电磁发射技术研究进展和关键技术

收稿日期: 2010 02 26 修订日期: 2010 04 13
2011年 第 2期
贺 翔 等: 电战车 /未来侦察骑兵车等车辆上, 也可作为舰载 武器。
1 电磁发射技术的发展状况 [ 1, 3~ 5]
20世纪 70年代, 堪培拉的澳大利亚国立大学 试验厂第一门电磁炮 ( 轨道炮 ) , 将 3 g 重的塑料块 加速到 6 km / s的速度, 显示了电磁 发射武器的潜 力。从此, 电磁发射技术在军事上的应用成为研究 热点, 并开始得到了长足的发展。
著提高武器系统的携弹量, 减少后勤负担。因此, 其 军事应用潜力非常大, 在未来武器系统的发展计划 中已成为越来越重要的部分。
电磁炮, 是利用电磁发射技术制成的先进动能 杀伤武器。与传统的大炮将火药燃气压 力作用 于 弹丸不同, 它是 完全依 赖电能 和电磁 力加 速弹 丸 的一种超高 速发射 装置, 其出 口速度 远远 高于 其 他类型的电磁发 射器。电磁轨道 炮被美国陆军 看 成是 2020年后陆军战车主要武器的候选方案, 未 来应用包括美国 未来作战系统、英 /美战术侦察 装
舰载电磁轨道炮的战术应用研究 , 主要研究电磁 轨道炮的轻量化方案。此外, 对于可应用于电磁炮 的专项技术, 资助波音公司和德瑞普实验室 ( D raper L aborato ry) 研究可耐受 50 kg加速度、具有导航与制 导能力的弹丸组件技术。
英国 简氏防务周刊 报道: 2007年 1月 16日, 美国海军研究局在弗吉尼亚州海军水面战中心达尔 格仑分部的新型电磁轨道炮样机投入使用, 该炮样 机口径 90 mm, 弹丸质量 3. 2 kg, 初速 2 146 m / s, 炮 口动能 7. 4 M J, 标志着电磁炮武器已经从实验验证 阶段进入了实用阶段。
美国 1978年开始对电磁发射技术进行评估研 究; 1985年美国国防科学委员会得出结论: 未来的 高性能武器, 必然以电能为 基础 。因而, 从 20世 纪 80年代起, 美国就 十分重视电磁 发射技术研究 工作。
美国海 军 的新 概 念 武 器 研究 由 海 军 研 究局 ( ONR, office of nava l research) 负责, 于 2003年完成 了 DDX 舰艇集成电磁轨道炮的可行性研究, 研究结 果认为: 电磁轨道炮的能量需求远低于定向能武器, DDX 采用的集成化电力系统 ( IPS, integ rated pow er system ) 的输 出功 率可以 达到 75 MW, 是现 役 阿 利 伯克 级舰的 10倍, 完全能满足电磁轨道炮的 需求。 2003年 4月, 美、英一起成功完成了 90 mm 圆口径电磁轨道炮的海上演示验证, 弹丸速度达到 2 500 m / s, 炮口动能约 8 M J。同年 7 月, 试验结果 上报美海军研究咨询委员会 ( NRAC ) 电磁炮技术专 家组。 2005年 8月, 美海军推出创新样本项目计划 ( INP, innovative nava l prototype) , 目的是在 4 ~ 8年 的周期内, 通过加大投资力度, 将创新项目的技术成 熟度提升到全面研发和系统演示验证的水平上。而 电磁轨道炮 成为该 计划 的第 1 个 入选 项目, 投入 2. 7亿美元, 解决发射系统、弹丸组件、脉冲形成网 络及舰载平台集成 4大技术问题。
Developm ent and Critica l Techn iques of E lectrom agnetic Launch Techno logy
HE X iang, CAO Qun sheng
( N an jing U niversity o fA eronautics& A stronautics, College o f Electronic Information Engineering, N an jing 210016, China)
第二个优点是, 同轴线圈炮中弹丸不与炮膛直接接
触, 是靠磁悬浮力运动的, 因而炮管与弹丸之间无摩
擦, 能量利用率高; 第三个优点是需要的电流较小, 不需要兆安级的脉冲电流, 可使开关装置简化。然
而其缺点是大电流对线圈烧蚀严重, 而且在较短的 距离内很难达到超高速。
图 2 电磁轨道炮的原理 [7]
弹丸所受推力 F 由安培力 公式结合磁场环路 定理求得为 [ 6]
目前, 美国电磁发射技术从演示验证阶段进入 武器型号研制阶段, 美国海军研究部宣称要在 2015 年进行量产, 计划从 2018年开始装备 DD ( X ) 对陆 攻击驱逐舰和下一代巡洋舰 CG( X) , 主要用于从海 上向陆地提供 超视距火力支援。按照美国 海军预 计, 该武器可在 6 m in之内将炮弹打到 300海里之 外的地方。美海军装备于 DD ( X ) 的电磁炮系统构 想图, 如图 1所示。
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2011年第 2期
本处于长期跟踪研究状态; 其他国家为近期介入, 研 究工作处于起步阶段。
随着电磁发射技术的日趋成熟, 电磁炮将在 21 世纪逐步走向武器化, 在军事领域将获得广泛应用。
2 电磁炮结构类型、工作原理及其特点
感梯度 [ 8] 而引 起电磁 力的, 如 图 3所 示。固定 线 圈相当干炮管, 通电后会形成运动磁场, 并在弹 丸 线圈中产生 感应电 流, 线圈炮 就是利 用磁 场和 感 应电流相互作用的电磁力 加速弹丸线圈而使炮 弹 高速射出。
图 3 线圈炮原理 图 [ 9]
对于如图所示的弹丸多匝线圈情况, 互感梯度
dM dx
(其中
M
为驱动线圈和弹丸线圈的互感
)会随着
弹丸线圈沿 X 轴运动而变化, 文献 [ 10] 给出了此时
线圈之间的相互作用力公式为
Fm
=
dM dx
Ip
Id
线圈炮与电磁轨道炮相比有三个优点 [ 9] : 一是
加速力大, 它的加速力峰值是电磁轨道炮的 100倍;
电磁炮 ( EMG )也称为脉冲能量电磁炮, 它是利 用电磁发射技术, 以电磁力发射超高速炮弹并以其 动能毁伤目标的动能武器系统。按其结构不同可分 为轨道炮、线圈炮、重接炮三种形式 [ 1 ] 。
2. 1 轨道炮
轨道炮又称导轨炮, 是电磁炮发展的主要形式, 利用的是直流电动机 的原理 [ 6] 。它 具有两根平行 放置的轨道, 轨道中间有一个放置弹丸的滑块, 滑块 后部有与两根导轨相接触的固体电枢或等离子体电 枢。利用电源向两根导轨间的电枢输入电流 I, 形 成的磁场与电流相互作用产生洛伦兹力 F, 该洛伦 兹力可以推动电枢沿导轨加速, 从而加速弹丸并将 弹丸发射出去, 如图 2所示。
据法新社报道, 2010 年 12月 10 日, 美 国海军 达尔格伦对地作战中心成功地进行了两次电磁炮试 射。在试射中, 电磁炮的炮弹速度最快达到 5倍音 速, 射程可达约 200 km。第一次试射产生了创记录 的 3 300万焦耳能量。美国海军官员称, 3 300万焦 耳试射成功意味着美国海军将可在 200 km 外向敌 方发射炮弹。两次试射的成功, 标志着其发展电磁 炮 三步走 计划已实现了第二步目标。下一步, 美 海军计划于 2015年完成炮口动能 64 M J的电磁炮 系统的演示验证, 发射质量 20 kg, 初速 2 500 m / s, 轨 道寿命 1 000~ 10 000发, 于 2020~ 2025年间在舰 艇上装备电磁轨道炮, 并逐步形成战斗能力。
0 引 言 [ 1, 2 ]
电磁发射技术是一种新概念军事技术, 其借助 电磁力做功, 将电磁能转化为弹丸的动能, 完成各种 作战任务。与常规火炮化学发射方式相比, 电磁发 射方式具有明显的优 势。电磁发射 能提供较大动 能, 弹丸速度快, 精度高, 射程远, 威力大; 发射过程 不易受到干扰, 无噪声、无烟雾效应产生, 武器系统 生存能力强; 此外, 其炮弹体积小, 质量轻, 这样可显
图 1 美海军装备于 DD( X)的 电磁炮系统构想图
在近半个世纪, 美国陆军、海军及 NASA 从未中 断电磁发射方面的研究, 每年都有大量的研究项目 及电磁发射的激励、材料、仿真、测试、算法、电源、开 光和应用等技 术。这种长期 持续不断的研 究和积 累, 造就了美国 在电磁发射领 域的一枝独秀。英、 法、德处于第二集团, 有专门的研究机构从事电磁发 射技术研究, 与美国合作关系密切, 近年来取得明显 的成果; 俄罗斯、中国处于第三集团, 研究规模小, 基
第 2期 2011年 4月
新概念武器 专题
Journa l of CA EIT
V o.l 6 No. 2 A pr. 2011
电磁发射技术研究进展和关键技术
贺 翔, 曹群生
( 南京航空航天大学 电子信息工程学院, 南京 210016)
摘 要: 电磁发射技术是当今世界上正在研究和发展的一门新概念武器技术。在简述电磁发射技 术发展状况的基础上, 介绍了利用电磁发射技术发射超高速炮弹的动能武器系统 电磁炮 ( EMG ) 的结构类型、工作原理、特点, 分析了其在高功率脉冲电源、电力调节控制、抗烧蚀、发射结构等方面 的技术问题和最新研究动态。 关键词: 电磁发射; 新概念动能武器; 电磁炮 中图分类号: TM 153 文献标识码: A 文章编号: 1673 5692( 2011) 02 130 06
F = BIL = I2 ln a+ r 2r
式中, I 为轨道电流; a 为弹体半径; r为导轨半径。 电磁轨道炮具有电磁发射武器所应具有的超高
速性能等各项优势。相对这些优点, 其缺点 [ 7 ] 是必 须采用大容量脉冲电源。此外, 瞬间大电流的产生、 向导轨供电、横穿导体轨道与弹丸滑动面的大电流 通电等, 导致导轨的烧蚀严重、寿命短和效率低, 这 些都是电磁轨道炮特有技术问题产生的根源。
Abstract: E lectrom agnetic launch( EML ) techno logy is a new concept w eapons techno logy w hich is being researched and deve loped in the w orld today. The developm ent of EM L technology is introduced briefly firs,t then E lectrom agnetic Gun( EMG ), a k inetic energy w eapon system, in w hich the super high speed pro ject iles launched em ploy ing EML techno logy, is invest igated. T he structure, operat ion principle and character istics of EMG are introduced. F ina lly, the critica l techniques inc lud ing h igh pow er pulsed pow er and pow er cond ition ing, anti corrosion, launch structure techn iques o f EMG are stud ied and the ir latest deve lopm ents are reported. K ey w ord s: electrom agnetic launch; new concept k inetic energy w eapon; EMG
在此基础上, 2006年, 美国海 军研究局通过属 下的位于达尔格仑 ( Dahlgren) 的海军水面战中心与 BAE 公司签定了炮口动能为 32M J的电磁轨道炮试 验样机的研制合同, 主要研究解决轨道发射寿命、一 体化发射组件设计等工程问 题, 该项 目现已完成。 同时, 资助 BAE和 General A tom ics( San D iego) 开展