第37卷第2期 火炮发射与控制学报 Vol.37 No.2 2016年6月 JOURNAL OF GUN LAUNCH CONTROL Jum.2016 D0L:10.19323/j.isn.1673-6524.2016.02.019 电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析 乔志明，雷彬，吕庆敖，向红军，黄旭 (军械工程学院弹药工程系，河北石掌庄050003) 摘要：电磁轨道炮是利用电磁力将弹丸加速到超高速的新概念武器系统，可遂行直瞄打击、超高空或 超远程投送弹药等多种作战任务。介绍了轨道炮的基本原理，从电能利用角度对轨道炮研究中电源与电力控 制、轨道与电枢结构设计、超高速滑动电接触理论与技术以及轨道炮系统集成等关健技术进行了分析。依据 电磁轨道炮发展规律及现有技术水平，分析其新的发展趋势为大炮口动能轨道炮设计、基于轨道发射的弹丸 设计以及轨道长寿命研究，对新概念武器发展有一定参考意义。 关键词：电磁发射：电磁轨道炮：脉冲功率电源：滑动电接触；炮口动能 中图分类号：TM53 文献标志码：A 文章编号：16736524(2016)02409105 Analysis of the Key Technologies and Development Tendency of Electromagnetic Railguns QIAO Zhiming,LEI Bin,LYV Qing'ao,XIANG Hongjun,HUANG Xu ang 050003.Hebei.China Abstract:Electromagnetic railguns are new concept weapons which accelerate projectiles to a high value with electromagnetic foree.They are possibly applied to various military operations such as direct attack,highaltitude or longange launching of ammunition.An intrduction is made of the basic prin ciple of railguns. An analysis is made of the novel electric power supply and search.structure designs of armatures and rails.sliding eleetrical techno logies,and the inte gration technologies in electromagnetic launch from the perspective of the use of electricity.Based on the law development and current technical level of railguns.the new development tendencies are repre- d女地hm3 hich ha ertain referenc ew concept muzzle kinetic energy 电磁发射技术是利用载流体在磁场中受力.对 遂行多种作战任务，是新概念武器研究的一个重要 目标物体进行加速的一项重要电磁能应用技术，具 方向。根据2001年美国电磁发射技术专家McNal 备电力应用的独特优势，在弹丸发射、舰载机弹射 对初速2.5kms的细长圆锥形弹丸外弹道分析，质 火箭和导弹弹射等方面有很好的发展前景。 量为60kg弹丸在51°仰角发射条件下，最大射高为 在军事领域，电磁轨道炮备受青睞1-。电磁 120km左右，在6mim内可达到400km的最大射 轨道地的口初速大，可在新形势信息化作战条件下 程，而且弹丸末速度超过了1.5km/s;利用其在 1994-2016Chin Academic Jour al Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第 37 卷第 2 期 2016 年 6 月 火炮发射与控制学报 JOUＲNAL OF GUN LAUNCH ＆ CONTＲOL Vol. 37 No. 2 Jun. 2016 DOI: 10． 19323 /j． issn． 1673-6524． 2016． 02． 019 电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析 乔志明，雷 彬，吕庆敖，向红军，黄 旭 ( 军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003) 摘 要: 电磁轨道炮是利用电磁力将弹丸加速到超高速的新概念武器系统，可遂行直瞄打击、超高空或 超远程投送弹药等多种作战任务。介绍了轨道炮的基本原理，从电能利用角度对轨道炮研究中电源与电力控 制、轨道与电枢结构设计、超高速滑动电接触理论与技术以及轨道炮系统集成等关键技术进行了分析。依据 电磁轨道炮发展规律及现有技术水平，分析其新的发展趋势为大炮口动能轨道炮设计、基于轨道发射的弹丸 设计以及轨道长寿命研究，对新概念武器发展有一定参考意义。 关键词: 电磁发射; 电磁轨道炮; 脉冲功率电源; 滑动电接触; 炮口动能 中图分类号: TM153 文献标志码: A 文章编号: 1673-6524 ( 2016) 02-0091-05 收稿日期: 2015-08-25 基金项目: 国家安全重大基础研究项目 ( 6132270102) ; 国家自然科学基金项目 ( 51407195) 作者简介: 乔志明 ( 1991—) ，男，硕士研究生，主要从事电磁发射技术研究。E-mail: qiaozhiming99@ 163. com Analysis of the Key Technologies and Development Tendency of Electromagnetic Ｒailguns QIAO Zhiming，LEI Bin，LYV Qing’ao，XIANG Hongjun，HUANG Xu ( Department of Ammunition Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China) Abstract: Electromagnetic railguns are new concept weapons which accelerate projectiles to a high value with electromagnetic force． They are possibly applied to various military operations such as direct attack，high-altitude or long-range launching of ammunition． An introduction is made of the basic principle of railguns． An analysis is made of the novel electric power supply and electricity control research，structure designs of armatures and rails，sliding electrical contact technologies，and the integration technologies in electromagnetic launch from the perspective of the use of electricity． Based on the law development and current technical level of railguns，the new development tendencies are represented by guns with high muzzle kinetic energy，railgun projectile design and the long-life of rails， which has a certain reference value for the development of new concept weapons． Key words: electromagnetic launching; railguns; pulsed power supply; sliding electrical contact; muzzle kinetic energy 电磁发射技术是利用载流体在磁场中受力，对 目标物体进行加速的一项重要电磁能应用技术，具 备电力应用的独特优势，在弹丸发射、舰载机弹射、 火箭和导弹弹射等方面有很好的发展前景。 在军事领域，电磁轨道炮备受青睐［1 － 3］。电磁 轨道炮炮口初速大，可在新形势信息化作战条件下 遂行多种作战任务，是新概念武器研究的一个重要 方向。根据 2001 年美国电磁发射技术专家 McNab 对初速 2． 5 km / s 的细长圆锥形弹丸外弹道分析，质 量为 60 kg 弹丸在 51°仰角发射条件下，最大射高为 120 km 左右，在 6 min 内可达到 400 km 的最大射 程，而且弹丸末速度超过了 1． 5 km / s［4］; 利用其在
·92· 火炮发射与控制学报 第37卷 短时间内将弹药远距离投送优势，可实现对敌快 速、大纵深火力覆盖以及作为登陆作战中的有效火 电磁轨道炮关键技术分析 力拖护：利用其射高高的特点，可覆盖搬斗机机群 2 飞行高度，用作近程防空武器；发挥其弹丸速度 2.1电源与电力控制技术 的特点，实现对厚壁目标动能打击，攻击敌方装甲 目标或工事，同时摆脱了对发射药的依赖：另外，轨 道炮弹丸速度高，目标小，具备不易拦截、攻击性强 以满足轨道炮超高速发射性能需求。同时，为便于 的优势。 电源运载轨道炮电源还应具有能量密度高、结构 紧凑的特点。 1电磁轨道炮基本原理 目前，大功率脉冲电源主要储能形式有电容储 (电)能、电感储（磁）能、旋转机械储（动）能和化等 轨道炮基本组成包括大功率脉冲电源、电能招 能储能等，轨道炮发射系统的电源多采用单极发电 制模块、两条平行金属轨道、位于两轨道间且与两 机或电容器组。单极发电机采用旋转机械储能，储 轨道保持滑动电接触的载流电枢、电枢推动的弹丸 能密度大，放电过程电流平稳，其缺点主要是储能 以及绝缘固定装置等，如图1所示。 周期长，最大的单极发电机是澳大利亚国立大等 堪培拉单极发电机，据试验记载，可储能550如 电流一 轨道 电容器组经充电后可形成高压，放电速度快，是试 ::电松弹丸〉一口 验用轨道炮的主要电源之一，缺点是能量密度小 ①电 不话用机动场所，目前，市场化的电容器最大储 密度约4/m',实验室用电容器的最大储能密度 为7/m,这仍然远低于用于火箭发射的碳氢燃 图！轨道地构 料和火炮发射的发射药能量密度。 电枢被压入炮膛（两轨道间）后，接通电源开 合理设计供电模式采用有效的申力控制可损 关，电流由后膛馈入，流经轨道 电枢、另 侧轨道 高能源利用率，轨道发射中，脉冲成型网铬(PFN) 形成闭合回路。两根轨道中反向电流在轨道之间 对电流波形影响很大，通过改善电流输出波形可 区域形成破场，对载流电枢产生电磁力作用。由于 提高系统效率 及炮口动 ,理想的轨道炮电源输出 在电磁发射过程中，极短时间内电流迅速增大到几 ,电流波形为梯形平顶脉冲 兆安，所形成的洛伦兹力远大于电枢的运动阻力， 2.2轨道与电枢结构设计 电枢推动弹丸向炮口加速运动 依据“轨道炮作用力”定律，增加轨道电感梯府 依据法拉第定律、虚功定律以及能量守恒定 和加大回路电流能够提高轨道炮作用力，合理设计 律，可得到“轨道炮作用力”定律为 轨道与电松结构可提高轨道电感梯度值，改善结 构通流能力，增加炮口动能，延长轨道寿命 发射装置口径、轨道几何尺寸、矩形轨道宽高 式中：F为电枢受到的电磁力：L为单位长度轨道的 比都直接影响电感梯度值的大小：不同的封装工 电感值，即电感梯度：1为通过回路的电流。 艺对轨道电感梯度值影响很大，相同条件下，采用 由图1和式(1)可以看出，电磁轨道炮作为 导磁性好、导电性能差的封装材料，有利于提升轨 电压应用条件下的机电系统，其技术核心在于脉河 道电感梯度值：在结构上设置磁场增强轨道，证 大电流的产生及利用，因此，适配电磁轨道炮的大 过增加磁场可提高电感梯度值美国AT设计的增 功率脉冲电源技术、基于改善结构通流能力问题的 强型轨道炮电感梯度达到了1uH/血，较简单轨道 枢轨结构设计技术、超高速滑动电接触技术以及强 炮0.4H/m左右的电感梯度值提 电磁环境下的系统集成技术是制约轨道炮性能的 其他主要形 式还有多轨式增强型轨道 、多层 优化和发展的关键技术。 联轨道炮山、层叠式和并排式轨道炮四等 1994-016China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
火炮发射与控制学报 第 37 卷 短时间内将弹药远距离投送优势，可实现对敌快 速、大纵深火力覆盖以及作为登陆作战中的有效火 力掩护; 利用其射高高的特点，可覆盖战斗机机群 飞行高度，用作近程防空武器; 发挥其弹丸速度高 的特点，实现对厚壁目标动能打击，攻击敌方装甲 目标或工事，同时摆脱了对发射药的依赖; 另外，轨 道炮弹丸速度高，目标小，具备不易拦截、攻击性强 的优势。 1 电磁轨道炮基本原理 轨道炮基本组成包括大功率脉冲电源、电能控 制模块、两条平行金属轨道、位于两轨道间且与两 轨道保持滑动电接触的载流电枢、电枢推动的弹丸 以及绝缘固定装置等，如图 1 所示。 电枢被压入炮膛( 两轨道间) 后，接通电源开 关，电流由后膛馈入，流经轨道、电枢、另一侧轨道， 形成闭合回路。两根轨道中反向电流在轨道之间 区域形成磁场，对载流电枢产生电磁力作用。由于 在电磁发射过程中，极短时间内电流迅速增大到几 兆安，所形成的洛伦兹力远大于电枢的运动阻力， 电枢推动弹丸向炮口加速运动。 依据法拉第定律、虚功定律以及能量守恒定 律，可得到“轨道炮作用力”定律为［1］ F = 1 2 L'I2 ( 1) 式中: F 为电枢受到的电磁力; L'为单位长度轨道的 电感值，即电感梯度; I 为通过回路的电流。 由图 1 和式( 1) 可以看出，电磁轨道炮作为高 电压应用条件下的机电系统，其技术核心在于脉冲 大电流的产生及利用，因此，适配电磁轨道炮的大 功率脉冲电源技术、基于改善结构通流能力问题的 枢轨结构设计技术、超高速滑动电接触技术以及强 电磁环境下的系统集成技术是制约轨道炮性能的 优化和发展的关键技术。 2 电磁轨道炮关键技术分析 2． 1 电源与电力控制技术 轨道炮对电源有极高的性能要求，轨道炮电源 在毫秒量级时间段内释放几兆焦甚至更多的电能， 以满足轨道炮超高速发射性能需求。同时，为便于 电源运载，轨道炮电源还应具有能量密度高、结构 紧凑的特点。 目前，大功率脉冲电源主要储能形式有电容储 ( 电) 能、电感储( 磁) 能、旋转机械储( 动) 能和化学 能储能等，轨道炮发射系统的电源多采用单极发电 机或电容器组。单极发电机采用旋转机械储能，储 能密度大，放电过程电流平稳，其缺点主要是储能 周期长，最大的单极发电机是澳大利亚国立大学的 堪培拉单极发电机，据试验记载，可储能 550 MJ［1］; 电容器组经充电后可形成高压，放电速度快，是试 验用轨道炮的主要电源之一，缺点是能量密度小， 不适用机动场所，目前，市场化的电容器最大储能 密度约 4 MJ /m3 ，实验室用电容器的最大储能密度 为 7 MJ /m3 ，这仍然远低于用于火箭发射的碳氢燃 料和火炮发射的发射药能量密度［5］。 合理设计供电模式，采用有效的电力控制可提 高能源利用率，轨道发射中，脉冲成型网络( PFN) 对电流波形影响很大，通过改善电流输出波形可以 提高系统效率及炮口动能，理想的轨道炮电源输出 电流波形为梯形平顶脉冲［6］。 2． 2 轨道与电枢结构设计 依据“轨道炮作用力”定律，增加轨道电感梯度 和加大回路电流能够提高轨道炮作用力，合理设计 轨道与电枢结构可提高轨道电感梯度 L'值，改善结 构通流能力，增加炮口动能，延长轨道寿命。 发射装置口径、轨道几何尺寸、矩形轨道宽高 比都直接影响电感梯度值的大小［7］; 不同的封装工 艺对轨道电感梯度值影响很大，相同条件下，采用 导磁性好、导电性能差的封装材料，有利于提升轨 道电感梯度值［8］; 在结构上设置磁场增强轨道，通 过增加磁场可提高电感梯度值，美国 IAT 设计的增 强型轨道炮电感梯度达到了 1 μH /m，较简单轨道 炮 0． 4 μH /m 左右的电感梯度值提高达 2． 5 倍［9］。 其他主要形式还有多轨式增强型轨道炮［10］、多层串 联轨道炮［11］、层叠式和并排式轨道炮［12］等。 · 29 ·
第2期 乔志明，等：电磁轨道炮关锭技术与发展趋势分析 ·93. 合理设计电枢结构可以改善电流分布，减少趋 沟槽。 肤效应、速度销肤效应以及电流传导短路径聚集现 4)另外，由于铝质电枢尾翼滑动接触界面的熔 象带来的电流分布不均，改善电枢热应力分布，采 融，在铜合金轨道上形成银白色金属沉积层，使得 用“马鞍面”状电枢与多匝轨道相结合的复杂轨道 电接触界面更加复杂。 炮结构，可显著改善电流分布 其中 通过合理设计枢轨结构可优化枢轨电接触状 状电枢可利用“电流分布的短路径聚集效应”反作 态，有效减少轨道损伤，延长发射器寿命。美国高 用于“脉冲电流的趋肤效应”，与柱面结构相比，能 技术研究所(1AT)采用电镀铝膜作为枢轨接触预先 有效提高电拟电流分布的均匀化程度，如图2 涂层，试验证明可有效预防创削现象，减轻轨道损 所示 伤； ad在试射多层层叠电枢时 发现共创削区域明显小于单体电枢，证实了分层结 构对改善电接触状态的可观效果口。 电接钟研究讲展缪梅，国外研究主要单位是美 国高技术研究所(1T)、美国海军研究实验室 (NL),主要研究方法是轨道沉积层组分，形态分 析，以及基于大量实验数据的电接触状态仿真： 2004年，IAT宣称，在2~3km/s速度范围内解决 轨道削和电枢转捩问题，取得了重大进展 (a》柱而扶U形电框电流密度分 2 系统集成技术 目前，大功率脉冲电源能量密度较低，由于电 磁轨道地系统的大电流需求，系统的供能模块占用 空间较大：大电流工作环境下的轨道炮系统会形成 脉冲强电磁场，需要有效的电磁防护模块：若实现 轨道炮电枢弹丸装填、瞄准、发射的高度自动化，强 电磁环境下的机电设备布置也是亟需解决的问题。 所以，随着大申流工作挝式下的申磁轨消炮不斯击 向实用化进程，对其发射的可靠性、操作的灵活性 (b)马枝面带状U形电解电汽密度分布 图2站构U形电祁拱形部电流密度分布对比 使用的安全性以及运载的简易性提出了更高要求 其系统集成技术也显得更加重要。 2.3超高速滑动电接触理论与技术 美国被音公司/英国航空航天公司(BAE)研制 在电轨道炮中，大脉冲电流 一条轨道通过 的由轨道的干014年7月上舰展示，是轨道军 电枢流到另一条轨道，电枢与轨道之间以过盈接触 实用化进程的重大进展，表明美海军轨道炮系统 方式保证良好滑动电接触，大电流流经电枢与轨 集成技术达到了很高的水平。我国在进行电磁制 道滑动接触表面时，会伴随机械效应、热效应、可能 道炮加工进程中也更加重视系统的小型化和紧凑 的电火花或电弧效应。 性，轨道炮装置的研发制作将会更加突出一体化的 大电流轨道炮的权轨界面间超高速滑动电接 特点。 触导致的问题主要有： )滑动电枢与固定轨道相互运动过程中，轨道 3轨道炮发展趋势 上微颗粒或应力中心对电枢的冲击作用，产生了创 削现象，在轨道上形成液滴状刨坑。 轨道炮的研究，是在顺应其军事应用目标中曲 2)由于电枢与轨道的不良接触而引起接触面 折发展的，经历了处于技术探索阶段的堪培拉轨指 之间产生电弧击穿，发生转换和烧蚀 炮、以反洲际弹道导弹为应用目标的天基在轨轨道 3)由于电流在电枢边缘汇聚和金属液滴侵蚀 炮、以反装甲为目标的陆基机动轨道炮以及至今作 作用导致槽蚀现象，在轨道上电枢两侧位置形成 为研究主流的以超远程火力打击为目标的海基轨 1994-2016 China Academic mal Electronic Publishing House rights r http://www.cnki.ne
第 2 期 乔志明，等: 电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析 合理设计电枢结构可以改善电流分布，减少趋 肤效应、速度趋肤效应以及电流传导短路径聚集现 象带来的电流分布不均，改善电枢热应力分布，采 用“马鞍面”状电枢与多匝轨道相结合的复杂轨道 炮结构，可显著改善电流分布［13］。其中“马鞍面” 状电枢可利用“电流分布的短路径聚集效应”反作 用于“脉冲电流的趋肤效应”，与柱面结构相比，能 有效提 高 电 枢 电 流 分 布 的 均 匀 化 程 度，如 图 2 所示。 2． 3 超高速滑动电接触理论与技术 在电磁轨道炮中，大脉冲电流经一条轨道通过 电枢流到另一条轨道，电枢与轨道之间以过盈接触 方式保证良好滑动电接触。大电流流经电枢与轨 道滑动接触表面时，会伴随机械效应、热效应、可能 的电火花或电弧效应。 大电流轨道炮的枢轨界面间超高速滑动电接 触导致的问题主要有: 1) 滑动电枢与固定轨道相互运动过程中，轨道 上微颗粒或应力中心对电枢的冲击作用，产生了刨 削现象，在轨道上形成液滴状刨坑。 2) 由于电枢与轨道的不良接触而引起接触面 之间产生电弧击穿，发生转捩和烧蚀。 3) 由于电流在电枢边缘汇聚和金属液滴侵蚀 作用导致槽蚀现象，在轨道上电枢两侧位置形成 沟槽。 4) 另外，由于铝质电枢尾翼滑动接触界面的熔 融，在铜合金轨道上形成银白色金属沉积层，使得 电接触界面更加复杂。 通过合理设计枢轨结构可优化枢轨电接触状 态，有效减少轨道损伤，延长发射器寿命。美国高 技术研究所( IAT) 采用电镀铝膜作为枢轨接触预先 涂层，试验证明可有效预防刨削现象，减轻轨道损 伤［14］; Marshall 和 Persad 在试射多层层叠电枢时， 发现其刨削区域明显小于单体电枢，证实了分层结 构对改善电接触状态的可观效果［1］。 电接触研究进展缓慢，国外研究主要单位是美 国高 技 术 研 究 所 ( IAT) 、美国海军研究实验室 ( NＲL) ，主要研究方法是轨道沉积层组分、形态分 析，以及基于大量实验数据的电接触状态仿真。 2004 年，IAT 宣称，在 2 ～ 3 km / s 速度范围内解决了 轨道刨削和电枢转捩问题［15］，取得了重大进展。 2． 4 系统集成技术 目前，大功率脉冲电源能量密度较低，由于电 磁轨道炮系统的大电流需求，系统的供能模块占用 空间较大; 大电流工作环境下的轨道炮系统会形成 脉冲强电磁场，需要有效的电磁防护模块; 若实现 轨道炮电枢弹丸装填、瞄准、发射的高度自动化，强 电磁环境下的机电设备布置也是亟需解决的问题。 所以，随着大电流工作模式下的电磁轨道炮不断走 向实用化进程，对其发射的可靠性、操作的灵活性、 使用的安全性以及运载的简易性提出了更高要求， 其系统集成技术也显得更加重要。 美国波音公司/英国航空航天公司( BAE) 研制 的电磁轨道炮于2014 年7 月上舰展示，是轨道炮军 事实用化进程的重大进展，表明美海军轨道炮系统 集成技术达到了很高的水平。我国在进行电磁轨 道炮加工进程中也更加重视系统的小型化和紧凑 性，轨道炮装置的研发制作将会更加突出一体化的 特点。 3 轨道炮发展趋势 轨道炮的研究，是在顺应其军事应用目标中曲 折发展的，经历了处于技术探索阶段的堪培拉轨道 炮、以反洲际弹道导弹为应用目标的天基在轨轨道 炮、以反装甲为目标的陆基机动轨道炮以及至今作 为研究主流的以超远程火力打击为目标的海基轨 · 39 ·
94 火炮发射与控制学报 第37卷 道炮4个主要阶段。 计划下一步提高弹丸质量至20kg,炮口动能达到 加今，美海军轨道均系统代表着申磁轨消陶发 64LU。图5所示为切速2.5km/s不同质量细长圆 展的最高水平。2008年，美国海军讲行了10.6山 排形弹丸的外弹道曲线4，其中，采用60kg弹丸 炮口动能圆膛炮发射试验 2010年，使用同近方膛 2.5km/s炮口初速发射，炮口动能达187.5M如 轨道炮发射装置进行试验，将10kg弹丸加速到2. 大射高为120km左右，射程可达到400km。大树 km/s炮口速度，炮口动能达到32.2012年， 口动能轨道炮的远射程发射性能对作战模式和国 美海军首次进行了轨道炮全威力样机发射试验，如 际规则侧有重要影响，且由于弹丸在高于30km高空 图3所示。2014年7月，美海军研制的炮口动能32 飞行时，几平不受空气阻力影响高射高发射也更 山电磁轨道炮进行了舰上展示，如图4所示 利于形成有益于弹丸飞行的空气动力学条件 制于现有关键技术水平，目前，大初速、高炮口动能 的电磁轨道炮在工程研制进程中还不够成熟，大炮 口动能轨道炮研究的发展将在不断加大弹丸质量 和炮口初速中曲折发展。 12 40 )美海军全威力道试经 30km高度线 图5初速2.5kms不同质量的细长圆维形弹丸外殊道曲线 2)基于轨道发射的弹丸设计。关于轨道发射 的弹丸设计主要有以下几个方面： ①电板与弹丸的一体化设计，目标是使得电板 将弹丸可靠推动到超高速，弹托和弹丸分离后，弹 国3美海军32MJ地口动能的全成力样机发射试 丸实现稳定飞行。美海军在204年3月进行的 体化发射组件的自由飞行演示中，成功使用了方蹈 轨道饱脱壳弹丸组件：2010年8月，美海军在内凸 方障轨苗的上发射试哈了脱声弹药。 ②轨道炮弹丸的制导需求，桔确打击是信息化 条件下作战的主要特点，轨道炮发射超远射程弹 丸，由于在障内电报与轨道接触状况复杂、电枢出 口速度快以及受环境因素影响，弹丸在无制导条件 下打击精度还不够高】 图4BAE公司研制的电磁桃遮炮系统于美海军战舰上展示 ③若实现炮口初速在1.7kms以上，在现有发 在现有技术水平和作战需求下，轨道炮具有如 射器水平上，弹药将承载约3万个重力加速度，高 下发展趋势： 于目前制导弹药2万个重力加速度承载能力)。 1)大炮口动能轨道炮设计。随着轨道炮技术 ④由于发射过程中的强磁场作用，很可能造成 不断趋于实用化，轨道炮将会在不久后走出实验 制导电子元器件不准确或失灵 室，服务于军事。各固在进行加大发射初速研究的 因此，基于轨道炮发射条件下制导弹药一体化 同时，更加注重加大弹丸质量和炮口动能以改善弹 设计是伴随大炮口初速轨道炮研究的重要研究 丸性能，提高打击精度、增强杀伤效果。美国海军 方向。 1994-016China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
火炮发射与控制学报 第 37 卷 道炮 4 个主要阶段。 如今，美海军轨道炮系统代表着电磁轨道炮发 展的最高水平。2008 年，美国海军进行了 10． 6 MJ 炮口动能圆膛炮发射试验。2010 年，使用同近方膛 轨道炮发射装置进行试验，将10 kg 弹丸加速到2． 5 km / s 炮口速度，炮口动能达到 32 MJ［16］。2012 年， 美海军首次进行了轨道炮全威力样机发射试验，如 图 3 所示。2014 年 7 月，美海军研制的炮口动能 32 MJ 电磁轨道炮进行了舰上展示，如图 4 所示。 在现有技术水平和作战需求下，轨道炮具有如 下发展趋势: 1) 大炮口动能轨道炮设计。随着轨道炮技术 不断趋于实用化，轨道炮将会在不久后走出实验 室，服务于军事。各国在进行加大发射初速研究的 同时，更加注重加大弹丸质量和炮口动能以改善弹 丸性能，提高打击精度、增强杀伤效果。美国海军 计划下一步提高弹丸质量至 20 kg，炮口动能达到 64 MJ。图 5 所示为初速 2． 5 km / s 不同质量细长圆 锥形弹丸的外弹道曲线［4］，其中，采用 60 kg 弹丸以 2． 5 km / s 炮口初速发射，炮口动能达 187． 5 MJ，最 大射高为 120 km 左右，射程可达到 400 km。大炮 口动能轨道炮的远射程发射性能对作战模式和国 际规则有重要影响，且由于弹丸在高于 30 km 高空 飞行时，几乎不受空气阻力影响，高射高发射也更 利于形成有益于弹丸飞行的空气动力学条件。受 制于现有关键技术水平，目前，大初速、高炮口动能 的电磁轨道炮在工程研制进程中还不够成熟，大炮 口动能轨道炮研究的发展将在不断加大弹丸质量 和炮口初速中曲折发展。 2) 基于轨道发射的弹丸设计。关于轨道发射 的弹丸设计主要有以下几个方面: ①电枢与弹丸的一体化设计，目标是使得电枢 将弹丸可靠推动到超高速，弹托和弹丸分离后，弹 丸实现稳定飞行。美海军在 2004 年 3 月进行的一 体化发射组件的自由飞行演示中，成功使用了方膛 轨道炮脱壳弹丸组件; 2010 年 8 月，美海军在内凸 方膛轨道炮上发射试验了脱壳弹药。 ②轨道炮弹丸的制导需求，精确打击是信息化 条件下作战的主要特点，轨道炮发射超远射程弹 丸，由于在膛内电枢与轨道接触状况复杂、电枢出 口速度快以及受环境因素影响，弹丸在无制导条件 下打击精度还不够高。 ③若实现炮口初速在 1． 7 km / s 以上，在现有发 射器水平上，弹药将承载约 3 万个重力加速度，高 于目前制导弹药 2 万个重力加速度承载能力［5］。 ④由于发射过程中的强磁场作用，很可能造成 制导电子元器件不准确或失灵。 因此，基于轨道炮发射条件下制导弹药一体化 设计是伴随大炮口初速轨道炮研究的重要研究 方向。 · 49 ·
第2期 乔志明，等：电磁轨道炮关健技术与发展趋势分析 。95. 3)轨道长寿命研究。由于高参数轨道炮发射 factors of rocket eiector mode of RBCC [D].Xi'an:North- 过程中的大电流形成欧姆热效应，以及电接触界面 estern Polvtechnical University.2001.in Chinese) 存在的磨擦磨损、侧削、转捩烧蚀、槽蚀、沉积层等 []周媛，严弹，袁伟群，等。电磁轨道发装置中轨道厂 多方面作用，导致轨道的使用寿命受到很大限制 何参数对电感 梯 的影响 电工电能新技术 而轨道炮的使用寿命直接制约着其军事应用空间 09.28(3:23-27 ZHOU Yuan.YAN Ping.YUAN Weiqun.et al.Effecto 轨道炮若遂行大纵深火力覆盖、对敌大面积毁伤作 rail geometrical parameters on inductance gradient of EMI 战任务，必须解决轨道的长寿命问题。在轨道炮发 ]Advanced Techenology of Electrical Engineering and 展过程中，由于固体电枢取代了等离子电枢，轨道 Energy 2009.28(3):23 -27.in Chinese) 炮寿命由单发发展为多发，轨道长寿命的实现仍将 [8]刘守豹.阮江军，黄道春，等。封装对轨道炮电感梯度 在很大程度上取决于材料、枢轨结构的改善。 的影响山1.电工电能新技术，2009,28(4)：42-45 LIU Shoubao.RUAN Jiangiun.HUANG Daochun ot al 4结束语 ring and 作为新概念武器，电磁轨道炮可加速弹丸到超 高速。与传统武器相比，由于其炮口初速大、易控 agnetic launch:a review of the U.S. national program IEEE Transactions on Magnetics, 制、安全性高等特点，电磁轨道炮在遂行防空、反导 1997.33(1):11-16. 弹、反装甲、超远程火力压制等军事任务中具有很 [10]GALLANT J,LEHMANN P.Experiments with brush 大优势。随着电源与电力控制、轨道与电枢结构设 projectiles in a parallel augmented railgun [J.IEEE 计、超高速滑动电接触以及系统集成等关键技术水 Transactions on Magnetics,2005.41(1):188-193. 平的提高，弹丸发射初速和炮口动能已初步达到军 [11]LI Meiwu,WU Yuhang,ZHAO Xi,et al.DCco 事应用水平，大炮口动能轨道炮、基于轨道发射的 er laun 弹丸设计以及轨道长寿命将是伴随轨道炮走向实 ching system IEEE Transactions on Magnetics, 2005,41(1):213-21 用化的发展趋势。 [1]ZHANC Yujiao.RUAN Jiangjun.LIAO Junpeng.et al Comparison of salvo performance between stacked and 参考文献(References) paralleled double-projectile railguns []IEEE Transac tions on Plasma Science.2013.41(5):1410 -1415. [1]MARSHALL R A.WANG Ying.Railguns:their science [13]LYV Oing'ao,LI Zhivuan,LEI Bin,et al.Primany structural design and optimal armature simulation for [FAIR H D.Advance in e tic launch science .2013.41(5) 1403 140g [14]TREVOR W.MOTES D T. tions on Magnetics,00944(1):225-230. on the or et of rail gouing [IEEE Transactions on [3]MCNAB I R.BEACH F C.Naval railguins [J].IEEE Plasma Science,2011,38(1):220-225. Transactions on Magpetics.2007.43(1):463 -468. [15】周媛，李敏堂，王等华.美国电磁轨道发射技术现状 [41 MCNAB I R.FISH S.STEFANI F.Parameters for an 及特点分析[U】.火力指挥与控制，2010,35(9)： electromagnetic naval railgun []IEEE Transactions on 1-4 agnatic8200137/11.223-728 ZHOU Yuan.LI Mintang.WANG Jinghua.Analysis on [5]李军，严，袁伟群.电磁轨道发射技术的发展与现状 atiof the l s lm .高电压技术.2014.40(4)：1052 1064 J.YAN ing.YUAN Weiqu magnetic gun nd Cont.2010.35/0 ent [JJ.High Voltage Engi [16】王明东，王天样. 所概色 武器的现状 与发展趋势] neering,2014,40(4):1052-1064.(in Chinese) 四川兵工学报，2014,35(6：1-5 [6]刘佩进.RBCC引射火箭模态性能与影响因素研究 WANG Mingdong.WANG Tianxiang.Actuality and de [D].西安：西北工业大学，2001. velopment trend of new concept weapons []Joumal of LIU Peijin.Investigation on performance and influence Sichuan Ordnance.2014.35(6):1-5.in Chinese) 1994-2016 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第 2 期 乔志明，等: 电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析 3) 轨道长寿命研究。由于高参数轨道炮发射 过程中的大电流形成欧姆热效应，以及电接触界面 存在的磨擦磨损、刨削、转捩烧蚀、槽蚀、沉积层等 多方面作用，导致轨道的使用寿命受到很大限制。 而轨道炮的使用寿命直接制约着其军事应用空间， 轨道炮若遂行大纵深火力覆盖、对敌大面积毁伤作 战任务，必须解决轨道的长寿命问题。在轨道炮发 展过程中，由于固体电枢取代了等离子电枢，轨道 炮寿命由单发发展为多发，轨道长寿命的实现仍将 在很大程度上取决于材料、枢轨结构的改善。 4 结束语 作为新概念武器，电磁轨道炮可加速弹丸到超 高速。与传统武器相比，由于其炮口初速大、易控 制、安全性高等特点，电磁轨道炮在遂行防空、反导 弹、反装甲、超远程火力压制等军事任务中具有很 大优势。随着电源与电力控制、轨道与电枢结构设 计、超高速滑动电接触以及系统集成等关键技术水 平的提高，弹丸发射初速和炮口动能已初步达到军 事应用水平，大炮口动能轨道炮、基于轨道发射的 弹丸设计以及轨道长寿命将是伴随轨道炮走向实 用化的发展趋势。 参考文献( Ｒeferences) ［1］ MAＲSHALL Ｒ A，WANG Ying． Ｒailguns: their science and technology ［M］． Beijing: China Machine Press， 2004: 1 － 11． ［2］ FAIＲ H D． Advances in electromagnetic launch science and technology and its applications［J］． IEEE Transactions on Magnetics，2009，44( 1) : 225 － 230． ［3］ MCNAB I Ｒ，BEACH F C． Naval railguns［J］． IEEE Transactions on Magnetics，2007，43( 1) : 463 － 468． ［4］ MCNAB I Ｒ，FISH S，STEFANI F． Parameters for an electromagnetic naval railgun［J］． IEEE Transactions on Magnetics，2001，37( 1) : 223 － 228． ［5］ 李军，严萍，袁伟群． 电磁轨道发射技术的发展与现状 ［J］． 高电压技术，2014，40( 4) : 1052 － 1064． LI Jun，YAN Ping，YUAN Weiqun． Electromagnetic gun technology and its development［J］． High Voltage Engineering，2014，40( 4) : 1052 － 1064． ( in Chinese) ［6］ 刘佩进． ＲBCC 引射火箭模态性能与影响因素研究 ［D］． 西安: 西北工业大学，2001． LIU Peijin． Investigation on performance and influence factors of rocket ejector mode of ＲBCC［D］． Xi’an: Northwestern Polytechnical University，2001． ( in Chinese) ［7］ 周媛，严萍，袁伟群，等． 电磁轨道发射装置中轨道几 何参数 对 电 感 梯 度 的 影 响［J］． 电工电能新技术， 2009，28( 3) : 23 － 27． ZHOU Yuan，YAN Ping，YUAN Weiqun，et al． Effect of rail geometrical parameters on inductance gradient of EML ［J］． Advanced Techenology of Electrical Engineering and Energy，2009，28( 3) : 23 － 27． ( in Chinese) ［8］ 刘守豹，阮江军，黄道春，等． 封装对轨道炮电感梯度 的影响［J］． 电工电能新技术，2009，28( 4) : 42 － 45． LIU Shoubao，ＲUAN Jiangjun，HUANG Daochun，et al． Influence of shielding on rail gun induction gradient［J］． Advanced Techenology of Electrical Engineering and Energy，2009，28( 4) : 42 － 45． ( in Chinese) ［9］ FAIＲ H D． Electromagnetic launch: a review of the U． S． national program［J］． IEEE Transactions on Magnetics， 1997，33( 1) : 11 － 16． ［10］ GALLANT J，LEHMANN P． Experiments with brush projectiles in a parallel augmented railgun［J］． IEEE Transactions on Magnetics，2005，41( 1) : 188 － 193． ［11］ LI Meiwu，WU Yuhang，ZHAO Xi，et al． DC constant current power supply used to power a multilayer launching system［J］． IEEE Transactions on Magnetics， 2005，41( 1) : 213 － 215． ［12］ ZHANG Yujiao，ＲUAN Jiangjun，LIAO Junpeng，et al． Comparison of salvo performance between stacked and paralleled double-projectile railguns［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41( 5) : 1410 － 1415． ［13］ LYV Qing’ao，LI Zhiyuan，LEI Bin，et al． Primary structural design and optimal armature simulation for a practical electromagnetic launcher［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41( 5) : 1403 － 1409． ［14］ TＲEVOＲ W，MOTES D T． The effects of surface coating on the onset of rail gouing［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2011，38( 1) : 220 － 225． ［15］ 周媛，李敏堂，王菁华． 美国电磁轨道发射技术现状 及特点 分 析［J］． 火 力 指 挥 与 控 制，2010，35 ( 9 ) : 1 － 4． ZHOU Yuan，LI Mintang，WANG Jinghua． Analysis on present state and characteristics of the U． S． electromagnetic rail launch technology［J］． Fire Control ＆ Command Control，2010，35( 9) : 1 － 4． ( in Chinese) ［16］ 王明东，王天祥． 新概念武器的现状与发展趋势［J］． 四川兵工学报，2014，35( 6) : 1 － 5． WANG Mingdong，WANG Tianxiang． Actuality and development trend of new concept weapons ［J］． Journal of Sichuan Ordnance，2014，35( 6) : 1 － 5． ( in Chinese) · 59 ·