D0:10.16338.issn.1009-1319.2012.05.014 情报交流 导弹电磁发射技术综述 安进 张胜利 吴长春 摘要乎弹电碰发射技术是 车等回 技术发展方向。 一种新型的手弹发射技术，与传统的 1.2开关技术 导弹依靠发动机推力直接发射或液压 电磁发射关键技术 电磁发射过程本质是超大电 气动弹射技术相比有很大的优终。总 随着科学技术的发展，尤其 流产生强磁场，强磁场推动电枢 结了电磁发射关排技末。归纳了导 是高性能电源、超大电流开关、 产生高速度，所以电磁发射中必 磁发射系统的」 作原理及组成 新材料和测控技术等与电磁发射 须对短时间内变化的大电流进行 分别探讨了面基学弹和空基导弹电 相关技术的发展，近30年，电磁 控制，理论上要能够在几毫秒 发射技术的初步方案 发技术有了重大突破，在军 (或几种)时间内对兆安级由流 关键词导弹 电碱发射 领域，美国研制的电磁迫击炮 进行通断控制。普通开关根本不 电磁弹射 舰载飞机电磁弹射器和导弹电磁 能实现此要求，必须研究特制开 弹射器已经可以进入或即将进入 关四。当前还没有能满足电磁发 引言 实用阶段。 射实用化要求，且成本低廉的大 申磁发射技术是排化学能发 1.1电源技术 电流开关。 射之后出现的一种新概念动能发 电磁发射在几毫秒内将发 1.3材料问题 射技术，按结构和原理的不同， 体发射到很高的速度，达到依靠 影响电磁发射的材料问题由 可分为电磁轨道式和电磁线圈式 火药化学反应发射的100倍甚至 要表现在两方面，一是发射线圈 两种。前者可以理解为一个单 更高，所以电磁发射系统对电溉 导体材料密度对电磁发射的速园 匝直线电动机，后者可以理解为 的要求非常高。体积小、重量 影响非常大，二是由于发射过程 圆筒状电动机，其实质都是按照 轻、可重复使用，且制造成本尽 中电流可能达到几兆安培，导致 电动机原理工作。电磁发射技术 可能低的大功率电源装置的开 发射线圈和驱动线圈中都会产生 在科学实验、军事和工业交通等 发，是电磁发射技术发展的最为 大量的焦耳热能损失。随若超导 多种领域具有广泛的应用前景 关键的技术。当 实验室广泛采 技术的发展，此问题可望得到 作为科学研究手段，可以用于受 用电容器作为脉神电源，因为电 步改善。 控核聚变试验和高压物理领域： 容器的高压使它能够在很短的时 1,4驱动线图的同步控制 作为军事应用，可以进行电磁炮 间内释放其能量， 然而电容器 为了获得均匀而持久的加 弹和导弹的发射，用于地面防 能密度非常低、成本高、更不适 速，驱动线圈在包括发射线圈在 空、拦截弹道导弹、推毁军事卫 合机动场合，不话合充当一般由 内的发射物体上产生的加速力也 星，还可以用于航母上的飞机弹 磁发射装置的实用电源 。必须 应当是均匀而持久的，这就要求 射系统等：在工业交通领域，可 考虑开发新型实用化的电源，交 驱动部分要根据发射物体的具体 以用于电磁抽油机和高速电磁列 流脉冲发电机是一个很好的电源 位置进行同步控制，就像无刷直 本文201201H4收到，作者分别系中国空空导弹研究院工程师、研究员、高级工程师 飞航异弹2012年第5期 27。 21994-2016 China academic lourna onie Publishing House.All rights reserved. httn//www enki ne
情报交流 本文 2012-01-14 收到，作者分别系中国空空导弹研究院工程师、研究员、高级工程师 导弹电磁发射技术综述 安 进 张胜利 吴长春 摘 要 导弹电磁发射技术是 一种新型的导弹发射技术，与传统的 导弹依靠发动机推力直接发射或液压 气动弹射技术相比有很大的优势。总 结了电磁发射关键技术，归纳了导弹 电磁发射技术的优点，给出了导弹电 磁发射系统的工作原理及组成，最后 分别探讨了面基导弹和空基导弹电磁 发射技术的初步方案。 关键词 导弹 电磁发射 电磁弹射 引 言 电磁发射技术是继化学能发 射之后出现的一种新概念动能发 射技术，按结构和原理的不同， 可分为电磁轨道式和电磁线圈式 两种［1］。前者可以理解为一个单 匝直线电动机，后者可以理解为 圆筒状电动机，其实质都是按照 电动机原理工作。电磁发射技术 在科学实验、军事和工业交通等 多种领域具有广泛的应用前景。 作为科学研究手段，可以用于受 控核聚变试验和高压物理领域; 作为军事应用，可以进行电磁炮 弹和导 弹 的 发 射，用 于 地 面 防 空、拦截弹道导弹、摧毁军事卫 星，还可以用于航母上的飞机弹 射系统等; 在工业交通领域，可 以用于电磁抽油机和高速电磁列 车等［2］。 1 电磁发射关键技术 随着科学技术的发展，尤其 是高性能电源、超大电流开关、 新材料和测控技术等与电磁发射 相关技术的发展，近30 年，电磁 发射技术有了重大突破，在军事 领域，美国研制的电磁迫击炮、 舰载飞机电磁弹射器和导弹电磁 弹射器已经可以进入或即将进入 实用阶段。 1． 1 电源技术 电磁发射在几毫秒内将发射 体发射到很高的速度，达到依靠 火药化学反应发射的 100 倍甚至 更高，所以电磁发射系统对电源 的要 求 非 常 高。体 积 小、重 量 轻、可重复使用，且制造成本尽 可能低的大功率电源装置的开 发，是电磁发射技术发展的最为 关键的技术。当前实验室广泛采 用电容器作为脉冲电源，因为电 容器的高压使它能够在很短的时 间内释放其能量，然而电容器储 能密度非常低、成本高、更不适 合机动场合，不适合充当一般电 磁发射装置的实用电源［3］。必须 考虑开发新型实用化的电源，交 流脉冲发电机是一个很好的电源 技术发展方向。 1． 2 开关技术 电磁发射过程本质是超大电 流产生强磁场，强磁场推动电枢 产生高速度，所以电磁发射中必 须对短时间内变化的大电流进行 控制，理 论 上 要 能 够 在 几 毫 秒 ( 或几秒) 时间内对兆安级电流 进行通断控制。普通开关根本不 能实现此要求，必须研究特制开 关［4］。当前还没有能满足电磁发 射实用化要求，且成本低廉的大 电流开关。 1． 3 材料问题 影响电磁发射的材料问题主 要表现在两方面，一是发射线圈 导体材料密度对电磁发射的速度 影响非常大，二是由于发射过程 中电流可能达到几兆安培，导致 发射线圈和驱动线圈中都会产生 大量的焦耳热能损失。随着超导 技术的发展，此问题可望得到逐 步改善。 1． 4 驱动线圈的同步控制 为了获得均匀而持久的加 速，驱动线圈在包括发射线圈在 内的发射物体上产生的加速力也 应当是均匀而持久的，这就要求 驱动部分要根据发射物体的具体 位置进行同步控制，就像无刷直 飞航导弹 2012 年第 5 期 ·27· DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2012.05.014
情报交流 流电动机的电子换向一样。这个 武器控制系统☐、 问题的解决是最困难的，相比而 言，在工业或民用技术领域应用 发射控制系统 储能系统 能量控制调节系统 的场合，无刷直流电动机型的电 磁弹射技术应该具有很好的应用 电磁发射器 前景。 导弹1.2,3. 2导弹电磁发射技术 ▲导弹电磁发射系统原理框图 2.1工作原理及组成 导弹电磁发射系统由机械系 目标，将目标信息通过发控系统 (2) 统和电气系统组成。机械系统固 发送给导弹，导弹稳定截获目 定在装甲车、战舰或空间飞行器 标，向上级汇报，武器控制系统 导弹发射过程的位移： 上，由发射壳体组件 锁制机 下发导弹发射命令，发控系统通 s-「dk (3) 构、电气插头对接分离机构、滚 过电磁发射器进行导弹发射，发 式中，m为导弹质量，t为导弹发 动机构、电枢弹射组件、缓冲组 射完毕后，电磁发射器复位，进 射时间，F,为电磁发射推力，方 件等组件或机构组成。由气系统 入下一枚导弹发射准备程序 向沿导弹发射方向，为发射角 由武器控制系统、发射控制系 2.2面基异弹电磁发射 F2为导弹与发射系统之间的摩 统、储能系统、能量控制调节系 面基导弹是指在地面或战舰 擦力，F,为导弹发射过程中的空 统和信息交互系统等组成。与现 上发射的防空导弹，是防空武器 气阻力，g为重力加速度。 有的导弹武器发射系统相比，机 的重要支柱，其优点是后勤供应 以20kg某导弹为例，加速 城系统增加了滚动组件、缓冲组 比较容易。此类导弹发射系统对 到700m/s,需要能量14900kJ. 件和电枢弹射组件，电气系统增 质量以及体积的要求相对小，可 假设能量转换率只有30%，就 加了能量控制调节系统、储能系 以通过适当的增加体积或质量换 可以计算出需要的电磁动力，利 统，其它系统进行适应性改进 取高发射初始动能实现增大导弹 用现代试验手段也可以测算和修 导弹电磁发系统工作原理 发射距离的目的，所以可以优先 正十结果 框图如上图所示，基本工作过程 讲行面基导弹申磁发射技术研 2.3 空基导弹电磁发射 为：操作人员通过武器控制系统 究。如美国桑迪亚和洛·马公司 空基导弹是指在飞行器上发 操控整个发射系统，武器控制系 共同研制的首个申磁导弹助推 射的空空、空天和空地类型的导 统下发储存能量和导弹自检指 器，是以地空导弹发射系统为模 弹，是目前和未来拔争的主流武 令，能量控制调节系统通过发射 型进行研究的 器。此类发射方式对发射系统的 平台（战车、战舰或飞行器） ，为 导弹离轨速度是衡量导弹离 质量和体积要求苛刻。大能量电 储能系统输送能源（电能），能源 轨后稳定的重要因素之 ,为 磁发射系统质量体积偏大，在飞 输送完毕，能量控制调节系统向 控制导弹离轨后的姿态，要求导 行器上实现比较困难，可以考虑 武器控制系统反馈储能完毕，在 弹发射离轨具有一定的速度，通 发展飞机电磁弹射技术，如以 储能过程中，发射控制系统下发 过以下导弹发射的简单力学方程 200kg导弹为例，弹射到50m/ 导弹自检命今，导弹自拾完华， 可以容易计算出导弹离轨速度 (一般机载弹射系统几乎不可能 向上逐级汇报，武器控制系统收 m=m 做到)，不仅可以满足弹架分离 到能量储存完毕和导弹自检正常 要求，而且提高了飞机的安全 报告，武器控制系统通过发射平 F,-mgsina (1) 性，需要能量40kJ,这种发射方 台雷达或红外探测系统发现敌方 导弹发射过程飞行速度： 案既可以避免传统发射方式的缺 ·28 飞航导弹2012年第5期 ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
情报交流 ▲ 导弹电磁发射系统原理框图 流电动机的电子换向一样。这个 问题的解决是最困难的，相比而 言，在工业或民用技术领域应用 的场合，无刷直流电动机型的电 磁弹射技术应该具有很好的应用 前景［2］。 2 导弹电磁发射技术 2． 1 工作原理及组成 导弹电磁发射系统由机械系 统和电气系统组成。机械系统固 定在装甲车、战舰或空间飞行器 上，由 发 射 壳 体 组 件、锁 制 机 构、电气插头对接分离机构、滚 动机构、电枢弹射组件、缓冲组 件等组件或机构组成。电气系统 由武器 控 制 系 统、发 射 控 制 系 统、储能系统、能量控制调节系 统和信息交互系统等组成。与现 有的导弹武器发射系统相比，机 械系统增加了滚动组件、缓冲组 件和电枢弹射组件，电气系统增 加了能量控制调节系统、储能系 统，其它系统进行适应性改进。 导弹电磁发射系统工作原理 框图如上图所示，基本工作过程 为: 操作人员通过武器控制系统 操控整个发射系统，武器控制系 统下发储存能量和导弹自检指 令，能量控制调节系统通过发射 平台( 战车、战舰或飞行器) ，为 储能系统输送能源( 电能) ，能源 输送完毕，能量控制调节系统向 武器控制系统反馈储能完毕，在 储能过程中，发射控制系统下发 导弹自检命令，导弹自检完毕， 向上逐级汇报，武器控制系统收 到能量储存完毕和导弹自检正常 报告，武器控制系统通过发射平 台雷达或红外探测系统发现敌方 目标，将目标信息通过发控系统 发送给 导 弹，导 弹 稳 定 截 获 目 标，向上级汇报，武器控制系统 下发导弹发射命令，发控系统通 过电磁发射器进行导弹发射，发 射完毕后，电磁发射器复位，进 入下一枚导弹发射准备程序。 2． 2 面基导弹电磁发射 面基导弹是指在地面或战舰 上发射的防空导弹，是防空武器 的重要支柱，其优点是后勤供应 比较容易。此类导弹发射系统对 质量以及体积的要求相对小，可 以通过适当的增加体积或质量换 取高发射初始动能实现增大导弹 发射距离的目的，所以可以优先 进行面基导弹电磁发射技术研 究。如美国桑迪亚和洛·马公司 共同研制的首个电磁导弹助推 器，是以地空导弹发射系统为模 型进行研究［5］的。 导弹离轨速度是衡量导弹离 轨后稳定的重要因素之一，为了 控制导弹离轨后的姿态，要求导 弹发射离轨具有一定的速度，通 过以下导弹发射的简单力学方程 可以容易计算出导弹离轨速度: m dv dt = m d2 s dt 2 = F1 － F2 － F3 － mgsina ( 1) 导弹发射过程飞行速度: v = ∫ t 0 dv ( 2) 导弹发射过程的位移: s = ∫ t 0 dt ( 3) 式中，m 为导弹质量，t 为导弹发 射时间，F1 为电磁发射推力，方 向沿导弹发射方向，α为发射角， F2 为导弹与发射系统之间的摩 擦力，F3 为导弹发射过程中的空 气阻力，g 为重力加速度。 以 20 kg 某导弹为例，加速 到 700 m /s，需要能量 14 900 kJ， 假设能量转换率只有 30 % ，就 可以计算出需要的电磁动力，利 用现代试验手段也可以测算和修 正计算结果。 2． 3 空基导弹电磁发射 空基导弹是指在飞行器上发 射的空空、空天和空地类型的导 弹，是目前和未来战争的主流武 器。此类发射方式对发射系统的 质量和体积要求苛刻。大能量电 磁发射系统质量体积偏大，在飞 行器上实现比较困难，可以考虑 发展飞 机 电 磁 弹 射 技 术，如 以 200 kg 导弹为例，弹射到 50 m /s ( 一般机载弹射系统几乎不可能 做到) ，不仅可以满足弹架分离 要求，而 且 提 高 了 飞 机 的 安 全 性，需要能量 40 kJ，这种发射方 案既可以避免传统发射方式的缺 ·28· 飞航导弹 2012 年第 5 期
情报交流 点，又可以将导弹内埋到飞机 弹发射时，更容易引起暴露。采 发射面临的难题。可以从简化导 中，实现轴向隐身发射。 用电磁发射技术后，有利于我方 弹设计，提高导弹承受时载能力 发射系统的隐身。 方面逐渐解决此问题，如利用电 3导弹电磁发射的优点 3.3减少千扰 磁发射的高动能产生的超大速 目前导弹的主要发射方式是 在导弹发射凝间，导弹占火 度，设计相对简单的动能制导 依靠导弹自身发动机燃烧的反冲 产生大量烟雾，有可能模糊操作 弹。 推力或辅助热弹射机检产生推力 人员的视线，并日对发射系统的 进行发射，采用导弹电破发射技 红外侦察设备产生 一定的视线于 5结束语 术，具有以下优点。 扰，降低作战性能回。 可以预见，电磁发射技术将 3.1 彻底解决发射系统烧蚀问 3.4 改善作战半径 按照从面基发射到空基发射， 从 在不增加导弹白身重量的条 小能量弹射到大能量动能发射的 高速导弹固体发动机高能复 件下，可以改善导弹的作战半 发展方向，逐渐应用于导弹发射 合推进剂燃烧时对发射系统产生 径，尤其沛着大功率脉冲电源技 系统中，随着新材料、脉冲电源 的高温燃气烧蚀和超高速熔融残 术的不断发展，改善作用将会在 和大功率开关等工业技术的发 渣的侵蚀、烧蚀问题导致了装备 导弹电磁发射系统中产生越来越 展，电磁发射技术将会打破现有 性能下降。烧后的装置在潮湖 重要的作用 武器体系格局，动能制导弹将会 以及沿海湿热、盐雾环境下极易 走上历史舞台，成为未来武器家 发生腐蚀，寿命显著缩短。烧粘 4导弹电磁发射工程化问题 族中的重要一员。 问题是所有导轨式导弹发射系统 导弹电磁发射在理论上是可 和类似武器在使用高能复合推进 行的，且在使用中有很多优点 参考文献 剂时共同存在的问题。采用电磁 但在工程化过程中，除电磁发射 ]王莹电磁发射技术概论，电丁 发射技术后，依靠发射系统电磁 关键技术外，由于导弹本身的特 技术杂志，2003(10 推力给导弹初始动能，使导弹离 点属于高精尖武器，对于导弹电 ]李立毅，等.电磁发射的历史及 开发射系统一定距离后，发动机 磁发射技术实用化需要考虑或解 发展趋势.微电机，2004(1) B] 苏子舟，笔.无人机电碳弹射应 点火自主飞行。所以，可以彻底 决以下问题：电磁发射过程产生 火炮发射与控制学报 解决发动机对发射系统的烧蚀问 的强磁场对导弹的控制系统、发 用综述 2011(3) 颗。 控系统以及电子元器件产生 [4]Ph.G.Rutberg.Results of rcent 3.2提高系统隐身性能 的影响，可以从提高导弹抗磁场 electromag 导弹系统发射过程发动点 干扰和采取电磁发射磁场保护两 launch 火，产生高温火焰(2000 方面考虑解决：利用电磁发射进 IEEE Tran ctions on Magnetics 3000℃)，致使我方武器发射 行小能量导弹轴向弹射，对于导 2003,39(1) 系统很容易暴露在地方人员视线 弹本身不存在问题，但是随着电 )第本贵，等.美军电磁线圈发射 或红外侦察系统视角内，同时， 磁发射技术的不断发展，大动能 技术发展综述.微电机，2011 导弹发动机燃烧起飞阶段，向发 电磁发射技术逐渐工程化后， Harry D.Fair.Electrie launch 射系统喷射一定量的铝合金燃烧 弹无法适应电磁动能发射过程中 seience and technology in the U. 残渣，增大雷达反射面，使己方 产生的大过载（达到上千甚至几 nited States.IEEE Transactions 武器系统更容易暴露在敌方雷达 千倍的过载)，所以导弹如何承 on Magnetics,003,9(1) 侦察范围内，尤其在晚上进行导 受大的发射讨载将成为导弹电磁 飞航导弹2012年第5期 .29 21994-2016 China academic lournal electronic Publishing House.all rights reserved. http://www.cnkine
情报交流 点，又 可 以 将 导 弹 内 埋 到 飞 机 中，实现轴向隐身发射。 3 导弹电磁发射的优点 目前导弹的主要发射方式是 依靠导弹自身发动机燃烧的反冲 推力或辅助热弹射机构产生推力 进行发射，采用导弹电磁发射技 术，具有以下优点。 3． 1 彻底解决发射系统烧蚀问 题 高速导弹固体发动机高能复 合推进剂燃烧时对发射系统产生 的高温燃气烧蚀和超高速熔融残 渣的侵蚀、烧蚀问题导致了装备 性能下降。烧粘后的装置在潮湿 以及沿海湿热、盐雾环境下极易 发生腐蚀，寿命显著缩短。烧粘 问题是所有导轨式导弹发射系统 和类似武器在使用高能复合推进 剂时共同存在的问题。采用电磁 发射技术后，依靠发射系统电磁 推力给导弹初始动能，使导弹离 开发射系统一定距离后，发动机 点火自主飞行。所以，可以彻底 解决发动机对发射系统的烧蚀问 题。 3． 2 提高系统隐身性能 导弹系统发射过程发动点 火，产 生 高 温 火 焰 ( 2 000 ～ 3 000 ℃ ) ，致使我方武器发射 系统很容易暴露在地方人员视线 或红外侦察系统视角内，同时， 导弹发动机燃烧起飞阶段，向发 射系统喷射一定量的铝合金燃烧 残渣，增大雷达反射面，使己方 武器系统更容易暴露在敌方雷达 侦察范围内，尤其在晚上进行导 弹发射时，更容易引起暴露。采 用电磁发射技术后，有利于我方 发射系统的隐身。 3． 3 减少干扰 在导弹发射瞬间，导弹点火 产生大量烟雾，有可能模糊操作 人员的视线，并且对发射系统的 红外侦察设备产生一定的视线干 扰，降低作战性能［6］。 3． 4 改善作战半径 在不增加导弹自身重量的条 件下，可 以 改 善 导 弹 的 作 战 半 径，尤其随着大功率脉冲电源技 术的不断发展，改善作用将会在 导弹电磁发射系统中产生越来越 重要的作用。 4 导弹电磁发射工程化问题 导弹电磁发射在理论上是可 行的，且在使用中有很多优点， 但在工程化过程中，除电磁发射 关键技术外，由于导弹本身的特 点属于高精尖武器，对于导弹电 磁发射技术实用化需要考虑或解 决以下问题: 电磁发射过程产生 的强磁场对导弹的控制系统、发 控系统以及电子元器件产生一定 的影响，可以从提高导弹抗磁场 干扰和采取电磁发射磁场保护两 方面考虑解决; 利用电磁发射进 行小能量导弹轴向弹射，对于导 弹本身不存在问题，但是随着电 磁发射技术的不断发展，大动能 电磁发射技术逐渐工程化后，导 弹无法适应电磁动能发射过程中 产生的大过载( 达到上千甚至几 千倍的过载) ，所以导弹如何承 受大的发射过载将成为导弹电磁 发射面临的难题。可以从简化导 弹设计，提高导弹承受过载能力 方面逐渐解决此问题，如利用电 磁发射的高动能产生的超大速 度，设 计 相 对 简 单 的 动 能 制 导 弹。 5 结束语 可以预见，电磁发射技术将 按照从面基发射到空基发射，从 小能量弹射到大能量动能发射的 发展方向，逐渐应用于导弹发射 系统中，随着新材料、脉冲电源 和大功率开关等工业技术的发 展，电磁发射技术将会打破现有 武器体系格局，动能制导弹将会 走上历史舞台，成为未来武器家 族中的重要一员。 参考文献 ［1］ 王莹． 电磁发射技术概论． 电工 技术杂志，2003( 10) ［2］ 李立毅，等． 电磁发射的历史及 发展趋势． 微电机，2004( 1) ［3］ 苏子舟，等． 无人机电磁弹射应 用综述． 火炮发射与控制学报， 2011( 3) ［4］ Ph． G． Rutberg． Results of recent research on electromagnetic launch technology in Russia． IEEE Transactions on Magnetics， 2003，39( 1) ［5］ 邹本贵，等． 美军电磁线圈发射 技术 发 展 综 述． 微 电 机，2011 ( 1) ［6］ Harry D． Fair． Electric launch science and technology in the United States． IEEE Transactions on Magnetics，2003，39( 1) 飞航导弹 2012 年第 5 期 ·29·