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《國(guó)防科技雜志》2016年第4期

摘要：

隨著美國(guó)第三次“抵消戰(zhàn)略”的推進(jìn)，電磁軌道炮等新概念武器成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在介紹電磁軌道炮的基礎(chǔ)上，總結(jié)了外軍的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸，詳細(xì)闡述了電磁軌道炮脈沖功率電源的超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)和變流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究表明，電磁軌道炮和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)將是發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

電磁軌道炮；超導(dǎo)儲(chǔ)能；抵消戰(zhàn)略

引言

電磁軌道炮是利用電磁軌道發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器，通過(guò)電磁力來(lái)加速?gòu)椡瑁苋菀淄黄苽鹘y(tǒng)化學(xué)能火炮技術(shù)的初速極限，因此具有高速度、大威力和遠(yuǎn)射程等優(yōu)點(diǎn)[1]。當(dāng)前，美軍高度重視電磁軌道炮的研發(fā)和試驗(yàn)，稱(chēng)電磁軌道炮為可“改變游戲規(guī)則”的新概念武器[2]。電磁炮具備廣泛的用途，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，可能的用途包括以下幾個(gè)方面：打擊地面和海上目標(biāo)；陸地和海上防空反導(dǎo)；發(fā)射導(dǎo)彈和衛(wèi)星；天基戰(zhàn)略反導(dǎo)和反衛(wèi)星；實(shí)施空中作戰(zhàn)[3]。電磁軌道炮通過(guò)洛倫茲力加速?gòu)椡瑁噍^于傳統(tǒng)火炮依靠化學(xué)能實(shí)現(xiàn)發(fā)射方式，具有初速快和精確可控等優(yōu)點(diǎn)。電磁軌道炮不僅能突破傳統(tǒng)火炮初速的限制，而且可實(shí)現(xiàn)彈丸的初速、威力和射程的連續(xù)精確調(diào)控，這使得電磁軌道炮順應(yīng)了信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝備智能化的要求。此外，由于電磁炮未使用火藥，作戰(zhàn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火焰和煙霧，所以隱蔽性和安全性高。而且電磁炮發(fā)射成本低廉，同時(shí)降低了后勤補(bǔ)給負(fù)擔(dān)。因此，電磁軌道炮的廣泛應(yīng)用將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。文中對(duì)國(guó)內(nèi)外電磁軌道技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并指出了電磁軌道炮目前的發(fā)展瓶頸。最后詳細(xì)闡述了電磁軌道炮脈沖電源的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，指出復(fù)雜的電源儲(chǔ)能技術(shù)的突破將會(huì)極大推動(dòng)電磁軌道炮技術(shù)的成熟。

一、外軍電磁軌道炮技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與瓶頸

（一）外軍電磁軌道炮技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)對(duì)于電磁發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的研究始于21世紀(jì)初，目前處于世界領(lǐng)先水平。早在2000年，電磁發(fā)射技術(shù)就作為超前技術(shù)納入美軍的未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）應(yīng)用規(guī)劃中。2001年，美國(guó)海軍完成了艦載電磁軌道炮可行性分析，認(rèn)為可以64MJ的炮口動(dòng)能發(fā)射20Kg的彈丸，完成動(dòng)能毀傷。之后，美國(guó)海軍2005年啟動(dòng)了電磁軌道炮研制項(xiàng)目，并于2008年至2012年進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)和試射。2013年，美國(guó)海軍授權(quán)BAE系統(tǒng)公司正式啟動(dòng)連續(xù)發(fā)射的發(fā)射樣機(jī)和脈沖電源的研發(fā)工作。2014年3月7日，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室所屬材料試驗(yàn)研究室成功試射了新研發(fā)的小口徑電磁軌道炮試驗(yàn)臺(tái)，標(biāo)志著美軍電磁軌道炮研究進(jìn)入新階段。該試驗(yàn)臺(tái)口徑僅為25.4mm，每分鐘可進(jìn)行數(shù)次發(fā)射，并可安裝在配有先進(jìn)電池的機(jī)動(dòng)平臺(tái)上。2014年9月，美防長(zhǎng)第一次在公開(kāi)場(chǎng)合提出第三次“抵消戰(zhàn)略”，旨在利用美國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)展新的裝備和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，謀求與對(duì)手新的不對(duì)稱(chēng)軍事優(yōu)勢(shì)[4]。美軍電磁軌道炮的未來(lái)的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用，將增大相對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)成本，并削弱其對(duì)手的導(dǎo)彈生存能力。在此背景下，美軍加速了電磁軌道炮的測(cè)試和應(yīng)用。美海軍計(jì)劃于2016年在“米利諾基特”聯(lián)合高速艦上暫時(shí)安裝一部用于海試的電磁炮原型機(jī)。2015年4月，美海軍計(jì)劃未來(lái)將一套新型電磁軌道炮武器整合在朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦（DDG1000）上。法德國(guó)防部共同組建的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室法•德圣路易斯研究所是繼美國(guó)之后在電磁發(fā)射領(lǐng)域的重要研究力量，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁軌道炮的多發(fā)快速發(fā)射。1998年ISL建成的“PEGASUS”電磁軌道發(fā)射器是其主要發(fā)射裝置，并在隨后的幾年中進(jìn)行了多次優(yōu)化與改進(jìn)。2002年，該試驗(yàn)型發(fā)射器優(yōu)化為方口徑，如圖3所示，此結(jié)構(gòu)更加容易控制條件和拆換部件，有利于試驗(yàn)研究。此發(fā)射裝置可以將質(zhì)量為300g的電樞加速至2.4km/s，也可將質(zhì)量為1kg的彈丸發(fā)射到2.0km/s以上的速度，發(fā)射效率超過(guò)25%。2006年，ISL已實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量1～4kg的彈丸加速到2300m/s的發(fā)射。ISL基于這些發(fā)射系統(tǒng)獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究獲得了發(fā)射器口徑結(jié)構(gòu)、電樞結(jié)構(gòu)、分布式饋電和材料等因素對(duì)發(fā)射穩(wěn)定性和軌道壽命的關(guān)系。

（二）電磁軌道炮技術(shù)發(fā)展瓶頸

電磁軌道炮雖然具有很多優(yōu)勢(shì)，但也存在能量?jī)?chǔ)存困難、電源復(fù)雜的缺點(diǎn)。可以預(yù)見(jiàn)，電磁炮從概念走向廣泛應(yīng)用還需要經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程。盡管美軍的電磁炮項(xiàng)目目前已進(jìn)入工程化階段，但要在未來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和武器化，仍面臨著以下技術(shù)突破的巨大挑戰(zhàn)。

一是脈沖電源問(wèn)題。電磁軌道炮在工作時(shí)，彈丸的加速時(shí)間極短，但為了獲得所需的初速，所需的能量卻非常巨大。脈沖電源負(fù)責(zé)為電磁炮提供能量，要在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)提供幾十至上百兆焦的電能。如此巨大的能量存儲(chǔ)依賴(lài)于儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，目前較為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)是體積和重量都較大的電容器。例如，美國(guó)通用電子公司推出的“閃電”電磁軌道炮所使用的電容器大小如兩輛拖車(chē)式卡車(chē)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性。為實(shí)現(xiàn)電磁炮車(chē)載化的目標(biāo)，電源儲(chǔ)能裝置需進(jìn)一步小型化。因此脈沖電源設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮材料的強(qiáng)度、效能和溫度控制等因素，而且要考慮儲(chǔ)能裝置的小型化問(wèn)題。

二是炮管長(zhǎng)壽命問(wèn)題。炮管壽命制約著電磁炮技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)壽命是連續(xù)發(fā)射的前提。雖然目前已經(jīng)解決了電弧燒蝕和高速刨削等問(wèn)題，但發(fā)射器的壽命依然只有百發(fā)量級(jí)。發(fā)射器在發(fā)射時(shí)承受著巨大推力，以及流經(jīng)軌道和電樞的電流都會(huì)對(duì)炮管造成磨損。因此在解決炮管長(zhǎng)壽命問(wèn)題時(shí)，要設(shè)計(jì)可承受軌道斥力的炮管結(jié)構(gòu)，并攻克熱管理技術(shù)等等。

三是炮彈設(shè)計(jì)和抗過(guò)載問(wèn)題。首先，電磁軌道炮的殺傷機(jī)制為單純的動(dòng)能毀傷，因此炮彈的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響了最終的殺傷效果。其次，電磁炮要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的精確打擊，必須進(jìn)行制導(dǎo)和彈道修正。在電磁炮發(fā)射的瞬間，炮彈將承受巨大的空氣阻力、百萬(wàn)安培的強(qiáng)大電流和35000-40000g的高過(guò)載。所以炮彈及其制導(dǎo)組件必須具備耐高溫、高壓和巨大過(guò)載的性能。制導(dǎo)炮彈的抗過(guò)載能力越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的精確打擊射程就越遠(yuǎn)。

四是與作戰(zhàn)平臺(tái)集成的問(wèn)題。電磁軌道炮無(wú)論用于執(zhí)行何種作戰(zhàn)任務(wù)，在使用過(guò)程中都將基于特定的作戰(zhàn)平臺(tái)，因此需要將武器系統(tǒng)與已有或未來(lái)的作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行集成。具體包括動(dòng)態(tài)功率共享、空間和質(zhì)量、冷卻、電磁場(chǎng)管理等方面的問(wèn)題。

二、電磁軌道炮脈沖功率電源技術(shù)

（一）脈沖電源超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)展

電磁軌道炮的脈沖功率電源一般包括初級(jí)電源、中間儲(chǔ)能系統(tǒng)和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。其中儲(chǔ)能系統(tǒng)常見(jiàn)類(lèi)型包括：電容儲(chǔ)存靜電能，電感儲(chǔ)存磁能，旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)存慣性動(dòng)能[5]。在幾種儲(chǔ)能方式中，電容儲(chǔ)能技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛但能量密度最低；旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)能的能量密度大，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且難以實(shí)施；電感型儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度高于電容，易于冷卻且只需儲(chǔ)存一次發(fā)射的能量即可。所以，電感儲(chǔ)能型高能大功率脈沖電源是滿(mǎn)足電磁發(fā)射需求的可能方案。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置（SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES）通過(guò)對(duì)超導(dǎo)線(xiàn)圈供電勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)而儲(chǔ)存能量[6]。超導(dǎo)儲(chǔ)能具有很多優(yōu)點(diǎn)：直接存儲(chǔ)能量，所以效率高；儲(chǔ)能密度大，理論上存儲(chǔ)能量沒(méi)有限制；可控性好；由于線(xiàn)圈處于超導(dǎo)態(tài)，所以能量在磁場(chǎng)中的幾乎沒(méi)有損耗，并且可極大降低對(duì)充電電源的要求。SMES本質(zhì)上是電流源，它的電壓隨著負(fù)載而變化。脈沖功率SMES可以應(yīng)用在諸多需要大功率電流源的領(lǐng)域，例如電磁軌道炮、艦載機(jī)彈射裝置和載荷電磁發(fā)射器。目前，第二代高溫超導(dǎo)帶材（YBCO）的發(fā)展，為提高超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)奠定了材料基礎(chǔ)。HTSSMES相比于低溫超導(dǎo),在高磁通密度下可以提供更大的電流密度，而且具有更大的熱穩(wěn)定性。使用HTS，在15K溫度以上進(jìn)行操作有了可能，這也降低了冷卻降溫的成本。2007年，法國(guó)總軍械代表團(tuán)框架下的HTSSMES發(fā)生器‘SMESI’進(jìn)行了測(cè)試。2011年，ISL設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能84KJ的三模塊高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能XRAM發(fā)生裝置，是第一個(gè)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)成功的超導(dǎo)XRAM發(fā)生器[7]。該XRAM發(fā)生器在27m的負(fù)載上得到了峰值為600A的34s時(shí)長(zhǎng)的脈沖電流。‘SMESI’的升級(jí)版‘SMESII’實(shí)現(xiàn)了2╳200KJ-1MW的脈沖功率高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)和測(cè)試，其雙餅繞組如圖6所示。

（二）脈沖電源變流裝置研究現(xiàn)狀

雖然電感型儲(chǔ)能具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也具有一個(gè)典型缺點(diǎn)。在關(guān)斷大電感電流時(shí)，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場(chǎng)能量，使得在關(guān)斷開(kāi)關(guān)兩端會(huì)產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力而超出半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)所能承受的范圍。因此人們一直在提高關(guān)斷開(kāi)關(guān)的耐壓和探索對(duì)主管耐壓要求低的換流電路。美國(guó)IAT實(shí)驗(yàn)室提出的STRETCHmeatgrinder和由德法ISL聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室提出的ICCOS換流的XRAM是兩種基本的電流脈沖壓縮拓?fù)洌瑑烧叩牡湫碗娐贩謩e如圖7和圖8所示。STRETCHmeatgrinder是利用磁通壓縮原理實(shí)現(xiàn)電流倍增的，電流放大倍數(shù)大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用全控型器件IGCT作為關(guān)斷開(kāi)關(guān)，成本高且關(guān)斷電流較小；而ICCOS換流的XRAM通過(guò)從電流源串聯(lián)充電轉(zhuǎn)換為并聯(lián)放電，從而產(chǎn)生一幅值約為各電感電流之和的輸出電流。該拓?fù)淠K化性能好，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。我國(guó)清華大學(xué)提出的STRETCHmeatgrinderwithICCOS將ICCOS換流技術(shù)應(yīng)用于STRETCHmeatgrinder拓?fù)渲校湫碗娐啡鐖D9所示。該拓?fù)浣Y(jié)合了前2個(gè)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，同時(shí)具備高電流放大倍數(shù)、較小關(guān)斷開(kāi)關(guān)電壓和關(guān)斷開(kāi)關(guān)能關(guān)斷較大電流的優(yōu)勢(shì)，并且顯著降低了系統(tǒng)成本。電感型儲(chǔ)能脈沖電源在電磁軌道炮中的應(yīng)用尚在探索中，目前超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)也已經(jīng)能夠達(dá)到MW級(jí)，變流裝置的研究也在快速發(fā)展。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的小型化和能量轉(zhuǎn)換所用大容量短路開(kāi)關(guān)及變流技術(shù)的突破是電磁炮從概念走向?qū)嶋H的有效橋梁。

三、電磁軌道炮及其脈沖功率電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）電磁發(fā)射技術(shù)的研究熱潮。從弓箭到火炮，人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到化學(xué)能發(fā)射的轉(zhuǎn)變，未來(lái)由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為更高發(fā)射速度的電磁能發(fā)射將是必然趨勢(shì)。隨著美國(guó)第三次“抵消戰(zhàn)略”的加速推進(jìn)，電磁發(fā)射技術(shù)的研究也將越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

（2）超導(dǎo)儲(chǔ)能成為未來(lái)的主要方向。由于超導(dǎo)儲(chǔ)能與其它儲(chǔ)能方式相比，具有較高的儲(chǔ)能密度和功率密度，存儲(chǔ)容量沒(méi)有限制，而且?guī)缀鯖](méi)有電能損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以超導(dǎo)儲(chǔ)能未來(lái)最有望成為電磁軌道炮脈沖功率電源所用儲(chǔ)能裝置。

（3）儲(chǔ)能裝置小型化。為了實(shí)現(xiàn)脈沖功率電源的車(chē)載化目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)電磁軌道炮的武器化和實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用，電源小型化是必然趨勢(shì)。因此儲(chǔ)能裝置小型化是未來(lái)一段時(shí)間的發(fā)展目標(biāo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著美國(guó)第三次“抵消戰(zhàn)略”的推進(jìn)，將在無(wú)人作戰(zhàn)、定向能、動(dòng)能武器等領(lǐng)域掀起新一輪軍事科技革命。電磁軌道炮作為高速動(dòng)能新概念武器，將在未來(lái)的軍事科技競(jìng)爭(zhēng)中成為搶奪戰(zhàn)略制高點(diǎn)的關(guān)鍵。目前，美國(guó)處于世界領(lǐng)先水平，電磁軌道炮也已經(jīng)進(jìn)入工程化階段。我國(guó)應(yīng)結(jié)合自身國(guó)情，科學(xué)合理制定電磁軌道炮的發(fā)展規(guī)劃。當(dāng)前，應(yīng)加強(qiáng)電磁軌道炮基礎(chǔ)理論科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，為將來(lái)電磁軌道炮的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)積累。此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以用于電磁軌道炮，而且可用于電網(wǎng)中的脈沖功率電源。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)將隨著超導(dǎo)材料和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，逐步提高功率密度和能量密度。相信在不久的將來(lái)，電磁軌道炮會(huì)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)化和武器化應(yīng)用階段。

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作者:楊鑫 林志凱 龍志強(qiáng) 單位:國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院