美国电磁轨道发射技术现状及特点分析

周媛1,李敏堂2,王菁华1(1.天津工程师范学院自动化与电气工程学院,天津300222,2.解放军军事交通学院,天津300161)摘要:以电磁轨道炮为主,介绍美国陆、海军电磁轨道发射技术的发展历程及阶段性研究成果、发展目标与未来规划、研究机构及相关研究方向、潜在应用领域以及近期
Abstract:Focusingonelectromagneticrailgun,severaldevelopmentalphasesandresearchworksforele ctromagneticraillaunchtechnologyintheU.S.ArmyandNavyareintroducedanddiscussed.Moreintrod uctionsarepresented,includingresearchinstitutionsandtheirrelativeresearchdirections,researchgo alandfutureplans,potentialappliedfields,andalsomaintacticalandtechnologicaltargetofelectromag neticrailguntechnique.Meanwhile,analysesaremadeonthekeycharacteristicsoftheU.S.electromagn eticraillaunchtechnology.Keywords:electromagneticlaunch,railgun,muzzlekineticenerg
1轨道炮发展历程及阶段性成果1978年,电磁轨道炮在技术上出现了突破,美国国防部先后成立了电磁轨道炮发展研究顾问委员会和技术工作组,开始评估电磁轨道炮技术现状及应用潜力,并建议集中和协调国家的资金来发展电磁轨道炮。

1991年,美国国防部成立了“电磁炮联合委员会”,协调军队、能源部、国防原子能局及战略防御倡议机构分散进行的电磁炮研究工作,从整体上推动了电磁轨道发射技术的发展。

1994年,美国启动关键技术计划[Gor(1995)][1],目的是制造出能够装配到坦克上的反坦克轨道炮。

1998年,高技术研究所发表了轨道刨削研究的一些实验成果。

从实验结果看,电磁轨道炮电枢转捩速度可达1900m/s[2]。

另外,高技术研究所依托计算工具EMAP-3D以及积累的大量实验结果对电枢转捩机理进行了深入的研究,建立了系列的转捩物理模型。

2001年,高技术研究所通过参数研究和建模活动取得了美国海军新型电磁轨道炮系统的主要性能参数。

研究还估计了脉冲形成网络(PFN)产生弹丸发射所需要的初始动能和速度。

2004年,高技术研究所宣称[2],已经在他们感兴趣的范围内(2000m/s～3000m/s)解决了轨道刨削和电枢转捩问题。

2004年2月,美国海军在上一年1/8缩比电磁发射器初步试验成功的基础上,进行同比例电磁发射系统接口的功能演示[3],并确认发射组件可承受发射过载。

3月进行一体化发射装置自由飞行演示,确认其可在膛口处分离,弹丸可稳定飞行。

同年7月,美国海军成功进行了电磁炮的海上发射试验。

这一系列试验为发展舰载轨道炮这一电能武器迈出了关键的一步。

2005年,美国海军研究局(ONR)发布了05-003号通告,计划开展“中、大口径高速直瞄和间瞄火炮系统(包括电磁轨道炮技术)研究”项目。

根据美国海军研究局与美国陆军研究发展工程中心(ARDEC)及国防高级研究规划局达成的共识,电磁轨道炮技术的研究将集中在发射轨道、脉冲形成网络和一体化发射装置方面。

2007年1月16日,美国海军研究局在弗吉尼亚州海军水面作战中心达尔格伦分部举行新型电磁装置交付仪式。

剪彩环节相当特别,是用一门试验型电磁轨道炮发射的1发高速炮弹穿透仪式彩带进行的。

这门轨道炮口径为90mm,炮弹在炮口的初始动能达到7.4MJ,初速度达2146m/s[4]。

2008年1月31日,美国海军水面战中心成功进行了一次创纪录的电磁轨道炮发射试验[5]。

图1为该试射装置的图片,图2为炮弹击中目标的瞬间情况。

测试中,电磁轨道炮的炮口动能达到了10.6MJ水平。

实际上,该电磁轨道炮可具备产生32MJ能量的能力。

2研究机构及其相关研究方向美国电磁轨道发射技术的研究机构由于有统一的组织部门,因而虽然研究机构众多,但一直协调而有序的开展着研究工作。

按照美国军事科研项目管理
分工,陆军基础研究计划由陆军研究实验室(ARL)管理实施。

陆军研究实验室主要进行军内研究,管理联合实验室,支持几个优秀研究中心,其下属的陆军研究局(ARO)通过“大学调研员项目”和“优秀研究中心选择计划”对军外研究项目(指学术界和工业界的项目)进行管理。

根据军内实验室独立研究计划,陆军装备司令部的研究发展工程中心在相关技术领域进行一些有限的基础研究。

海军的科研项目计划与陆军对应的主要职责部门则是海军研究实验室(NRL)和海军研究局。

美国陆军电磁轨道炮项目由洛克希德・马丁公司导弹与火控系统分公司总体负责。

得克萨斯大学机电中心、卡曼航空航天公司、英国航空航天公司系统控制分公司、科学应用国际公司、通用公司研究发展中心和硅动力公司负责研制脉冲电源。

IAP研究中心、太阳神系统公司和导弹与火控分公司负责研制发射轨道。

陆军研究实验室和导弹与火控分公司负责研制一体化发射装置。

得克萨斯大学高技术研究所为整个项目提供基础研究和理论支持。

美国海军电磁轨道炮的脉冲电源则由通用电器公司牵头,得克萨斯大学机电中心和太阳神系统公司共同参与研制。

3轨道炮发展目标与未来规划 3.1发展目标图3美海军DDG-1000战舰三维图陆军提出的电磁轨道炮发展目标是[6]:具有与相同口径常规火炮一样或稍轻的重量,初速达到3500m/s,提供30MJ～60MJ炮口动能,脉冲电源所占用的空间和重量应在2020年后陆军车辆承受范围以内,电磁轨道的设计寿命是能够发射100或200发弹丸。

美国海军未来将会使所有攻击型舰艇上的舰炮都更换为电磁轨道炮,其电磁轨道炮系统的发展目标是[7]:炮弹初速2500m/s,炮口动能64MJ,发射速率6～12发/min。

最终设计成射程达370km,并且能够从战舰上持续发射精确弹药的战术系统。

值得一提的是,美国海军在未来DDG-1000“朱姆沃尔特(Zumwalt)”级系列(见图3)以后的对陆攻击驱逐舰上,全部应用了综合电力系统。

首批两艘DDG-1000战舰目前正在建造中,据悉,当舰只以10kn～18kn的速度航行时,该系统完全有能力同时为两门轨道炮提供足够的电力发射远程炮弹。

3.2近期及未来规划为发展车载电磁轨道炮,美国陆军研究实验室制定了“A计划”(A,ARL 的简称),计划分两个阶段。

根据洛克希德・马丁公司导弹与火控系统分公司与美国陆军研究实验室签订的截止到2007年的合同,第一阶段为2000年～2003年,项目重点是演示中口径火炮旋转电源的关键技术和单个旋转电源。

第二阶段为2003年～2007年,导弹与火控分公司把电磁技术集成到武器试验平台上。

电磁炮的先期技术演示验证于2007年开始,演示全尺寸或接近全尺寸的脉冲电源、发射轨道和一体化发射装置等大部件的性能。

这些合同内容基本上如期实现。

美国海军研究局于2005年8月启动了“创新海军样机”项目,该项目计划投资2.7亿美元,主要解决四个方面的技术难题:发射装置、弹丸、脉冲形成网络和舰只合成。

项目第一阶段的主要研究工作集中在发射装置和弹丸。

研究的重点是先进密封发射装置技术,以及电磁轨道炮系统的适合体积、重量,以便合成到舰只,同时经受发射时产生的巨大电磁冲力。

第二阶段的研究工作是将发射装置和弹丸合成,形成一整套的系统。

美国海军研究局计划到2008年第三季度末对32MJ的轨道炮进行试验。

如果研究成果通过鉴定,研究将于2009年8月转入第二阶段,并计划在2010年底进行32MJ发射装置炮管的100发射击展示和32MJ先进炮管密封状况展示。

决定该舰炮可行性的核心指标是检验发射台炮膛——封装双轨和移动电枢的保护罩的材料是否耐用,是否能够在发射100枚炮弹后再进行更换。

如果该目标实现,海军研究局将在2015年进行一个全尺寸电磁炮,即炮口动能64MJ发射台的演示,并在2020年～2025年间实现电磁轨道炮的实战应用。

4轨道炮主要战术技术指标为了更清楚地看到美国电磁轨道发射技术的发展情况,将美国近三十年的电磁轨道发射主要战术技术指标列于表1中进行比较
表1美国近期电磁轨道发射主要战术技术指标[8-10]时间研究机构弹丸重/g炮口初速/m・s-1炮口能量/MJ备注1984威斯汀豪斯公司31742002.81984西屋公司30050002.81985维斯
汀豪斯公司150960071990得克萨斯大学24002600890mm口径1990麦克斯韦公司158030007.190mm口径2002ARL——2500——2005通用原子公司——2380——2007多家公司320021487.42008多家公司3400250010.
5技术特点分析5.1经历了由实验→理论→实验→实用的技术发展路线从美国电磁轨道炮的发展历程来看,美国首先是跟踪世界上其他国家的电磁轨道发射技术,并对该技术进行反复论证以确定其可行性,然后通过一些研究机构在实验室利用实验来研究电磁轨道炮。

后来由于实验经费投入过大,美国转而支持理论研究和仿真计算,技术相对成熟之后建立了统一协调部门对国内分散的研究机构进行协调和管理,对电磁轨道炮进行实验性研制。

由于形成了一个比较完善的协调和管理机制,再加上资金的大量投入,美国电磁轨道发射技术近几年获得了快速发展,并正在向实用化方向迈进。

5.2主要从发射能量(即炮口动能)的角度来提升战技指标从美国海军电磁轨道炮的试验数据和发展规划来看,美国海军是通过逐步提高发射能量来提升电磁轨道炮的战术技术指标。

如美国海军电磁轨道炮的炮口初始动能将从8MJ提升到32MJ(已实现10MJ的过渡性试验指标),最终将达到64MJ的目标。

美国陆军电磁轨道炮在考虑发射能量的同时,更侧重于炮口初速或射程。

陆军研究实验室负责电磁技术项目的军官马修・西利说[7]:陆军电磁炮将会经历螺旋式发展的过程,首先完成对2km以内的战车、建筑物、掩体及作战人员的打击,之后是打击16km和40km的目标,最终是打击40km以上的空中目标。

在螺旋式发展过程中要完成的目标是将弹丸的炮口初速从2500m/s提高到3500m/s。

5.3技术研究重心放在发射轨道、脉冲电源上电磁轨道炮的关键技术包括脉冲电源、发射轨道、一体化发射装置和系统的集成。

系统集成相对于前三个研究内容来说较容易,美军的技术研究重心主要放在脉冲电源和发射轨道上,一体化发射装置(包括弹丸)主要由英国来研究。

5.3.1发射轨道由于电枢在炮管内高速运动时,是处于电、磁、热、机多物理场环境中,因而会受到电磁力、热胀力、接触力等多力场作用,使电枢与轨道接触部位的受力工况极为恶劣,经常会造成轨道的毁坏。

目前对发射轨道的研究主要集中在三种机械装置上:一是过热的轨道/电枢接口,二是通过电枢的高速轨道槽,三是易被磨损的接近炮口处的轨道。

陆军发射轨道的军内研究主要由陆军装备发展工程中心负责,研究的最终目的是提高发射轨道的寿命。

美国已经对发射轨道进行了大量的仿真研究。

为了使电磁轨道炮尽快进入工程实用阶段,美国还进行了许多与发射轨道相关的实验研究。

这些实验研究包括炮管本体结构、发射系统集成方式、炮膛压力及其稳定性、炮管硬度和稳定性、炮管电磁接口和炮口电弧或冲击波控制、一体化发射装置引起的动力效应等方面。

在炮尾汇流方面,对插入式紧凑型炮尾组合体、车载炮管后坐和旋转使用的滑动环、炮尾摆动弧度、后坐力控制等细节问题也都进行了研究。

此外,研究甚至还涉及到了野外检测、部件更换等维护和修理方面的技术方法,可谓全面而细致。

5.3.2脉冲电源在脉冲电源技术方面,目前普遍采用的能量储存装置主要有两种:一种是脉冲交流发电机,另一种是高储能密度电容器。

陆军的意图在于将电磁轨道炮作为直接火力支援武器安装在战斗车辆上,所以关键技术在于解决高储能密度问题。

对海军来说,由于舰船体积比较大,不需要很高的能量密度,但舰载轨道炮的电源必须能够保证脉冲形成网络的快速再充电,以获得较高的持续射速,满足海军地面火力支援的需求。

因此,美国陆军和海军根据各自的需求研究相应的技术
6潜在应用领域美国陆军电磁轨道炮是为其未来战斗系统(FCS)而研制的新技术装备,将用于未来战斗系统的坦克或步兵战车,而海军的电磁轨道炮将用于未来全电气化数字式数据交换(DDX)海面作战舰船。

鉴于迫击炮对射弹初速和射程的要求较低,美国首先将电磁轨道发射
技术工程化应用的武器为电磁迫击炮系统,这体现了循序渐进、求稳务实的发展思路。

随着该技术的不断成熟,美国还会将其逐渐应用于电磁弹射、反装甲、远程打击、防空、反导以及反卫星[11]等军事领域。

在航天领域,航天器的初级发射器和空间轨道转移器也可以采用电磁轨道发射技术。

此外,该技术还可以应用于高压物理实验等非军事领域。

总之,电磁轨道发射技术在未来的广泛应用是可以期待的。

正如1985年美国国防科学委员会对电磁炮评估得出的结论:“未来的高性能武器,必然以电能为基础”[8]。