李 兵,李衛(wèi)超,荊從凱

(海軍工程大學(xué) 電磁能技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430033)

0 引言

電磁發(fā)射系統(tǒng)是利用電磁力驅(qū)動(dòng)發(fā)射物并將其加速到高速或超高速度的新型發(fā)射裝置,本質(zhì)上是一種把電磁能變換成動(dòng)能的能量變換技術(shù)[1-2]。相較于傳統(tǒng)發(fā)射裝置(蒸汽發(fā)射器、化學(xué)發(fā)射器等),電磁發(fā)射系統(tǒng)總體上具有以下明顯特點(diǎn):一是發(fā)射速度更高,最高可達(dá)8 km/s,遠(yuǎn)超化學(xué)能發(fā)射的極限1 km/s;二是發(fā)射動(dòng)能大,根據(jù)使用場(chǎng)景的不同,能量可從百兆焦到千兆焦;三是可控性好,同等加速距離和過(guò)載要求下獲得的初速最高;四是控制性能好、智能化程度高,具備快速、可控、連續(xù)、可調(diào)等突出特點(diǎn);五是能量轉(zhuǎn)化效率高,其理論效率可達(dá)50%,遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)發(fā)射效率(如蒸汽彈射器的效率僅為4%～6%)[3-4]。

其研發(fā)歷史最早可追溯到一戰(zhàn)、二戰(zhàn)和戰(zhàn)后期間,法、德、美、日等國(guó)對(duì)電磁炮(現(xiàn)代電磁發(fā)射系統(tǒng)原型之一)進(jìn)行了研究,但受當(dāng)時(shí)工業(yè)技術(shù)水平的限制和缺乏儲(chǔ)存大量電能的手段,研制進(jìn)展較為緩慢[5]。直至20世紀(jì)70年代,堪培拉澳大利亞國(guó)立大學(xué)成功將3 g重的塑料塊加速到6 km/s速度,展示了電磁炮(軌道炮)這種初樣機(jī)的潛力[6]。從此,引領(lǐng)并促進(jìn)了電磁發(fā)射技術(shù)在軍事上的應(yīng)用研究。1985年,美國(guó)國(guó)防科學(xué)委員會(huì)對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)的評(píng)估結(jié)論,明確指出未來(lái)的高性能武器、必然以電能為基礎(chǔ),進(jìn)一步堅(jiān)定了世界各國(guó)學(xué)者投身電磁發(fā)射技術(shù)研究的信念[7]。當(dāng)前,電磁發(fā)射系統(tǒng)最為顯著的應(yīng)用中,美國(guó)和中國(guó)研制的電磁軌道炮已分別實(shí)現(xiàn)炮口動(dòng)能32 MJ的試驗(yàn)驗(yàn)證和海上試驗(yàn)驗(yàn)證[8],2個(gè)國(guó)家開發(fā)的電磁彈射技術(shù)(福特號(hào)、福建號(hào)航母)也分別進(jìn)入到實(shí)戰(zhàn)化部署和下水安裝階段。

本文中概述了電磁發(fā)射系統(tǒng)的原理特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域,以期為國(guó)內(nèi)外電磁發(fā)射系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)電磁發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理的不同,其應(yīng)用技術(shù)大致可分為電磁軌道發(fā)射技術(shù)、電磁線圈發(fā)射技術(shù)、電磁彈射技術(shù),分別對(duì)應(yīng)電磁軌道炮、電磁線圈炮和電磁彈射系統(tǒng)[2],上述電磁發(fā)射系統(tǒng)基于不同的作戰(zhàn)使用場(chǎng)景,優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同。

1.1 電磁軌道炮

電磁軌道炮又稱導(dǎo)軌炮,主要由金屬導(dǎo)軌、電樞、彈丸和大功率脈沖電源組成,電樞夾在2根平行放置的金屬導(dǎo)軌中間并與兩根導(dǎo)軌緊密接觸,彈丸放置于電樞的前端。軌道炮就是利用流經(jīng)軌道的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與流經(jīng)電樞的電流之間相互作用的電磁力加速?gòu)椡璨椡璋l(fā)射出去,如圖1所示。電磁軌道炮可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確打擊、近程防空反導(dǎo)、空間反衛(wèi)等,被美軍評(píng)為能夠改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)模式的5種新概念武器之一。優(yōu)點(diǎn)是出口速度快、有效射程遠(yuǎn)、命中精度高、打擊威力大,主要缺點(diǎn)是由于電流脈沖較大,滑動(dòng)接觸摩擦損失較多,導(dǎo)致導(dǎo)軌的燒蝕嚴(yán)重、壽命短和效率低。

圖1 電磁軌道炮原理示意圖

1.2 線圈炮

電磁線圈炮是由產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的固定線圈和感應(yīng)出電流的彈丸線圈組成,利用運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)和感應(yīng)電流相互作用的電磁力加速?gòu)椡杈€圈直至高速出膛,如圖2所示。與電磁軌道炮相比,電磁線圈炮沒(méi)有接觸摩擦損失,原因是固定線圈和彈丸之間沒(méi)有電接觸。根據(jù)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能,電磁線圈炮可細(xì)分為5類:感應(yīng)線圈炮、重接線圈炮、磁阻線圈炮、螺旋線圈炮、湯普森環(huán)。

1.3 電磁彈射系統(tǒng)

電磁彈射系統(tǒng)是一種由分段布置的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力帶動(dòng)物體逐級(jí)加速的發(fā)射裝置,包括儲(chǔ)能發(fā)電子系統(tǒng)、動(dòng)力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、發(fā)射電機(jī)和控制系統(tǒng)。其典型應(yīng)用為電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)(EMALS),如圖3所示,主要顯著優(yōu)點(diǎn)如表1所示。2022年10月,美國(guó)海軍首艘“福特號(hào)”電磁彈射航母正式開始首次部署,代表了面向21世紀(jì)航空母艦的下一代飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)走向了成熟。

圖3 電磁飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及研究進(jìn)展

2.1 能量存儲(chǔ)技術(shù)

由于電磁發(fā)射系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置的體積和質(zhì)量占電源裝置的比重相對(duì)較高(約80%)[9],故儲(chǔ)能設(shè)備的適裝性和簡(jiǎn)潔性尤為重要,因此,如何提升儲(chǔ)能密度、降低電源體積決定著電磁發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用潛能。電磁發(fā)射系統(tǒng)對(duì)能量存儲(chǔ)技術(shù)的要求概括為大功率脈沖電能+安全可靠+重量體積最優(yōu)+寬闊的溫度范圍,目前主要有電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能和旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)能3種形式,三者的儲(chǔ)能密度比為1∶10∶1 000[10],新興的還有鋰電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等儲(chǔ)能新技術(shù),相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 不同儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

目前,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者圍繞鋰電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等儲(chǔ)能新技術(shù)取得了一系列進(jìn)展。

鋰電池的研究重點(diǎn)是開發(fā)先進(jìn)的電極材料和電解質(zhì)解決方案,以提高電池的功率密度和能量密度。Liu等[11]闡明富鎳陰極中鈷含量、結(jié)構(gòu)性能和容量退化之間的相互作用,并設(shè)計(jì)了一系列性能增強(qiáng)的無(wú)鈷陰極,作為廣泛應(yīng)用的下一代低成本長(zhǎng)壽命電池的串聯(lián)研究方向。Chi等[12]開發(fā)了一種采用LiX沸石膜作為無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的高度穩(wěn)定、靈活和集成的固態(tài)鋰空氣電池,克服了傳統(tǒng)固體電解質(zhì)的不穩(wěn)定性、界面相容性差和高導(dǎo)電性等缺點(diǎn)。鋰電池顯示出高容量、高速率能力以及在環(huán)境空氣中循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),有望成為下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。

超級(jí)電容器的研究重點(diǎn)集中在電極材料、水系超級(jí)電容器、柔性超級(jí)電容器、金屬離子電容器等方向上的突破,特別是金屬離子電容器一直以來(lái)是電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),被譽(yù)為是下一代超級(jí)電容器。針對(duì)鋰離子電容器性能受負(fù)極倍率性能差和正極容量不足的限制,An等[13]研究提出了石墨烯/軟碳(G/SC)和石墨烯/活性炭(G/AC)復(fù)合材料,其高能量密度和高功率密度分別可達(dá)151 Wh/kg和18.9 kW/kg,并組裝成大容量LIC軟包電池(1 170 F或650 mAh),展示了基于器件質(zhì)量的能量密度高達(dá)31.5 Wh/kg)和卓越的循環(huán)性能(50 ℃下10 000次循環(huán)后容量保持率為93.8%)。

電感儲(chǔ)能型脈沖電源,研究重點(diǎn)側(cè)重于基本拓?fù)鋯卧哪K化、小型化以及多模塊協(xié)同工作機(jī)理。劉徐坤等[14]研究提出將CPFU(電容脈沖成形單元)運(yùn)用在meat grinder電路中,設(shè)計(jì)出meat grinder with CPFU拓?fù)溆糜陔姶虐l(fā)射系統(tǒng)的感應(yīng)脈沖電源,實(shí)現(xiàn)了電容器預(yù)充電壓的自恢復(fù)率較高、電感器儲(chǔ)能密度進(jìn)一步提高。戴玲等[15]基于meat grinder with SECT提出一種可快速關(guān)斷負(fù)載電流的新型拓?fù)?通過(guò)參數(shù)掃描分析了電容參數(shù)、耦合系數(shù)對(duì)負(fù)載電流脈沖峰值和主管承受峰值電壓的影響,并在Simulink平臺(tái)驗(yàn)證了仿真模型的可行性。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)是一種利用超導(dǎo)材料制成的磁體的裝置,具有極高的能量效率(約100%)。具有放電時(shí)間短、功率密度大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),有望成為EMALS的理想儲(chǔ)能方式之一,可實(shí)現(xiàn)減小電流需求、優(yōu)化能源利用率、節(jié)省空間的目標(biāo)[16-18]。

2.2 電力調(diào)節(jié)技術(shù)

電力調(diào)節(jié)技術(shù)是支持能量存儲(chǔ)技術(shù)與發(fā)射裝置的關(guān)鍵使能技術(shù),旨在控制并調(diào)節(jié)其功率流以有效的對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行充放電。電力電子器件中,IGBT將MOSFET的簡(jiǎn)單柵驅(qū)動(dòng)特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結(jié)合,賦予IGBT靈活性和易操作性,使其廣泛適用于中高功率應(yīng)用;SiC具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)和高導(dǎo)熱率等誘人的電學(xué)特性,但其重量和成本較高。隨著各種關(guān)鍵自換向器件擊穿電壓、載流能力、開關(guān)頻率等不斷提高,使得電力調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展具有快速響應(yīng)能力和改進(jìn)的性能特征,從而提供足夠的靈活性,以適應(yīng)電磁發(fā)射系統(tǒng)的特定動(dòng)態(tài)條件。

根據(jù)逆變器的結(jié)構(gòu),可以分為傳統(tǒng)的兩電平變換器和多級(jí)拓?fù)?。具有六脈沖橋式控制IGBT的兩電平脈寬調(diào)制電壓源轉(zhuǎn)換器(2L-PWM-VSC)是目前廣泛用于中、低功率民用應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、組件較少、可靠性能和成本優(yōu)勢(shì)高的特點(diǎn)。具有多級(jí)拓?fù)涓唛_關(guān)頻率的PWM逆變器可以在許多高功率場(chǎng)合應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)更高的電壓等級(jí)和功率水平,但其控制設(shè)計(jì)和調(diào)制技術(shù)比傳統(tǒng)的兩電平變換器更復(fù)雜,開關(guān)損耗可能會(huì)令人望而卻步。

考慮到電磁發(fā)射期間的功率脈沖電流可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)安培,且瞬間產(chǎn)生的單脈沖電流生成的電磁力會(huì)有較強(qiáng)的振蕩,從而對(duì)發(fā)射裝置本體造成較大的沖擊和磨損,因此,脈沖電源釋放的強(qiáng)電流無(wú)法直接用于電磁發(fā)射,此時(shí),脈沖電源開關(guān)控制的好壞就尤為重要。因此,加大電磁發(fā)射系統(tǒng)中脈沖電源的開關(guān)控制仍然是電力調(diào)節(jié)技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)。

2.3 發(fā)射裝置技術(shù)

電磁軌道炮的關(guān)鍵技術(shù)之一是導(dǎo)軌耐燒蝕技術(shù),電樞是將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的最直接部件,在實(shí)際發(fā)射過(guò)程中,由于電樞工作環(huán)境惡劣,瞬時(shí)大電流會(huì)導(dǎo)致其溫度急劇升高,在強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)的共同作用下,電樞本身承受的應(yīng)力也大幅增加,其結(jié)構(gòu)特性及材質(zhì)直接關(guān)系到軌道炮導(dǎo)軌發(fā)射前后的狀態(tài)。目前現(xiàn)有的電樞研究通常集中在等離子電樞和固體電樞兩類,等離子體電樞對(duì)軌道炮內(nèi)壁具有很大的破壞燒蝕作用,不利于軌道發(fā)射裝置維護(hù)以及高頻率重復(fù)發(fā)射;固體電樞相對(duì)于等離子體電樞具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便的特點(diǎn),尤其是固體C型電樞可充分利用其電樞臂上的強(qiáng)大電磁力維持與軌道間的連續(xù)電接觸,目前廣泛應(yīng)用于軌道炮試驗(yàn)研究。德克薩斯大學(xué)先進(jìn)技術(shù)學(xué)院[19]研究了不同幾何形狀下的電樞結(jié)構(gòu)對(duì)電流密度和溫度場(chǎng)分布的影響,提出了鞍型結(jié)構(gòu)的電樞,減少了不均勻分布電流和電樞燒蝕。張永勝等[20]建立了電磁—溫度—應(yīng)力多物理場(chǎng)耦合計(jì)算模型,得到了動(dòng)態(tài)發(fā)射過(guò)程中包括電磁力、溫度應(yīng)力和預(yù)緊力的多成分軌道應(yīng)力載荷時(shí)空分布特性,為發(fā)射裝置設(shè)計(jì)、軌道材料失效機(jī)理及極限安全連續(xù)發(fā)射邊界分析提供了理論依據(jù)。

電磁線圈炮主要應(yīng)用于發(fā)射低速大質(zhì)量彈丸,現(xiàn)有的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高彈丸的出口速度、打擊精度、延長(zhǎng)發(fā)射裝置的使用壽命以及提高發(fā)射效率。其中,圍繞驅(qū)動(dòng)線圈和導(dǎo)磁殼體方面,部分學(xué)者研究了增大驅(qū)動(dòng)線圈級(jí)間距、減小磁場(chǎng)耦合和感應(yīng)電壓以及改變磁場(chǎng)構(gòu)型(改變驅(qū)動(dòng)線圈外部設(shè)計(jì)導(dǎo)磁殼體將磁場(chǎng)約束在其內(nèi)部)的方式來(lái)提高發(fā)射效率[21-22]。

2.4 頂層控制技術(shù)

頂層控制作為電磁發(fā)射系統(tǒng)的“中樞”,不僅要具備實(shí)時(shí)下達(dá)控制指令(控制技術(shù))的功能,同時(shí)更要有狀態(tài)檢監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障預(yù)測(cè)(維護(hù)技術(shù))的功能。考慮到電磁發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景普遍具有可靠性高、信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求,一般其信息網(wǎng)絡(luò)由控制網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和健康網(wǎng)組成,來(lái)共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

在控制技術(shù)方面,按照功能層級(jí)可分為閉環(huán)實(shí)時(shí)控制、時(shí)序邏輯控制和協(xié)同指揮控制等方面[23],如圍繞彈射控制,馬名中等提出了基于直線感應(yīng)電機(jī)多目標(biāo)約束下彈射軌跡精確控制方法[24-25],建立了人在回路的發(fā)射作業(yè)流程及狀態(tài)機(jī)模型控制系統(tǒng)。在維護(hù)技術(shù)方面,狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)是后續(xù)故障診斷和故障預(yù)測(cè)的基礎(chǔ),高可靠性傳感器技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn);故障診斷技術(shù)目前有基于模型診斷和基于數(shù)據(jù)診斷2種方法,崔小鵬、騰騰等圍繞彈射用直線電機(jī)故障診斷開展了相關(guān)方法研究[26-27];故障預(yù)測(cè)技術(shù)研究較為領(lǐng)先的是美國(guó)宇航局故障預(yù)測(cè)研究中心關(guān)于電力電子器件方面的工作,國(guó)內(nèi)在電磁發(fā)射領(lǐng)域還有一定的差距。簡(jiǎn)言之,未來(lái)的研究重點(diǎn)是開發(fā)智能感知和健康診斷系統(tǒng)以完善復(fù)雜大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

2.5 新復(fù)合材料技術(shù)

復(fù)合材料的研究重點(diǎn)主要集中在軌道材料、絕緣材料、發(fā)射體材料等方向。為滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流、強(qiáng)載荷的使用場(chǎng)景要求,必須研究和開發(fā)出磁能損耗和焦耳熱損耗小、強(qiáng)重比高的結(jié)構(gòu)材料,從而大幅度提高系統(tǒng)效率。如結(jié)合電磁軌道炮發(fā)射后,電磁發(fā)射性能急劇下降,燒蝕后軌道電極表面呈現(xiàn)出弧痕、弧坑及懸掛在上軌道電極上的滴狀顆粒等形貌,各國(guó)進(jìn)行了各種銅合金(銅和銀、鈮、鎢、鐵、鉻、碲、鋁)和碳化鎢等一些合金和半導(dǎo)體等新的復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)[28]。黃偉等[29]研究了CuCrZr合金(C18150銅合金)材料在電磁發(fā)射試驗(yàn)中的軌道損傷,結(jié)果表明:起始階段呈熱損傷、加速階段偏摩擦磨損及熱熔、高速階段以機(jī)械磨損為主。

絕緣支撐作為發(fā)射裝置中的重要部件,其性能直接影響了裝置整體的可靠性及壽命,目前使用的材料以樹脂基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料為主[30-31]。Bertola等[32]使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯 、聚酰胺、乙酰 、聚酰胺酰亞胺、玻璃纖維增韌聚酰亞胺、三聚氰胺 、酚醛樹脂等多種材料進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)絕緣支撐性能可結(jié)合材料的熱、化學(xué)相關(guān)特性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Rosenwasser等[33]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試了多種陶瓷材料,驗(yàn)證了陶瓷相較于樹脂復(fù)合材料在抗燒蝕性能方面的極大優(yōu)勢(shì)。

3 電磁發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用展望

基于電磁發(fā)射技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)機(jī)械能和化學(xué)能發(fā)射所共有的發(fā)射效率低、能級(jí)小、控制性能差等諸多不利因素,并隨著其在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域還可進(jìn)一步拓展至以下軍民應(yīng)用場(chǎng)合。

3.1 民用飛機(jī)電磁發(fā)射

現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸主要取決于起飛條件,因?yàn)槌跏技铀傩枰畲蟮陌l(fā)動(dòng)機(jī)功率,而起飛跑道的長(zhǎng)度決定著大型飛機(jī)能否成功起飛?；诔瑢?dǎo)線性同步電機(jī)電磁發(fā)射系統(tǒng)可增加飛機(jī)加速度來(lái)減少所需的跑道長(zhǎng)度,以應(yīng)對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的空中交通壓力,避免昂貴的機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建,從而大大降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料使用要求以及噪音和廢氣排放。英國(guó)諾丁漢大學(xué)Luca Bertola等國(guó)外學(xué)者對(duì)民用飛機(jī)A320采用美國(guó)電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)來(lái)完成彈射起飛任務(wù)進(jìn)行了可行性分析,如表3所示,結(jié)論是采用超導(dǎo)電磁發(fā)射系統(tǒng)后所需跑道長(zhǎng)度可由2 590 m縮短至535 m,地面噪音排放將減少約88%,每架次飛機(jī)的燃油消耗降低1%,NOx排放量較少相當(dāng)于每日120余輛柴油車的排放量[34-35]。

3.2 多目標(biāo)任務(wù)電磁發(fā)射

美國(guó)Benjamin D.Skurdal等學(xué)者在洛克希德·馬丁公司和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持下,自2005年起進(jìn)行了多任務(wù)電磁發(fā)射器的系統(tǒng)概念可行性論證和原型測(cè)試,該系統(tǒng)采用感應(yīng)線圈技術(shù),由發(fā)射器、電磁脈沖電源、控制系統(tǒng)、支持設(shè)備和多個(gè)發(fā)射包組成,通過(guò)部署對(duì)抗誘餌(紅外/雷達(dá)頻率誘餌、雷達(dá)頻率分散誘餌和聲學(xué)誘餌)、傳感器(聲納浮標(biāo)和無(wú)人飛行器)和非致命武器(閃光彈和遮蔽物)進(jìn)行艦艇自衛(wèi),主要顯著優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化集成的軟殺傷系統(tǒng),配備自動(dòng)裝彈庫(kù),可同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)對(duì)抗誘餌;可持續(xù)多次發(fā)射現(xiàn)有(改裝)和未來(lái)對(duì)抗誘餌,無(wú)需多個(gè)固定發(fā)射管;在可變范圍內(nèi)能夠精確部署,進(jìn)一步減少能量損耗。2006年,成功演示了含有能量和引信的對(duì)抗誘餌彈的發(fā)射兼容性;2007年,開發(fā)了一種原型重復(fù)頻率線圈和脈沖電源,其點(diǎn)火率比傳統(tǒng)的火炮系統(tǒng)快(即速度超過(guò)6～12發(fā)/min)[36]如圖4所示。

圖4 多任務(wù)發(fā)射器測(cè)試示意圖

3.3 發(fā)射火箭和衛(wèi)星

由于大型常規(guī)火箭助推器只能從少數(shù)國(guó)家獲得,因此,小型衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)不僅受到成本的限制,還受到發(fā)射器可用性和發(fā)射窗口機(jī)會(huì)的限制[37]。一些研究評(píng)估了使用電磁技術(shù)發(fā)射到太空的可能性[38-40],包括使用軌道炮、線圈炮和線性加速器等方式,并已經(jīng)研究了陸基系統(tǒng)、機(jī)載系統(tǒng)以及建造超大高空固定設(shè)施的中間安排。比如,20世紀(jì)80年代,美國(guó)NASA實(shí)驗(yàn)室研究的使用電磁發(fā)射器在地球向太空發(fā)射載荷的項(xiàng)目,評(píng)估了重1 t的放射性核廢料發(fā)射至太陽(yáng)系外所需的發(fā)射成本約為傳統(tǒng)火箭的1%。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的基于多級(jí)重接式電磁發(fā)射系統(tǒng)來(lái)發(fā)射小衛(wèi)星(500～1 000 kg)的實(shí)際載荷可提升47 %[41]。

3.4 多級(jí)感應(yīng)式線圈槍

電容驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈的槍管和彈丸之間幾乎無(wú)物理接觸,使得其具有更大的電磁力、更長(zhǎng)的槍壽命和更高的效率。Byeong-Soo Go等學(xué)者開展了帶有脈沖功率模塊的多級(jí)感應(yīng)式線圈系統(tǒng)的線圈組件的設(shè)計(jì)、制造和分析,采用有限元法分析了線圈系統(tǒng)的電壓、電流、力、速度、加速度和效率,驗(yàn)證了線圈系統(tǒng)具有較高的能效和安全抵抗線圈組件的力和溫度,仿真推算了當(dāng)放電10 kV電容器電壓時(shí)彈丸力和速度分別約為1.3 MN和107 m/s,實(shí)現(xiàn)了4 kV發(fā)射試驗(yàn)以20 m/s或更高速度發(fā)射21.68 kg彈丸的發(fā)射目標(biāo)[42],如圖5所示。

圖5 帶彈丸的裝配式三級(jí)線圈發(fā)射系統(tǒng)

3.5 電磁彈射微重力環(huán)境落塔

相比于空間站、火箭、飛機(jī)做拋物線運(yùn)動(dòng)等創(chuàng)造微重力環(huán)境的方式,微重力環(huán)境落塔具有準(zhǔn)備時(shí)間短、頻率高、單次成本低等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為在地面做微重力實(shí)驗(yàn)的主要方式之一。傳統(tǒng)落塔采用抽真空技術(shù)將整個(gè)落塔抽真空并將實(shí)驗(yàn)對(duì)象從塔頂拋落使其做自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到創(chuàng)造微重力環(huán)境的目的。該種形式的落塔微重力水平較低且每天僅可實(shí)驗(yàn)2～3次,制約了微重力環(huán)境實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和實(shí)驗(yàn)效率?；陔姶艔椛浼夹g(shù)的新型微重力環(huán)境落塔可完成每天300次的微重力實(shí)驗(yàn),微重力水平預(yù)計(jì)可達(dá)10-6g量級(jí),且由于直線電機(jī)具有可控性強(qiáng)的特點(diǎn),電磁彈射微重力環(huán)境落塔還可模擬超重力和欠重力環(huán)境,將極大豐富落塔裝置的功能。如德國(guó)漢諾威萊布尼茲大學(xué)已建成世界上首個(gè)采用“電磁彈射+電磁回收”技術(shù)的新型落塔[43],2019年開展首次試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了4 s的微重力時(shí)間,如圖6、圖7所示。2023年7月,中國(guó)科學(xué)院研制建設(shè)的4 s電磁彈射微重力實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)試運(yùn)行,可以維持的微重力時(shí)間達(dá)4 s、微重力達(dá)10μg(十萬(wàn)分之一重力加速度)、過(guò)載加速度不超過(guò)5g(5個(gè)重力加速度)、實(shí)驗(yàn)間隔不超過(guò)10 min,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[44]。

圖6 德國(guó)漢諾威落塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 德國(guó)漢諾威落塔仰視圖

4 結(jié)論

電磁發(fā)射系統(tǒng)作為一種全新概念且極速興起的發(fā)射裝置,無(wú)論在軍事或民用領(lǐng)域都顯示了極大的突出優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,它對(duì)未來(lái)人類社會(huì)產(chǎn)生的意義和可應(yīng)用場(chǎng)景現(xiàn)在仍無(wú)法估量。同時(shí),應(yīng)清醒的看到電磁發(fā)射在能量存儲(chǔ)、電力調(diào)節(jié)、發(fā)射裝置、頂層控制以及新復(fù)合材料方面還存在很多待解決的科學(xué)及工程實(shí)踐問(wèn)題。因此,應(yīng)加大對(duì)電磁發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)防武器、科學(xué)試驗(yàn)、航天和航空領(lǐng)域的研究力度和投入力量,深入拓展其應(yīng)用領(lǐng)域,加快推進(jìn)電磁發(fā)射技術(shù)由“理論”邁向“現(xiàn)實(shí)”,從而更好的服務(wù)于人類社會(huì)的生產(chǎn)生活。