范 晶 宋朝文

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著世界各國(guó)艦船綜合電力系統(tǒng)實(shí)施步伐的加快，新概念電能武器的開發(fā)成為新一代艦載武器的重要發(fā)展趨勢(shì)。其中，建立在電磁發(fā)射理論基礎(chǔ)之上的電磁軌道炮集遠(yuǎn)射程、大儲(chǔ)彈量、運(yùn)輸和儲(chǔ)運(yùn)安全等優(yōu)勢(shì)于一身而受到廣泛關(guān)注。

電磁軌道炮系統(tǒng)主要包括電磁軌道發(fā)射器、電樞和射彈、高功率脈沖電源（PPS）和控制開關(guān)等。電磁軌道發(fā)射器由絕緣固定的兩根通電平行導(dǎo)軌構(gòu)成，電樞和射彈可沿軌道滑動(dòng)，電樞與導(dǎo)軌間有滑動(dòng)電接觸。當(dāng)開關(guān)閉合后，PPS、軌道和電樞構(gòu)成串聯(lián)回路。通電電樞受到軌道電流磁場(chǎng)的作用，電磁力可推動(dòng)射彈以超高速發(fā)射。

電磁軌道炮的發(fā)展在很大的程度上依賴于高功率脈沖電源的發(fā)展。例如，美國(guó)海軍設(shè)想的某型艦載電磁炮系統(tǒng)對(duì)功率的需求是15～30MW，對(duì)能量的需求是200MJ[1]。目前，比較有希望的PPS包括多種類型，如：發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電感儲(chǔ)能系統(tǒng)、電容器系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)等。它們將慣性能、磁能、靜電能和化學(xué)能等多種形式的能量分別轉(zhuǎn)化為電磁軌道炮系統(tǒng)所需的電能。以下將分別介紹這四種電源系統(tǒng)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。

2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

有望應(yīng)用于電磁軌道炮的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要有基于慣性儲(chǔ)能的補(bǔ)償式脈沖交流發(fā)電機(jī)（CPA）系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩類。

CPA系統(tǒng)利用較小功率的原動(dòng)力把大質(zhì)量的飛輪或轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到高速，慣性地儲(chǔ)存起大量動(dòng)能，然后利用機(jī)電轉(zhuǎn)換原理，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁能。CPA系統(tǒng)目前的最高水平已達(dá)到最高峰值功率 20GW，儲(chǔ)能200MJ，單發(fā)輸出40MJ[2]。單就儲(chǔ)能和功率的需求數(shù)據(jù)而言，CPA系統(tǒng)已基本上可以滿足電磁軌道炮系統(tǒng)發(fā)展的需要。但是CPA系統(tǒng)必須采用預(yù)先啟動(dòng)以積累和儲(chǔ)存動(dòng)能的工作模式，這意味著采用該系統(tǒng)的電磁炮在發(fā)射炮彈前需要有一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的準(zhǔn)備期，這顯然不適合講究快速打擊的海上軍事行動(dòng)。此外，CPA系統(tǒng)面臨的另一個(gè)重要問題是安全性，為了避免災(zāi)難性的后果必須考慮電磁屏蔽措施和控制各種原因產(chǎn)生的熱量[3-4]。

高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在發(fā)電原理上與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相同，但是由于其采用了超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)材料，使發(fā)電機(jī)在容量、重量、體積、機(jī)械效率和穩(wěn)定性等方面的性能得到大大改善。特別值得一提的是，高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)能夠提供MW級(jí)的功率和幾千伏的電壓。盡管新一代高溫超導(dǎo)材料的工作溫度已經(jīng)超越了77K液氮禁區(qū)，但是相對(duì)于室溫298K還有相當(dāng)大的一段溫度區(qū)間，因此，高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)目前面臨的難題仍然是能量消耗和制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)于超大容量的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，這一問題顯得更為突出。

3 電感儲(chǔ)能系統(tǒng)

電感儲(chǔ)能系統(tǒng)是以磁場(chǎng)方式進(jìn)行儲(chǔ)能的，該系統(tǒng)沒有運(yùn)動(dòng)部件，僅需要低電壓的初始功率，因此相對(duì)于慣性儲(chǔ)能系統(tǒng)，電感儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性更高。更另人關(guān)注的是電感儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很快的充電速度，即使在10ms內(nèi)向電磁軌道炮入口釋放了10GW功，也能夠在5s內(nèi)以25MW的功率使電感重新充電[5]。不少實(shí)驗(yàn)已利用電感儲(chǔ)能系統(tǒng)成功驅(qū)動(dòng)過中小型電磁軌道炮[6-7]，但由于缺乏充電用的超大功率電池組和可重復(fù)使用的小型高電流開關(guān)，截止目前電感儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)用化程度還很低，其驅(qū)動(dòng)大型艦載電磁軌道炮的難度相當(dāng)大。

4 電容器系統(tǒng)

電容器系統(tǒng)的核心部件是由大量電容器單元串并聯(lián)組合而成的電容器組，該系統(tǒng)的總能量是每一個(gè)電容器單元儲(chǔ)存的靜電能的加和。電容器單元的充電時(shí)間可以很容易控制在10ms以內(nèi)，而輸出功率密度可達(dá)到0.1～1MW/kg。正因?yàn)槿绱?，在電磁軌道炮發(fā)展的起步階段，建立在電容器組基礎(chǔ)上的電容器系統(tǒng)成為 PPS的首選。但是一個(gè)無法回避的問題是電容器組的儲(chǔ)能密度過低，目前電容器組的最高儲(chǔ)能密度水平僅在1MJ/m3左右。假設(shè)電磁軌道炮單發(fā)發(fā)射需要的電能為30MJ，電磁發(fā)射的轉(zhuǎn)換效率為30%，則每次發(fā)射的電能需求為100MJ，若采用電容器系統(tǒng)作為 PPS，則僅電容器組就需要占據(jù) 100m3以上的空間，再考慮其它控制和輔助部件，PPS的體積不會(huì)小于200m3。如果要獲得較高的持續(xù)射速，還必須進(jìn)一步提高電容器系統(tǒng)的體積。即使對(duì)于空間足夠充裕的艦艇平臺(tái)而言，這也是很難接受的。

5 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

如上所述，作為電磁軌道炮系統(tǒng)的備選 PPS，發(fā)電機(jī)、電感儲(chǔ)能和電容器系統(tǒng)都面臨著難度不小的挑戰(zhàn)。為了改變這一窘境，近年來一些研究者開始開發(fā)一種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)——超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多個(gè)超級(jí)電容器單元串并聯(lián)組合而成。例如，2003年美國(guó)海軍針對(duì)新一代電磁軌道炮系統(tǒng)的 PPS提出了超級(jí)電容模塊化設(shè)計(jì)，該模塊由 24個(gè)并聯(lián)的超級(jí)電容器單元組成，其性能為：充電電壓 15kV、容量 17.6mF。將這些模塊進(jìn)一步組合成40MJ的“儲(chǔ)能段”，整個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由 4個(gè)“儲(chǔ)能段”組成，總儲(chǔ)能量可達(dá)160MJ。

超級(jí)電容器的全稱是電化學(xué)超級(jí)電容器，它是利用電極/電解液界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存的儲(chǔ)能裝置。作為電磁軌道炮系統(tǒng)的備選 PPS，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)[8-11]：

（1）高能量密度：超級(jí)電容器比傳統(tǒng)電容器的能量密度大 10～100倍，可達(dá)到 20MJ/m3以上，當(dāng)單次發(fā)射的電能需求為100MJ時(shí)，對(duì)應(yīng)PPS的體積不超過10m3。

（2）充電速度快：超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)完成充電，而且漏電流遠(yuǎn)小于電容器系統(tǒng)，這樣一來該系統(tǒng)可長(zhǎng)期處于充電或半充電狀態(tài)，電磁軌道炮發(fā)射炮彈前也就不需要太長(zhǎng)的準(zhǔn)備期。

（3）輸出功率高：目前超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率等級(jí)可達(dá)10MW級(jí)，從理論和可行性上看該系統(tǒng)完全能滿足電磁軌道炮發(fā)射功率的需要。

（4）使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)：超級(jí)電容器充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的可逆性，其理論循環(huán)壽命為無窮，實(shí)際可以達(dá)到10萬次以上，且使用過程中不需要維護(hù)，若采用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)作為 PPS，電磁軌道炮的研發(fā)和裝備成本必然會(huì)大大降低。

（5）操控安全、方便：超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)配備有智能化管理模塊，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)甚至每一個(gè)電容器單元的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣能夠最為有效地發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。

（6）使用溫度范圍寬：超級(jí)電容器可以在-40～70℃的溫度范圍內(nèi)使用，能夠滿足電磁軌道炮在不同環(huán)境下的使用要求。

相對(duì)于發(fā)電機(jī)、電感儲(chǔ)能和電容器系統(tǒng)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)也有著自身的缺陷，如：輸出功率密度等級(jí)約為 10kW/kg，單個(gè)超級(jí)電容器的電壓不到3V，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率不到80%等。但這些完全可以通過大量超級(jí)電容器的串并聯(lián)來解決。由于單個(gè)超級(jí)電容器的能量、重量和體積等參數(shù)可以根據(jù)需要來靈活訂制，在考慮總輸出功率和總電壓的前提下，整個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量、重量和體積能夠在相當(dāng)大的程度上得到優(yōu)化，從而滿足電磁軌道炮的發(fā)射需要。

6 結(jié)論

艦載電磁軌道炮系統(tǒng)PPS今后的發(fā)展趨勢(shì)是：吸收、儲(chǔ)存與釋放能量迅速高效，整體重量輕、體積小，脈沖過程易于控制，安全穩(wěn)定性高等。相比較而言，在現(xiàn)階段超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)均能基本適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)的需要，理論可行性更高，且沒有十分致命的技術(shù)缺陷?？梢灶A(yù)見，隨著超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)集成能力的不斷提高，基于該儲(chǔ)能系統(tǒng)的PPS必然會(huì)在電磁軌道炮設(shè)計(jì)和研制系統(tǒng)中占有重要地位，并推動(dòng)電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展。

[1] 張建革, 劉躍新, 路宏偉. 美國(guó)的艦載電磁炮研[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(3): 154-159.

[2] 劉淼森, 張世英, 周濤. 未來海上火力支援的變革者—艦載電磁軌道炮[J]. 現(xiàn)代艦船, 2007(5):39-41.

[3] Liu H, Werst M, et al. Investigation of Windage Splits in an Enclosed Test Fixture Having a High Speed Composite Rotor in Low Air Pressure Environments [J]. IEEE Trans on Magn, 2005, 41(1): 316-321.

[4] Liu H, Hearn C, Werst M, et al. Splits of Windage Losses in Intergrated Transient Rotor and Stator Thermal Analysis of a High Speed Alternator During Multiple Discharges[J]. IEEE Trans on Magn, 2005, 41(1): 311-315.

[5] Satapathy S, McNab l R, Erengil M, et al. Design of an 8-MJ Integrated Launch Package[J]. IEEE Trans on Magn, 2005, 41(1): 426-431.

[6] Hackworth DT, Deis D W, Eckels P W, et al. A 10-MJ Cryogenic Inductor[J]. IEEE Trans on Magn, 1986, 22(6): 1495-1498.

[7] Sitzman A, Surls D, Maillick J. Design, Construction, and Testing of an Inductive Pulsed-Power Supply for a Small Railgun[J]. IEEE Trans on Magn, 2007, 43(1): 270-274.

[8] Zou J Y, Zhang L, Song J Y. Development of the 40V Hybrid Super-Capacitor Unit[J]. IEEE Trans on Magn, 2005, 41(1): 294-298.

[9] 陳艾, 吳孟強(qiáng), 張敘禮,高能武等譯.電化學(xué)超級(jí)電容器-科學(xué)原理及技術(shù)應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[10] Andrew B. Ultracapacitors: why, how, and where is the technology [J].J. Power Sources, 2000, 91: 37-50.

[11] Andrzej L, Maciej G. Practical and theoretical limits for electrochemical double-layer capacitors[J]. J. Power Sources, 2007, 173: 822-828.