萬(wàn) 敏，王志恒，李小將

（1.裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416；2.裝備學(xué)院航天裝備系，北京 101416）

串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

萬(wàn) 敏1，王志恒1，李小將2

（1.裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416；2.裝備學(xué)院航天裝備系，北京 101416）

串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮具有出口速度快、能量利用率高、電源要求低和軌道壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是電磁軌道炮重要的發(fā)展方向之一。介紹了電磁軌道炮基本原理與限制其發(fā)展應(yīng)用的技術(shù)瓶頸；闡述了2種主要的串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮基本原理，從電感梯度、出口速度與能量利用效率、電源要求、軌道壽命4個(gè)方面分析了技術(shù)特點(diǎn)；總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與研究進(jìn)展；論述了串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮發(fā)展的限制因素及未來(lái)的發(fā)展方向。

電磁軌道炮；串聯(lián)增強(qiáng)型；軌道結(jié)構(gòu)；電感梯度

電磁軌道炮簡(jiǎn)稱軌道炮，它是一種依靠軌道與電樞間相互作用的電磁力來(lái)加速?gòu)椡璧男滦桶l(fā)射裝置。與傳統(tǒng)火炮相比，具有出口速度高、射程遠(yuǎn)、殺傷力大的優(yōu)勢(shì)，因此成為美、英、德、法、俄等軍事大國(guó)競(jìng)相研究的對(duì)象。串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮是一種新型軌道結(jié)構(gòu)的軌道炮，它利用多對(duì)軌道通電時(shí)疊加的磁場(chǎng)，增加軌道的電感梯度，使軌道在承載同樣電流的情況下電樞獲得更大的推動(dòng)力，具有更高的出口速度。由于串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的顯著優(yōu)勢(shì)，使其成為了軌道炮的重要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)之一。

1 軌道炮基本原理與技術(shù)瓶頸

1.1 軌道炮基本原理

軌道炮主要由高功率脈沖電源、軌道、電樞、彈丸和開關(guān)等組件組成。其利用直流電動(dòng)機(jī)的原理，當(dāng)軌道與電樞通入電流時(shí)，軌道產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與電樞中的電流發(fā)生作用，產(chǎn)生洛倫茲力，推動(dòng)電樞與彈丸前進(jìn)［1］。其原理圖如圖1所示。

1.2 軌道炮技術(shù)瓶頸

自1901年挪威奧斯陸大學(xué)物理學(xué)教授伯克蘭（Birkeland）正式提出電磁炮的概念并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)以來(lái)，電磁炮經(jīng)過(guò)了100多年的發(fā)展歷程，無(wú)論其理論還是試驗(yàn)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步［2］。特別是在1978年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的馬歇爾（Marshall）教授宣布其試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在5 m長(zhǎng)的軌道上成功將一顆3 g的彈丸加速到5.9 km／s的超高速之后［3］，電磁軌道炮的研究進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期。2010年12月10日，美軍成功試射了出口動(dòng)能33 MJ，射程204 km的電磁軌道炮樣機(jī)［4］，刷新了炮口動(dòng)能的記錄，同時(shí)也標(biāo)志著電磁軌道炮距離實(shí)戰(zhàn)又進(jìn)了一步。然而，電磁軌道炮想要真正地應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，還需要著力解決以下幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

1）脈沖電源小型化問(wèn)題。電磁軌道炮發(fā)射時(shí)需要通入兆安級(jí)的電流，功率往往也達(dá)到吉瓦級(jí)，這對(duì)電源提出了較高的要求，常規(guī)電源無(wú)法支撐這樣的功率和電流要求，一般采用脈沖功率電源。脈沖功率電源主要包括：電容儲(chǔ)能式、電感儲(chǔ)能式、慣性（飛輪）儲(chǔ)能式、高功率化學(xué)能式、核-電脈沖式［5］。目前，脈沖功率電源的小型化主要集中在電容儲(chǔ)能式與慣性儲(chǔ)能式兩個(gè)方面。電容儲(chǔ)能式脈沖電源具有技術(shù)成熟、充放電時(shí)間短、瞬時(shí)功率高、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其儲(chǔ)能密度較低，一般在2 MJ／m3以下；慣性儲(chǔ)能式脈沖功率源具有使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高、瞬時(shí)功率大、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)不成熟、控制輔助設(shè)備復(fù)雜、對(duì)飛輪的結(jié)構(gòu)和材料有較高要求［6］。因此，要解決脈沖電源小型化問(wèn)題還需要進(jìn)一步提升電容儲(chǔ)能式脈沖功率源的儲(chǔ)能密度，完善慣性儲(chǔ)能式脈沖功率源的技術(shù)。

2）軌道壽命問(wèn)題。軌道發(fā)射器的使用壽命一直制約著電磁軌道炮的發(fā)展，是現(xiàn)階段阻礙電磁軌道炮應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的主要限制因素之一。軌道在工作過(guò)程中，不僅承載兆安級(jí)大電流，同時(shí)也與電樞之間保持著幾千米每秒的滑動(dòng)電接觸，在這樣的極端條件下，軌道和電樞之間會(huì)發(fā)生熔化、轉(zhuǎn)捩、刨削等問(wèn)題，影響軌道的使用壽命［7］。早期電磁軌道炮試驗(yàn)裝置多采用等離子體電樞，軌道只能單次使用。20世紀(jì)90年代后，開始采用固體電樞技術(shù)，并針對(duì)熔化、轉(zhuǎn)捩、刨削等現(xiàn)象開展了大量的仿真與試驗(yàn)研究，取得了一系列的成果，使軌道的使用壽命大幅增加。目前軌道的使用壽命雖已提升到百發(fā)的量級(jí)，但距離真正的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用要求還有不小的距離。

3）發(fā)射組件問(wèn)題。電磁軌道炮的炮彈一般由彈丸和電樞組成。彈丸是發(fā)射組件的有效載荷，利用巨大的動(dòng)能來(lái)殺傷和摧毀目標(biāo)，電樞是發(fā)射組件的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。目前彈丸的研究重點(diǎn)為制導(dǎo)彈藥的抗過(guò)載能力研究，電樞的研究主要集中于固體電樞的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。在發(fā)射過(guò)程中，彈丸加速度在數(shù)萬(wàn)個(gè)g以上，軌道內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)異常復(fù)雜，電流的焦耳熱對(duì)樞軌接觸面的燒蝕效應(yīng)突出，因此需要對(duì)彈丸的抗過(guò)載能力特別是制導(dǎo)彈藥的抗過(guò)載能力展開研究，對(duì)電樞的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與選擇，改善電流密度分布與焦耳熱分布情況，減緩或避免軌道與電樞接觸面的燒蝕，提升武器的使用效能。

在常規(guī)的軌道炮中，作用在電樞上的力與電流的平方成正比，與軌道的電感梯度也成正比。由于常規(guī)軌道炮的電感梯度已經(jīng)基本固定在0.5μH／m左右，因此要想進(jìn)一步提高出口速度或者加速大質(zhì)量的彈丸，可以加大驅(qū)動(dòng)電流值，但大的脈沖電流不僅增加了高功率脈沖電源的規(guī)模，而且往往也會(huì)對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g與電磁力破壞［8］。于是為解決限制軌道炮發(fā)展的技術(shù)瓶頸，研究人員從提升電感梯度與降低電流入手，提出了串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮、分散饋電軌道炮、分段軌道炮以及外場(chǎng)增強(qiáng)型軌道炮等多種新型軌道炮。其中，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮以其優(yōu)異的性能與較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)成為增強(qiáng)型軌道炮的研究熱點(diǎn)。

2 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮基本原理及其技術(shù)特點(diǎn)

2.1 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮基本原理

把多匝軌道串聯(lián)起來(lái)由一個(gè)獨(dú)立電源供電，以此增大磁場(chǎng)、減少軌道電流和增大軌道電感梯度的軌道炮形式稱為串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮［9］。串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮主要分為兩種：平面式增強(qiáng)型和層疊式增強(qiáng)型。

在主軌道外圍繞主軌道串聯(lián)新的軌道，且與主軌道處于同一平面的增強(qiáng)軌道形式稱為平面式增強(qiáng)型軌道，如圖2所示。其原理為利用外置增強(qiáng)軌道通入電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)增大主軌道間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提升等效電感梯度，最終增強(qiáng)電樞所受的洛倫茲力，達(dá)到提升電樞的出口速度的目的。

將軌道層疊起來(lái)，通過(guò)炮尾的跨接導(dǎo)體和互相獨(dú)立的電樞將軌道連接起來(lái)的形式稱為層疊式增強(qiáng)型軌道，如圖3所示。其原理同樣是利用多軌道來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。與平面增強(qiáng)型軌道不同的是層疊增強(qiáng)型可以加速多個(gè)獨(dú)立的電樞，并形成齊射效果。

2.2 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮技術(shù)特點(diǎn)

串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮作為新形式的軌道炮，技術(shù)特點(diǎn)可歸為以下4點(diǎn)。

1）更高的電感梯度。電感梯度是衡量軌道炮最重要性能參數(shù)之一，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮利用多匝軌道疊加磁場(chǎng)大大提高了軌道的電感梯度值。理論上，層疊式軌道的電感梯度可得到N2倍的提升，平面式軌道也可得到N倍的提升（N為軌道對(duì)數(shù)）［10］。

2）更高的出口速度和能量利用效率。在同樣的電流驅(qū)動(dòng)下，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮具有更高的電感梯度，相對(duì)于常規(guī)軌道炮電樞受到的推動(dòng)力更大，加速度更高，出口速度更大，能量利用效率也有所提高。

3）更低的電源要求。與常規(guī)軌道炮相比，在產(chǎn)生同樣大小的電磁力的情況下，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮具有更高的電感梯度，因此需要的電流值更小，降低了對(duì)脈沖電源的要求，有利于解決脈沖電源小型化問(wèn)題。

4）更長(zhǎng)的軌道壽命。由于串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮需要的脈沖電流較常規(guī)軌道炮要小，因此在其發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱相對(duì)較小，減輕了軌道和電樞的燒蝕，提升了電樞的轉(zhuǎn)捩速度，有利于提升軌道的使用壽命。

3 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮發(fā)展現(xiàn)狀及方向

3.1 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上幾個(gè)主要的電磁炮研究機(jī)構(gòu)都對(duì)串聯(lián)增強(qiáng)型電磁軌道炮展開了相關(guān)研究，部分機(jī)構(gòu)還進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，獲取了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在國(guó)外，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，NRL）［11］在N00173- 02- C- 2012項(xiàng)目的支持下，以設(shè)計(jì)低電流高效率的軌道炮為目標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室中建立了炮長(zhǎng)820 mm，口徑40 mm的小型平面式增強(qiáng)型軌道炮試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。試驗(yàn)成功地將130～400 g的發(fā)射組件，加速到50～250 m／s的速度。試驗(yàn)結(jié)果很好地符合理論預(yù)測(cè)，并與常規(guī)軌道炮的發(fā)射參數(shù)進(jìn)行了比較分析，證明串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮相對(duì)于常規(guī)軌道炮能夠降低電流要求且提升發(fā)射效能。

法德圣路易斯研究所（French-German Research Institute Saint Louis’s，ISL）［12］在實(shí)驗(yàn)室建立了15 mm×15 mm的方口徑平面式增強(qiáng)型電磁軌道炮，如圖5所示，比較特別的是該軌道炮使用的電樞為電刷式電樞，如圖6所示。在使用雙電刷電樞進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的出口速度達(dá)到了1 120 m／s，且沒有發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象，相較于相同條件下常規(guī)軌道炮370 m／s的出口速度，提升效果十分明顯。

美國(guó)先進(jìn)技術(shù)研究院（Institute for Advanced Technology，IAT）［1314］也對(duì)串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮展開了深入的研究。在70多種不同幾何構(gòu)造的軌道配置中，IAT選擇層疊式四軌道為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，研制了40 mm方口徑與120 mm圓口徑兩門串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮，如圖7所示，用以研究增強(qiáng)型軌道炮在發(fā)射大質(zhì)量彈丸方面的能力，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道兩門軌道炮的電感梯度達(dá)到了1.8μH／m。在發(fā)射試驗(yàn)中，兩門軌道炮分別將質(zhì)量為1.8 kg與17 kg的彈丸加速到400 m／s以及500 m／s的速度，試驗(yàn)結(jié)果超過(guò)了研究人員的預(yù)期，證明了串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮在發(fā)射大質(zhì)量彈丸方面的具有一定的潛能。

鑒于串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、華中科技大學(xué)、鄭州機(jī)電工程研究所、中國(guó)科學(xué)院電氣工程研究所與北京特種機(jī)電研究所等均展開了相關(guān)研究。

武漢大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院［15-16］在實(shí)驗(yàn)室中建立了平面式增強(qiáng)型軌道炮與層疊式增強(qiáng)型軌道炮的試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8所示，并利用理論推導(dǎo)和有限元分析的方法，對(duì)兩種增強(qiáng)型軌道炮的電感梯度、電流密度分布以及發(fā)射過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出了層疊式在性能上優(yōu)于平面式的結(jié)論，并通過(guò)發(fā)射試驗(yàn)證明了層疊式增強(qiáng)型軌道炮在發(fā)射性能上優(yōu)于平面式。

鄭州機(jī)電工程研究所［10，17］針對(duì)大口徑串聯(lián)層疊式軌道發(fā)射技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為長(zhǎng)4.5 m，口徑140×120 mm，20層軌道的M1型與長(zhǎng)7 m，口徑400×370 mm，30層軌道的M2型兩套發(fā)射裝置，如圖9所示。并分別將質(zhì)量為5 kg和300 kg的彈丸加速到35 m／s的速度。雖然載荷的出口速度不高，但值得關(guān)注的是兩套發(fā)射裝置的驅(qū)動(dòng)電流僅為2.5 k A與9 k A。他們的研究成果表明了串聯(lián)增強(qiáng)型軌道發(fā)射技術(shù)能夠利用較低的電流發(fā)射大質(zhì)量的彈丸。

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，推動(dòng)傳統(tǒng)媒體和新興媒體融合發(fā)展，要遵循新聞傳播規(guī)律和新興媒體發(fā)展規(guī)律，強(qiáng)化互聯(lián)網(wǎng)思維，堅(jiān)持傳統(tǒng)媒體和新興媒體優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、一體發(fā)展?！傲哌M(jìn)”系列主題宣傳活動(dòng)收到了良好效果，得益于抓住重點(diǎn)、突出亮點(diǎn)、關(guān)注熱點(diǎn)和找準(zhǔn)結(jié)合點(diǎn)，得益于用群眾感興趣的手段和方法，得益于用活了現(xiàn)有資源和日益發(fā)展完善的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段。同時(shí)與精心設(shè)計(jì)的傳播方式、傳播內(nèi)容和傳播策略也是分不開的，這些對(duì)如何開展好基層宣傳工作具有重要的借鑒意義。

中科院電氣工程研究所和北京特種機(jī)電研究所［18］研制的串聯(lián)層疊式增強(qiáng)型軌道炮如圖10所示，炮長(zhǎng)1 m，軌道為兩層設(shè)計(jì)，每層軌道內(nèi)徑尺寸為30 mm×60 mm，電感梯度1.3μH／m。

同時(shí)，為保證電樞與軌道的有效接觸，研究人員設(shè)計(jì)了一種如圖11所示的氣墊電樞，可通過(guò)充氣將接觸壓強(qiáng)提升到5 MPa。該增強(qiáng)型軌道炮在發(fā)射試驗(yàn)中成功地將質(zhì)量為534 g的電樞加速到290 m／s且沒有轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。

3.2 串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮發(fā)展方向

雖然串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮有著良好的性能，但也存在著一些因素限制其進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1）軌道、電樞結(jié)構(gòu)復(fù)雜。串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的多匝軌道需要通過(guò)電流跨接裝置進(jìn)行連接，軌道對(duì)數(shù)越多跨接裝置越復(fù)雜，軌道通入脈沖大電流產(chǎn)生強(qiáng)大的互斥力，易對(duì)跨接裝置造成變形等。在電樞方面，平面式增強(qiáng)型軌道炮電樞與常規(guī)軌道炮電樞并無(wú)區(qū)別，但層疊式增強(qiáng)型軌道炮電樞之間需要使用絕緣材料進(jìn)行隔絕，軌道對(duì)數(shù)越多電樞與軌道失接觸的概率越大。

2）通流能力不高。導(dǎo)體中通過(guò)脈沖電流或者交變電流時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體表面部分，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于電流的趨膚效應(yīng)，軌道表面電流密度遠(yuǎn)大于內(nèi)部電流密度。仿真結(jié)果表明在同樣大小的驅(qū)動(dòng)電流下，相較于常規(guī)軌道炮，串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮軌道內(nèi)部電流分布更不均勻，軌道表面最大電流密度值更大［19］，軌道與電樞的溫升更高，因電樞融化失接觸的概率更大，通流能力較低。

根據(jù)串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的目前的發(fā)展現(xiàn)狀與限制因素，可推出以下兩點(diǎn)發(fā)展方向。

1）軌道、電樞的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)合理的軌道跨接裝置，并做好封裝，減小互斥力對(duì)跨接裝置的影響；對(duì)軌道-電樞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，選取電流分布特性更均勻的結(jié)構(gòu)形式，提升軌道的通流能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮作為常規(guī)軌道炮的一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)形式，無(wú)論是在理論分析方面還是試驗(yàn)驗(yàn)證方面都被證實(shí)能有效地提升軌道炮的性能，降低脈沖電源的要求，延長(zhǎng)軌道的使用壽命，具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛能。然而相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與較低的通流能力限制著其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用，特別是在側(cè)重可靠性與穩(wěn)定性的工程實(shí)踐領(lǐng)域，這也是現(xiàn)階段大部分研究在試驗(yàn)室開展的原因之一。因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等方面展開進(jìn)一步的研究，解決更大推力與通流能力之間的矛盾，推動(dòng)增強(qiáng)型軌道炮從實(shí)驗(yàn)室走向戰(zhàn)場(chǎng)。

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Technical Characteristics and Development Status of Series-connected Augmented Railgun

WAN Min1，WANG Zhiheng1，LI Xiaojiang2

（1.Department of Graduate Management，Equipment Academy，Beijing 101416，China；2.Department of Space Equipment，Equipment Academy，Beijing 101416，China）

Series-connected augmented railgun is one of the important development directions of railgun with the advantages of faster muzzle velocity，higher energy efficiency，lower pulse power requirement and longer rail lifetime.An introduction is made of the basic principle and technical bottlenecks of the electromagnetic railgun.An elaboration is made of the principles of the two main kinds of series-connected augmented railgun.An analysis is made of its technical characteristics from inductance gradient，muzzle velocity，energy efficiency，power requirements and orbital lifetime.A summary is made of the research progress and status of domestic and foreign research institutions.And a description is made of the development restriction factor and the future development direction of the series-connected augmented railgun.

electromagnetic railgun；series-connected augmented；rail structure；inductance gradient

TJ303

A

1673-6524（2015）03-0091-06

2014- 09- 10；

2015- 03- 04

萬(wàn)敏（1988－），男，碩士研究生，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)研究。E-mail：wanmin08006328＠foxmail.com