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电磁轨道炮及其脉冲电源技术探析

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《国防科技杂志》2016年第4期

摘要:

随着美国第三次“抵消战略”的推进,电磁轨道炮等新概念武器成为关注的焦点。在介绍电磁轨道炮的基础上,总结了外军的发展现状和技术瓶颈,详细阐述了电磁轨道炮脉冲功率电源的超导储能技术和变流装置的拓扑结构。研究表明,电磁轨道炮和超导储能技术将是发展的趋势。

关键词:

电磁轨道炮;超导储能;抵消战略

引言

电磁轨道炮是利用电磁轨道发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器,通过电磁力来加速弹丸,很容易突破传统化学能火炮技术的初速极限,因此具有高速度、大威力和远射程等优点[1]。当前,美军高度重视电磁轨道炮的研发和试验,称电磁轨道炮为可“改变游戏规则”的新概念武器[2]。电磁炮具备广泛的用途,据文献报道,可能的用途包括以下几个方面:打击地面和海上目标;陆地和海上防空反导;发射导弹和卫星;天基战略反导和反卫星;实施空中作战[3]。电磁轨道炮通过洛伦兹力加速弹丸,相较于传统火炮依靠化学能实现发射方式,具有初速快和精确可控等优点。电磁轨道炮不仅能突破传统火炮初速的限制,而且可实现弹丸的初速、威力和射程的连续精确调控,这使得电磁轨道炮顺应了信息化战争对装备智能化的要求。此外,由于电磁炮未使用火药,作战时不会产生火焰和烟雾,所以隐蔽性和安全性高。而且电磁炮发射成本低廉,同时降低了后勤补给负担。因此,电磁轨道炮的广泛应用将是未来的发展趋势。文中对国内外电磁轨道技术发展现状进行了阐述,并指出了电磁轨道炮目前的发展瓶颈。最后详细阐述了电磁轨道炮脉冲电源的超导储能系统,指出复杂的电源储能技术的突破将会极大推动电磁轨道炮技术的成熟。

一、外军电磁轨道炮技术发展现状与瓶颈

(一)外军电磁轨道炮技术发展现状

美国对于电磁发射技术在军事领域内应用的研究始于21世纪初,目前处于世界领先水平。早在2000年,电磁发射技术就作为超前技术纳入美军的未来战斗系统(FCS)应用规划中。2001年,美国海军完成了舰载电磁轨道炮可行性分析,认为可以64MJ的炮口动能发射20Kg的弹丸,完成动能毁伤。之后,美国海军2005年启动了电磁轨道炮研制项目,并于2008年至2012年进行了多次实验和试射。2013年,美国海军授权BAE系统公司正式启动连续发射的发射样机和脉冲电源的研发工作。2014年3月7日,美国海军研究实验室所属材料试验研究室成功试射了新研发的小口径电磁轨道炮试验台,标志着美军电磁轨道炮研究进入新阶段。该试验台口径仅为25.4mm,每分钟可进行数次发射,并可安装在配有先进电池的机动平台上。2014年9月,美防长第一次在公开场合提出第三次“抵消战略”,旨在利用美国的技术优势发展新的装备和战略战术,谋求与对手新的不对称军事优势[4]。美军电磁轨道炮的未来的实战化应用,将增大相对战争成本,并削弱其对手的导弹生存能力。在此背景下,美军加速了电磁轨道炮的测试和应用。美海军计划于2016年在“米利诺基特”联合高速舰上暂时安装一部用于海试的电磁炮原型机。2015年4月,美海军计划未来将一套新型电磁轨道炮武器整合在朱姆沃尔特级驱逐舰(DDG1000)上。法德国防部共同组建的联合实验室法•德圣路易斯研究所是继美国之后在电磁发射领域的重要研究力量,目前已经能够实现电磁轨道炮的多发快速发射。1998年ISL建成的“PEGASUS”电磁轨道发射器是其主要发射装置,并在随后的几年中进行了多次优化与改进。2002年,该试验型发射器优化为方口径,如图3所示,此结构更加容易控制条件和拆换部件,有利于试验研究。此发射装置可以将质量为300g的电枢加速至2.4km/s,也可将质量为1kg的弹丸发射到2.0km/s以上的速度,发射效率超过25%。2006年,ISL已实现将质量1~4kg的弹丸加速到2300m/s的发射。ISL基于这些发射系统获得的基础数据,研究获得了发射器口径结构、电枢结构、分布式馈电和材料等因素对发射稳定性和轨道寿命的关系。

(二)电磁轨道炮技术发展瓶颈

电磁轨道炮虽然具有很多优势,但也存在能量储存困难、电源复杂的缺点。可以预见,电磁炮从概念走向广泛应用还需要经历一个长期的发展过程。尽管美军的电磁炮项目目前已进入工程化阶段,但要在未来实现实用化和武器化,仍面临着以下技术突破的巨大挑战。

一是脉冲电源问题。电磁轨道炮在工作时,弹丸的加速时间极短,但为了获得所需的初速,所需的能量却非常巨大。脉冲电源负责为电磁炮提供能量,要在几毫秒的时间内提供几十至上百兆焦的电能。如此巨大的能量存储依赖于储能技术的进步,目前较为成熟的储能技术是体积和重量都较大的电容器。例如,美国通用电子公司推出的“闪电”电磁轨道炮所使用的电容器大小如两辆拖车式卡车,无法实现高机动性。为实现电磁炮车载化的目标,电源储能装置需进一步小型化。因此脉冲电源设计时,不仅要考虑材料的强度、效能和温度控制等因素,而且要考虑储能装置的小型化问题。

二是炮管长寿命问题。炮管寿命制约着电磁炮技术的发展,长寿命是连续发射的前提。虽然目前已经解决了电弧烧蚀和高速刨削等问题,但发射器的寿命依然只有百发量级。发射器在发射时承受着巨大推力,以及流经轨道和电枢的电流都会对炮管造成磨损。因此在解决炮管长寿命问题时,要设计可承受轨道斥力的炮管结构,并攻克热管理技术等等。

三是炮弹设计和抗过载问题。首先,电磁轨道炮的杀伤机制为单纯的动能毁伤,因此炮弹的材料和结构设计直接影响了最终的杀伤效果。其次,电磁炮要实现远距离的精确打击,必须进行制导和弹道修正。在电磁炮发射的瞬间,炮弹将承受巨大的空气阻力、百万安培的强大电流和35000-40000g的高过载。所以炮弹及其制导组件必须具备耐高温、高压和巨大过载的性能。制导炮弹的抗过载能力越强,对应的精确打击射程就越远。

四是与作战平台集成的问题。电磁轨道炮无论用于执行何种作战任务,在使用过程中都将基于特定的作战平台,因此需要将武器系统与已有或未来的作战平台进行集成。具体包括动态功率共享、空间和质量、冷却、电磁场管理等方面的问题。

二、电磁轨道炮脉冲功率电源技术

(一)脉冲电源超导储能技术进展

电磁轨道炮的脉冲功率电源一般包括初级电源、中间储能系统和脉冲形成网络。其中储能系统常见类型包括:电容储存静电能,电感储存磁能,旋转机械储存惯性动能[5]。在几种储能方式中,电容储能技术最为成熟,应用最为广泛但能量密度最低;旋转机械储能的能量密度大,但其结构非常复杂且难以实施;电感型储能的储能密度高于电容,易于冷却且只需储存一次发射的能量即可。所以,电感储能型高能大功率脉冲电源是满足电磁发射需求的可能方案。超导磁储能装置(SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES)通过对超导线圈供电励磁产生磁场而储存能量[6]。超导储能具有很多优点:直接存储能量,所以效率高;储能密度大,理论上存储能量没有限制;可控性好;由于线圈处于超导态,所以能量在磁场中的几乎没有损耗,并且可极大降低对充电电源的要求。SMES本质上是电流源,它的电压随着负载而变化。脉冲功率SMES可以应用在诸多需要大功率电流源的领域,例如电磁轨道炮、舰载机弹射装置和载荷电磁发射器。目前,第二代高温超导带材(YBCO)的发展,为提高超导储能技术奠定了材料基础。HTSSMES相比于低温超导,在高磁通密度下可以提供更大的电流密度,而且具有更大的热稳定性。使用HTS,在15K温度以上进行操作有了可能,这也降低了冷却降温的成本。2007年,法国总军械代表团框架下的HTSSMES发生器‘SMESI’进行了测试。2011年,ISL设计了储能84KJ的三模块高温超导磁储能XRAM发生装置,是第一个设计并实验成功的超导XRAM发生器[7]。该XRAM发生器在27m的负载上得到了峰值为600A的34s时长的脉冲电流。‘SMESI’的升级版‘SMESII’实现了2╳200KJ-1MW的脉冲功率高温超导磁储能装置的设计和测试,其双饼绕组如图6所示。

(二)脉冲电源变流装置研究现状

虽然电感型储能具有诸多优点,但也具有一个典型缺点。在关断大电感电流时,由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量,使得在关断开关两端会产生很大的电压应力而超出半导体开关所能承受的范围。因此人们一直在提高关断开关的耐压和探索对主管耐压要求低的换流电路。美国IAT实验室提出的STRETCHmeatgrinder和由德法ISL联合实验室提出的ICCOS换流的XRAM是两种基本的电流脉冲压缩拓扑,两者的典型电路分别如图7和图8所示。STRETCHmeatgrinder是利用磁通压缩原理实现电流倍增的,电流放大倍数大,拓扑结构简单。采用全控型器件IGCT作为关断开关,成本高且关断电流较小;而ICCOS换流的XRAM通过从电流源串联充电转换为并联放电,从而产生一幅值约为各电感电流之和的输出电流。该拓扑模块化性能好,但结构相对复杂。我国清华大学提出的STRETCHmeatgrinderwithICCOS将ICCOS换流技术应用于STRETCHmeatgrinder拓扑中,典型电路如图9所示。该拓扑结合了前2个拓扑的优势,同时具备高电流放大倍数、较小关断开关电压和关断开关能关断较大电流的优势,并且显著降低了系统成本。电感型储能脉冲电源在电磁轨道炮中的应用尚在探索中,目前超导磁储能技术也已经能够达到MW级,变流装置的研究也在快速发展。超导储能装置的小型化和能量转换所用大容量短路开关及变流技术的突破是电磁炮从概念走向实际的有效桥梁。

三、电磁轨道炮及其脉冲功率电源技术的发展趋势

(1)电磁发射技术的研究热潮。从弓箭到火炮,人类实现了从机械能到化学能发射的转变,未来由化学能转换为更高发射速度的电磁能发射将是必然趋势。随着美国第三次“抵消战略”的加速推进,电磁发射技术的研究也将越来越引起人们的关注。

(2)超导储能成为未来的主要方向。由于超导储能与其它储能方式相比,具有较高的储能密度和功率密度,存储容量没有限制,而且几乎没有电能损耗等诸多优点,所以超导储能未来最有望成为电磁轨道炮脉冲功率电源所用储能装置。

(3)储能装置小型化。为了实现脉冲功率电源的车载化目标,最终实现电磁轨道炮的武器化和实战化应用,电源小型化是必然趋势。因此储能装置小型化是未来一段时间的发展目标。

四、结束语

随着美国第三次“抵消战略”的推进,将在无人作战、定向能、动能武器等领域掀起新一轮军事科技革命。电磁轨道炮作为高速动能新概念武器,将在未来的军事科技竞争中成为抢夺战略制高点的关键。目前,美国处于世界领先水平,电磁轨道炮也已经进入工程化阶段。我国应结合自身国情,科学合理制定电磁轨道炮的发展规划。当前,应加强电磁轨道炮基础理论科学和关键技术的研究,为将来电磁轨道炮的实战应用提供技术储备和经验积累。此外,超导储能技术不仅可以用于电磁轨道炮,而且可用于电网中的脉冲功率电源。超导储能技术将随着超导材料和相关技术的进步,逐步提高功率密度和能量密度。相信在不久的将来,电磁轨道炮会进入实战化和武器化应用阶段。

参考文献:

[1]李军,严萍,袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术,2014,40(4):1052-1064.

[2]伍尚慧.国外电磁轨道炮的发展现状及军事应用前景[J].电光系统,2014(3):1-5.

[3]杨艺,郭静.美军电磁轨道炮发展综述[J].国外坦克,2015(4):35-38.

[4]虞卫东.美国第三次“抵消战略”:意图与影响比较研究[J].国际关系研究,2015(3):77-87.

[5]马山刚,于歆杰,李臻.用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述[J].电工技术学报,2015(24):222-236.

作者:杨鑫 林志凯 龙志强 单位:国防科技大学机电工程与自动化学院

国防科技杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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