可能

作為一種顛覆性技術(shù)，微系統(tǒng)的應(yīng)用促進了武器裝備向微小型化和智能化發(fā)展，以低成本精確制導(dǎo)武器對高價值目標(biāo)精確打擊的作戰(zhàn)理念也逐步變?yōu)楝F(xiàn)實[14]。2009年、2015年，美國先后演示了“派克(Pike)”、“長釘(Spike)”2種微型導(dǎo)彈(如圖4，圖5所示)，質(zhì)量均低于2.5 kg，采用MEMS(micro-electro-mechanical system)導(dǎo)航、半主動激光制導(dǎo)方式，可實現(xiàn)對慢速移動目標(biāo)精確打擊能力。未來借助于結(jié)構(gòu)與功能一體化、系統(tǒng)與分系統(tǒng)一體化、軟硬件互相滲透化等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過高效整合彈上軟硬件資源，從制導(dǎo)彈藥一體化、制導(dǎo)引信一體化(GIF)、制導(dǎo)控制一體化、輕質(zhì)高強度復(fù)合材料應(yīng)用等方面著手，實現(xiàn)高集成度一體化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊型布局，必將為輕質(zhì)一體化電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥的工程化實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖4 微型制導(dǎo)彈藥PikeFig.4 Mini guided ammunition (Pike)

圖5 微型制導(dǎo)彈藥SpikeFig.5 Mini guided ammunition (Spike)

2 電磁炮控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

我國電磁軌道炮技術(shù)研究起步較晚，與歐美國家相比還有一定差距，研究的熱點主要集中在電磁發(fā)射技術(shù)方面，對超高速制導(dǎo)彈藥尤其對控制技術(shù)的研究相對較少。隨著從無控彈向有控彈藥過渡，電磁炮制導(dǎo)彈藥控制技術(shù)將逐漸成為瓶頸問題[15]。在控制技術(shù)領(lǐng)域主要面臨如下問題：

2.1 彈上控制設(shè)備高強度、一體化集成設(shè)計問題

在高強度和輕小型化彈藥外形的強約束下，須借助于一體化技術(shù)，通過高效整合彈上軟硬件資源可實現(xiàn)高集成度的一體化設(shè)計。如將電氣系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)功能集成化；采用微型彈載設(shè)備及先進的敏感元件(如MEMS陀螺)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化；伺服機構(gòu)采用高功質(zhì)比的微型電動機構(gòu)。未來需通過彈上設(shè)備高集成度一體化設(shè)計，為實現(xiàn)高精度控制能力創(chuàng)造基本條件。

2.2 彈上控制設(shè)備抗高過載、強電磁防護問題

這種高過載、強電磁特性主要體現(xiàn)在彈藥發(fā)射階段，且隨著未來遠射程、高發(fā)射初速的需求顯現(xiàn)，制導(dǎo)彈藥所需承受的抗過載能力、抗靜電磁能力也就更強。2017年美國通用原子公司所進行的飛行試驗，抗過載能力就高達30 000。目前，國內(nèi)能夠承受數(shù)萬過載以上的微型舵機及慣性測量器件技術(shù)尚不成熟。未來需進一步解決抗高過載、強電磁防護能力，對易損零部件采取加固、緩沖、減震等技術(shù)措施，確保在高過載下可正常工作。

2.3 高速大動壓飛行條件下穩(wěn)定控制技術(shù)

常規(guī)制導(dǎo)彈藥大多采用發(fā)射后加電、啟動方式。對于電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥，發(fā)射初速高達每秒數(shù)千米，出筒后彈藥才開始加電工作，離軌、與電樞分離等初始擾動對彈藥穩(wěn)定帶來很大影響。同時，高速大動壓飛行可能帶來快時變、強耦合、非線性和氣動不確定性等嚴重問題，穩(wěn)定控制系統(tǒng)需要具有強魯棒、快響應(yīng)能力，以實現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)定控制。

2.4 高精度制導(dǎo)控制問題

為實現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷，要求高制導(dǎo)精度最好能實現(xiàn)零脫靶。在低成本、高精度、輕小型、抗高過載發(fā)射環(huán)境等強約束條件下，高超速飛行過程中還受到過載、動壓、防熱等多種約束條件的限制，多條件協(xié)同優(yōu)化難度大。因此，在解決彈藥搭載抗高過載制導(dǎo)組件問題后，需進一步解決彈道設(shè)計及優(yōu)化技術(shù)、制導(dǎo)控制引信一體化設(shè)計等技術(shù)難題，以實現(xiàn)高精度制導(dǎo)控制。

2.5 性能綜合驗證與評估問題

由于電磁軌道炮制導(dǎo)彈丸超高速飛行，在飛行過程中受到的干擾因素很多，制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中需要考慮的約束條件、滿足的指標(biāo)種類復(fù)雜。因此，需開展全程飛行性能綜合驗證與評估技術(shù)研究，深入分析彈藥整體和各項性能，為未來電磁軌道炮武器系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，為謀求顛覆性作戰(zhàn)手段生成，各軍事強國均在競相開展電磁軌道炮技術(shù)研究并不斷取得新的進展，適應(yīng)電磁軌道炮發(fā)射的精確制導(dǎo)彈藥正逐步成為各國爭奪的重要戰(zhàn)場。電磁軌道炮制導(dǎo)控制技術(shù)存在許多重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，關(guān)鍵技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著電磁軌道炮制導(dǎo)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的最終突破，必將極大推動電磁軌道炮武器實戰(zhàn)化應(yīng)用，成為改寫未來戰(zhàn)爭的利器，還將進一步拓展提升現(xiàn)有裝備武器的作戰(zhàn)能力，引領(lǐng)未來裝備武器的跨越式發(fā)展。