馬偉明 魯軍勇

電磁發(fā)射技術的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

馬偉明 魯軍勇

（電磁能技術全國重點實驗室（海軍工程大學） 武漢 430033）

該文介紹了電磁發(fā)射的技術特點和技術分支，歸納了電磁發(fā)射系統(tǒng)包含的脈沖儲能、脈沖電能變換、脈沖直線電機、檢測與控制、高速高過載制導五項共性技術，綜述了電磁發(fā)射在軍事平臺和武器領域、民用及航天領域的發(fā)展現(xiàn)狀及應用情況，指出了目前面臨的挑戰(zhàn)及對策，提出了電力電子系統(tǒng)無纜化、高性能材料復合化、全系統(tǒng)感知控制智能化的發(fā)展趨勢，旨在為電磁發(fā)射技術的后續(xù)研究提供參考。

電磁發(fā)射 電磁彈射 軌道炮 線圈炮 無纜化 智能感知

0 引言

發(fā)射是人類最原始的社會活動之一，目的是獲得發(fā)射體的末端動能。從發(fā)射能量來源的角度，目前為止人類社會經(jīng)歷了機械能發(fā)射、化學能發(fā)射和電磁（復合）能發(fā)射三個階段。電磁發(fā)射（Electromagnetic Launch, EML）是指包含電磁能的發(fā)射方式，它的出現(xiàn)是電氣化集成與電能變革的必然結(jié)果。

電磁發(fā)射可以突破傳統(tǒng)發(fā)射方式的能量和速度極限，是一種新型發(fā)射方式[1-5]。它具有發(fā)射動能高、系統(tǒng)效率高、發(fā)射頻次高、啟動時間快、持續(xù)發(fā)射能力強和負載可調(diào)節(jié)性強等顯著優(yōu)勢，必將成為替代傳統(tǒng)機械能發(fā)射和化學能發(fā)射的新型發(fā)射技術。

電磁發(fā)射技術以電能為基本的組織形態(tài)，以信息流來實現(xiàn)對能量流的精準控制，涉及電氣、材料、信息、控制等多個學科和領域的深度交叉融合[1]。近年來，隨著綜合電力技術、新型復合材料、高壓大功率開關和人工智能的快速發(fā)展，電磁發(fā)射技術掀起新一輪的研究熱潮，在軍事民用領域均有顛覆現(xiàn)有格局的重大意義。海軍工程大學于2017年首次設立電磁發(fā)射工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)從事電磁發(fā)射裝備技術設計、生產(chǎn)監(jiān)造、全壽命周期運維管理的人才，這標志著電磁能裝備真正從理論研制階段邁向工程實用階段。

本文總結(jié)近20年來在電磁發(fā)射領域的研究成果，歸納了電磁發(fā)射的五項共性技術，綜述了其研究現(xiàn)狀及應用進展，指出了目前面臨的挑戰(zhàn)及對策，展望了未來的發(fā)展趨勢和前景，旨在為電磁發(fā)射技術的后續(xù)研究提供參考。

1 電磁發(fā)射技術概述

1.1 原理

電磁發(fā)射技術是一種將電磁能直接變換為發(fā)射負載所需瞬時動能的能量變換技術。電磁發(fā)射系統(tǒng)由脈沖儲能系統(tǒng)、脈沖電能變換系統(tǒng)、脈沖直線電機和控制系統(tǒng)四個部分組成，如圖1所示。發(fā)射前通過脈沖儲能系統(tǒng)將能量在較長時間內(nèi)蓄積起來，發(fā)射時通過脈沖電能變換系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出瞬時超大功率電能給脈沖直線電機，產(chǎn)生電磁力推動負載至發(fā)射速度，控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息流對能量流的精準控制。

圖1 電磁發(fā)射系統(tǒng)的組成

1.2 特點

與其他發(fā)射方式相比，電磁發(fā)射技術具有“更高、更快、更強”三種典型特征[4]。

1）更高：首先指的是發(fā)射速度高，可超越化學能發(fā)射的速度極限，速度從每秒幾十米到數(shù)十千米，傳統(tǒng)火藥僅1 km/s左右；其次是發(fā)射效率可高達50%，而傳統(tǒng)發(fā)射方式如蒸汽彈射發(fā)射效率僅有4%～6%；有效載荷比大，推動負載的動子一般為鋁制結(jié)構，如電磁彈射的動子采用鋁板，電磁軌道發(fā)射的電樞采用鋁塊，電磁線圈發(fā)射采鋁環(huán)等，圖2為電磁發(fā)射的載荷。

圖2 電磁發(fā)射的載荷

2）更快：首先指的是啟動時間短，從冷態(tài)到發(fā)射僅需幾分鐘；其次是發(fā)射間隔短，可以在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)重復發(fā)射。此外，對輔助配套設施要求低，通過脈沖儲能系統(tǒng)可在十幾分鐘內(nèi)蓄積數(shù)十發(fā)的發(fā)射能量，大大削減了對電網(wǎng)的功率需求。圖3為非周期循環(huán)脈沖工作模式。

圖3 非周期循環(huán)脈沖工作模式

3）更強：首先指的是發(fā)射動能大，電磁炮可達數(shù)十兆焦，電磁彈射可達百兆焦，航天推射可達數(shù)十千兆焦；其次發(fā)射負載可變，可靈活調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)不同載荷發(fā)射；最后，持續(xù)作戰(zhàn)能力強，可靠性高，可維護性好，維護操作人員少。圖4為電磁彈射與其他彈射能級對比示意圖。

圖4 電磁彈射與其他彈射能級對比示意圖

1.3 分類

按照結(jié)構形式和作用原理不同，電磁發(fā)射技術可分為[4]：

1）電機式電磁發(fā)射技術，指發(fā)射裝置為傳統(tǒng)交流直線電機的電磁發(fā)射技術，如電磁彈射、電磁阻攔、武器載荷通用電磁發(fā)射等，如圖5所示。

圖5 電機式電磁發(fā)射技術

2）軌道式電磁發(fā)射技術，指依靠直線導軌進行接觸式饋電的電磁發(fā)射技術，如電磁軌道炮、電磁槍等，如圖6所示。

圖6 軌道式電磁發(fā)射技術

3）線圈式電磁發(fā)射技術，指通過高壓電容器對驅(qū)動線圈逐級放電產(chǎn)生脈沖電磁行波，驅(qū)動彈丸進行電磁懸浮發(fā)射的技術，如電磁線圈炮、電磁重接炮等，如圖7所示。

圖7 線圈式電磁發(fā)射技術

按照推進能量不同，可以分為純電磁能發(fā)射和電磁能復合化學能發(fā)射。一般純電磁能發(fā)射的電磁推進能級大，末速度高，比如電磁彈射和電磁軌道炮，能級分別達到了100 MJ和32 MJ。電磁能復合化學能發(fā)射一般電磁推進部分提供的能量較小，初始速度低，比如導彈電磁助推等，一般能級在幾兆焦左右。

按照發(fā)射長度和末速度不同，電磁發(fā)射技術可分為電磁軌道發(fā)射技術（距離十米級、速度每秒千米級）、電磁彈射技術（距離百米級、速度每秒百米級）、電磁推射技術（距離千米級、速度十千米級），如圖8所示。

圖8 電磁發(fā)射技術分類

2 電磁發(fā)射的共性技術

電磁發(fā)射系統(tǒng)為跨學科復雜大系統(tǒng)工程，技術復雜、指標要求高，面臨諸多瓶頸技術難題。不同的電磁發(fā)射類型涉及的具體關鍵技術有一定差別，但總的來說可概括為脈沖儲能技術、脈沖電能變換技術、脈沖直線電機技術、檢測與控制技術和高速高過載制導技術五項共性技術。

2.1 脈沖儲能技術

儲能是電磁發(fā)射系統(tǒng)的能量源泉，占據(jù)了全系統(tǒng)的大部分體積和重量，是制約電磁發(fā)射工程化及集成小型化設計的關鍵。目前，幾種典型的應用于電磁發(fā)射領域的儲能技術有電機儲能、脈沖電容器儲能、超級電容器儲能、磁場儲能和鋰電池儲能，如圖9所示。其中壽命最長的是電機儲能，能量密度最大的是鋰電池儲能，功率密度最大的是脈沖電容儲能。本文重點討論電機儲能、鋰電池儲能和脈沖電容器儲能三種技術。

圖9 能量密度與功率密度分布示意圖

2.1.1 電機儲能

電機儲能技術通過電動機加速電機轉(zhuǎn)子或飛輪盤，從電網(wǎng)吸取電能轉(zhuǎn)換成機械能存儲起來，放電時通過發(fā)電機將大容量機械能轉(zhuǎn)換成電能釋放給負載。一般由儲能電機、拖動變流器和輸出變流器等組成，具有技術成熟度高、釋能范圍寬、能量轉(zhuǎn)換效率高和壽命長的顯著優(yōu)點[6-7]。

現(xiàn)有的飛輪儲能技術主要有兩大子類。第一類是以傳統(tǒng)滾動和滑動軸承為代表的大容量中速飛輪儲能技術，其主要特點是單機儲存動能和釋放功率大，一般用于短時大功率放電和電力調(diào)峰場合；第二類是以磁懸浮軸承為代表的高速飛輪儲能技術，其主要特點是結(jié)構緊湊、長時工作效率更高[8-11]。涉及的主要關鍵技術有：適配飛輪儲能的電動/發(fā)電機分析設計技術、大慣量飛輪設計分析及制造成型技術、飛輪儲能轉(zhuǎn)子軸系支撐及動力學分析技術、機械能與電能間的輸入輸出轉(zhuǎn)換及控制技術、飛輪本體與電機集成化設計技術。

美國“福特”號航母的電磁彈射系統(tǒng)采用了飛輪儲能，它可在2 s內(nèi)提供200 MJ的瞬時能量而不對航母的電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。日本原子能研究所的核聚變試驗裝置采用了容量為215 MV·A的慣性儲能元件，可在30 s內(nèi)提供峰值為160 MW的電能。2022年4月份，由湖北東湖實驗室參與的青島地鐵3號線10 MJ飛輪儲能項目順利并網(wǎng)運行，采用了具有完全自主知識產(chǎn)權的磁懸浮飛輪技術。目前，磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)的功率等級已經(jīng)從原來的中小功率逐漸向大功率的方向發(fā)展，高速化和大功率是目前飛輪儲能的重點發(fā)展方向之一。

2.1.2 鋰電池儲能

鋰離子電池通過鋰離子在電池正負電極之間往返嵌入和脫嵌，實現(xiàn)能量存儲和傳遞，具有儲能密度高、功率性能好、循環(huán)壽命長等特點[12-13]。應用于電磁發(fā)射的鋰電池除了需要滿足熱安全性、使用壽命、電壓平臺、輸出阻抗等方面的苛刻條件外，還要盡可能地提升放電倍率至50以上。普通的功率型電池工作在電磁發(fā)射的極端工況下，往往會造成一系列問題，如電壓平臺過低、發(fā)熱嚴重、壽命快速衰減等，還存在潛在的熱失控與燃燒風險[14]。因此，必須合理進行結(jié)構、材料與工藝匹配設計，以滿足功率密度、儲能密度、壽命與安全性指標的需求[15]。根據(jù)電磁發(fā)射系統(tǒng)短時功率需求大和長時能量需求高的雙重要求，基本儲能單元需要兼顧能量密度和功率密度，高倍率鋰電池是目前實現(xiàn)這一目標的最佳技術路線之一。涉及的關鍵技術有：電芯材料、結(jié)構、工藝的綜合協(xié)同優(yōu)化技術，高倍率鋰電池充放電特性與老化機理研究，高倍率鋰電池儲能系統(tǒng)安全管理技術等[16]。

考慮到大規(guī)模鋰電池應用的安全性，海軍工程大學開展了從大倍率鉛酸電池到超大倍率磷酸鐵鋰電池的開發(fā)路線，實現(xiàn)了從6到50的跨越，并成功開發(fā)出75、脈沖放電壽命30 000次的磷酸鐵鋰電池，儲能密度達到80 W·h/kg。美國后續(xù)采用了類似技術路線，2014年7月2日，美國海軍授予K2 energy公司8 140萬美金合同，進行艦載電磁軌道炮的蓄電池儲能系統(tǒng)初級能源研發(fā)；2016年4月20日，美海軍水面作戰(zhàn)中心達爾格倫分部宣布，授予電池設計制造商saft美國有限公司一項合同，為電磁軌道武器開發(fā)能量儲存模塊[17]。

2.1.3 脈沖電容器儲能

脈沖電容器基于靜電原理實現(xiàn)能量的存儲與釋放，具有工作電壓高、輸出電流大、充放電時間快、配置靈活等優(yōu)點，同時具有大范圍能量和頻率輸出特性一致性好的特點，被廣泛用作電磁發(fā)射的儲能元件。目前，美國GA公司生產(chǎn)的2.0 MJ/m3儲能密度的電容器的壽命達到1萬次，2.4 MJ/m3儲能密度的電容器的壽命達到5 000次；而國內(nèi)脈沖電容器在儲能密度和壽命指標上與國外差距較大，在同樣儲能密度下的壽命僅為其一半。為此，由海軍工程大學牽頭的國家自然科學基金委重大計劃《極端條件電磁能裝備科學基礎》專門設置了電容器儲能電介質(zhì)的研究內(nèi)容，旨在將電容器的儲能密度提升至4 MJ/m3，壽命達到10 000次。

當前新型儲能電介質(zhì)材料研發(fā)的難點在于介電常數(shù)與擊穿場強高且難以協(xié)同提升，單純提高介電常數(shù)往往導致介質(zhì)損耗的增加和放電效率的降低，此外部分材料雖然擊穿場強高且優(yōu)勢顯著，但機械加工性能較差，難以批量生產(chǎn)。用于電磁發(fā)射的脈沖電容器工作于大電流、高電場強度、高頻率和極短時間等極端工況，其壽命和儲能密度提升相互矛盾。針對該問題，國內(nèi)外在基于現(xiàn)有雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene, BOPP）薄膜表面改性、耐高溫薄膜材料、新型材料體系等方面開展了研究，在實驗室測試中取得了較好的成果，但是離工程化應用需要的高儲能密度和長壽命還有較大差距。

2.2 脈沖電能變換技術

脈沖電能變換技術分為兩種類型：一種是以直線電機為供電和控制對象的電能變換技術，主要采用以IGBT為核心器件的脈沖工作式超大容量變頻裝置和脈沖交流調(diào)制策略；另一種是以直線接觸導電軌道和分段線圈為供電對象的脈沖功率調(diào)節(jié)技術，主要采用以晶閘管為核心器件的脈沖成形網(wǎng)絡（Pulsed Formatting Net, PFN）拓撲和脈沖直流時序調(diào)制策略。

2.2.1 脈沖交流調(diào)制

超大功率儲能裝置（飛輪或高功率脈沖電源）瞬時釋放初級能量，為滿足直線電機在短距加速過程中需要的瞬時大電流，需通過中高壓大容量電力電子變換技術將儲能輸出的直流電調(diào)制成頻率和幅值協(xié)調(diào)變換的交流電，從而實現(xiàn)直線電機加速所需的瞬時功率。受制于大功率IGBT器件的容量等級的現(xiàn)狀，為了提高電能變換的功率等級，需采用器件串并聯(lián)、多電平拓撲組合和裝置級的集成。這其中采用標準化的功率單元模塊是提供系統(tǒng)的集成化水平和可靠性的關鍵。

二極管鉗位三電平（Neutral Point Clamped, NPC）作為廣泛應用的拓撲結(jié)構，成為標準化模塊的首選。三電平單相逆變器的拓撲電路如圖10所示。通過對模塊中功率開關的串并聯(lián)組合實現(xiàn)高壓大電流輸出，從而滿足電能變換裝置MW級的功率輸出需求。為了減小器件并聯(lián)數(shù)量降低系統(tǒng)的復雜度，與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行變頻裝置相比，需要進行器件的盡限使用，研究器件在非周期瞬態(tài)工況下的能力邊界和可靠性；同時針對多電平拓撲的電容電壓均衡控制和并聯(lián)裝置的環(huán)流抑制等技術問題進行研究，提出優(yōu)化的脈寬調(diào)制策略；采用大功率電子開關實現(xiàn)對直線電機的無損分段切換供電，滿足電能的分段接力式傳輸。

圖10 三電平單相逆變器的拓撲電路

海軍工程大學提出了基于盡限應用思想的直流可控并聯(lián)、多相混合多電平逆變、分布式切換供電的脈沖大功率電能變換系統(tǒng)方案，解決了電磁彈射系統(tǒng)能量源共享、多具彈射器相互隔離和超大功率長初級直線電機供電的難題，成功研制出數(shù)百MV·A級電能變換系統(tǒng)，具有高功率密度、高可靠性的特點。

2.2.2 脈沖直流調(diào)制

脈沖直流調(diào)制主要用于由脈沖電容供電的場合，例如電磁軌道炮和電磁線圈炮的控制。高功率脈沖電源直接對感性負載放電，產(chǎn)生的直流磁場和流經(jīng)電樞（次級感生）的電流相互作用產(chǎn)生安培力。目前關于脈沖直流調(diào)制的方法多為開環(huán)控制，最為普遍的方法是脈沖成形網(wǎng)絡控制，用于調(diào)節(jié)輸出電流波形，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的高效轉(zhuǎn)換。其關鍵技術包括緊湊型脈沖電流調(diào)波、高壓大電流瞬時脈沖開關、脈沖成形網(wǎng)絡控制、脈沖成形保護等技術。

目前工程上能夠?qū)崿F(xiàn)大功率脈沖輸出的PFN方案是以金屬薄膜電容儲能、晶閘管/二極管構成開關組件的脈沖單元（Pulsed Formatting Unit, PFU），多個PFU組網(wǎng)輸出脈沖大電流[18]。圖11是兩種典型的PFU拓撲[19]，按照晶閘管在電路中的位置可劃分為內(nèi)置型和外置型兩種類型。兩種類型的拓撲結(jié)構相比較，內(nèi)置型晶閘管只參與放電階段，不參與續(xù)流階段，熱負荷小，但是其承受的端電壓變化率大，且存在電容器殘壓無法完全釋放的問題；外置型晶閘管熱負荷大，但動態(tài)特性好，可實現(xiàn)能量完全釋放。

圖11 兩種典型的PFU拓撲

很多國家對脈沖功率電源做了大量研究，其中，中美兩國對器件技術的基礎研究和PFU綜合集成技術居世界領先水平。美國海軍在達爾格倫水面作戰(zhàn)武器中心裝備的脈沖電源儲能規(guī)模達到100 MJ，這套電源為電磁發(fā)射裝置提供能量，峰值電流可達5 MA。英國國防部為90 mm口徑電磁軌道炮建造32 MJ電容儲能脈沖電源系統(tǒng)，可輸出3.6 MA電流，系統(tǒng)由29個可獨立觸發(fā)、儲能1.1 MJ的模塊組成。德國國防部2003年在萊茵金屬試驗場為電磁發(fā)射研究組建了30 MJ電容儲能電源系統(tǒng)，由24個1.28 MJ電容儲能單元組成。俄羅斯為電磁發(fā)射研究研制了兩套電容儲能脈沖電源系統(tǒng)，總儲能9 MJ，由96個94 kJ儲能模塊組成。海軍工程大學研制成功單體儲能數(shù)百千焦的脈沖儲能模塊，可進行“搭積木”式的組合，總儲能可達數(shù)百兆焦。

2.3 脈沖直線電機技術

直線電機是電磁發(fā)射系統(tǒng)的核心執(zhí)行機構，其結(jié)構上由發(fā)射裝置和發(fā)射體構成，發(fā)射裝置對應直線電機的定子，發(fā)射體對應直線電機的動子。其中，發(fā)射裝置為電磁發(fā)射提供驅(qū)動磁場和加速通道。本文重點介紹大推力直線電機、電磁軌道發(fā)射器和電磁線圈發(fā)射器三種典型電機。

2.3.1 大推力直線電機

大推力直線電機初級繞組可承受數(shù)萬安培大電流，并產(chǎn)生行波磁場。次級產(chǎn)生的感應渦流或永磁磁動勢與行波磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，從而驅(qū)動負載加速到一定末速度。按照初級外形結(jié)構，可設計成圓筒型、扁平型、平面型等不同結(jié)構[20]；按照實際運動部件，又可以分為動次級和動初級結(jié)構，其中動次級的初級繞組一般采用多段初級分段供電形式。多段初級分段供電電機具有動子結(jié)構簡單可靠、動子質(zhì)量輕等優(yōu)勢，但功率因數(shù)及能量效率較動初級電機低，且要配置段開關、電纜匯流排等，整體體積、質(zhì)量大。而對于動初級電機，高速運行的初級繞組需通過電刷或者移動電纜大電流供電，可靠性及環(huán)境適應性較低[21-22]。涉及的關鍵技術主要包括大推力直線電機設計技術、長行程直線電機串聯(lián)分段供電與開斷技術、多物理場強耦合建模技術、強邊端效應和強飽和下電機精確建模技術、結(jié)構集成化設計技術、連續(xù)發(fā)射下電機冷卻技術、發(fā)射動力學技術等。

從20世紀90年代開始，國外一些知名大學開展了多種形式的電磁發(fā)射用直線電動機的論證和設計工作。例如美國南卡羅萊納大學設計的永磁直線電動機彈射系統(tǒng)[23]，電機次級長3 m，極距為150 mm，采用20塊NdFeB永磁體組成，次級自重1 480 kg，產(chǎn)生推力為1.29 MN。國內(nèi)清華大學提出了一種變極距直線感應電機，直接采用通用交流電源作為彈射電機的饋電電源，避免使用大規(guī)模的功率變換器環(huán)節(jié)[24]。

根據(jù)不同應用場景，海軍工程大學研制出不同功率等級的分段供電長初級直線感應電機、動初級直線感應電機、動次級永磁同步直線電機等不同類型樣機。

2.3.2 電磁軌道發(fā)射器

電磁軌道發(fā)射器是極其特殊的直線直流電機，沒有電刷結(jié)構，只有一對磁極，勵磁繞組和電樞繞組均為特殊的單匝形式，本質(zhì)上是單極直線脈沖直流電機。電磁軌道發(fā)射器在幾毫秒的工作過程中承載了數(shù)MA級大電流，電流密度高達1010A/mm2，由此產(chǎn)生了極端的電磁熱力強耦合強沖擊條件，由于樞軌之間還存在相對速度達數(shù)km/s的滑動電接觸，給導軌、電樞及其界面性能設計帶來重大挑戰(zhàn)。涉及的關鍵技術有極端條件導軌材料和電樞材料技術、電磁熱力多物理場建模技術、樞軌高速載流匹配技術、導軌快速冷卻技術、大尺寸低模量耐高溫絕緣體技術、內(nèi)彈道發(fā)射動力學技術、炮口引弧/消弧技術等。

從導軌形式上講，發(fā)射裝置可分為平面型、凸面型、凹面型三種形式[25]，如圖12所示。分析表明：與平面型及凹面型導軌相比，凸面型導軌下的樞軌匹配性更好，電樞過盈量產(chǎn)生的接觸壓強更加均勻[26-28]。

圖12 不同的導軌截面結(jié)構

從導軌的布局上講，發(fā)射裝置可分為單匝導軌及多匝增強型導軌兩種。多匝增強型發(fā)射器可分為并聯(lián)增強型、串聯(lián)增強型和外場增強型三種結(jié)構[5]。

部分學者提出了部分增強型電磁軌道發(fā)射器結(jié)構、自旋電樞電磁軌道發(fā)射器結(jié)構[29]、四極電磁軌道發(fā)射器結(jié)構[30]、復合軌電磁發(fā)射器等新結(jié)構[31]，并對其性能進行了初步探討，對電磁軌道發(fā)射器的結(jié)構設計進行了探索[32-33]。

2.3.3 電磁線圈發(fā)射器

電磁線圈發(fā)射器是特殊的圓筒型直線感應電機，取消了鐵心和繞組槽結(jié)構以削弱磁飽和及齒諧波，從而提高能效，采用高壓電容器驅(qū)動而不是多相交流電以盡可能地提升單位長度的出力?，F(xiàn)階段，需要解決多級線圈高推力設計技術、驅(qū)動線圈快速冷卻技術、多級線圈觸發(fā)控制技術，以及驅(qū)動線圈使用壽命和可靠性等關鍵技術。

為突破適用于高初速發(fā)射的電磁線圈發(fā)射器的關鍵技術，美國桑迪亞國家實驗室研制了50 mm口徑線圈炮的驅(qū)動線圈，外圍的加固體采用凱夫拉/環(huán)氧復合材料制成，兩端的側(cè)板采用G-10絕緣材料，主要用于驗證將質(zhì)量200～400 g的彈丸加速到3 km/s的可行性[34]。為了解決驅(qū)動線圈溫升問題，桑迪亞國家實驗室為120 mm口徑的電磁線圈迫擊炮試驗裝置研制的驅(qū)動線圈，將質(zhì)量為18 kg的彈丸加速到420 m/s，制冷管道內(nèi)通入制冷劑，以傳導快速連續(xù)發(fā)射時產(chǎn)生的熱量[35]。為對多級觸發(fā)控制技術進行研究，提高發(fā)射效率，國內(nèi)西北機電工程研究所與華中科技大學合作，研制了口徑為120 mm、長度為2.5 m的電磁線圈發(fā)射裝置。該裝置由15級驅(qū)動線圈組成，每級驅(qū)動線圈采用獨立的脈沖電容器組饋電，為匹配彈丸速度與脈沖電流上升時間，脈沖電源的電容從8 mF減小到1 mF，放電電壓范圍為5～20 kV[36]。

為了探索電磁線圈發(fā)射裝置在發(fā)射微小衛(wèi)星上的可行性，海軍工程大學研制出多級電磁線圈發(fā)射裝置原理樣機，在1.2 m內(nèi)實現(xiàn)0.5～1 kg、200 m/s的發(fā)射目標。

2.4 檢測與控制技術

電磁發(fā)射系統(tǒng)是一個高階、非線性、多變量的電、磁、固、熱多物理場耦合的復雜大系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)中各部件協(xié)調(diào)一致完成發(fā)射任務，需要通過信息流對能量流進行實時精準控制。檢測與控制技術發(fā)揮了頂層控制與決策的中樞大腦作用，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預測、冗余控制和保護，還能接入武器系統(tǒng)實現(xiàn)多平臺協(xié)同作戰(zhàn)及數(shù)據(jù)資源共享。

2.4.1 檢測技術

檢測技術包括先進傳感、健康診斷和巡檢維護技術，以保障電磁發(fā)射系統(tǒng)高可靠性。由于電磁發(fā)射系統(tǒng)電、磁、熱、力多物理場強耦合特性和短時重復脈沖工作原理，傳感技術面臨強磁場（＞5 T）干擾、高速（＞1 MHz）數(shù)據(jù)采集、多源異構傳感器時間統(tǒng)一等挑戰(zhàn)；健康診斷面臨極端多物理場作用下失效機理復雜難以精確建模、故障樣本少且嚴重偏置、故障模式多但診斷實時要求高（＜1 s）等挑戰(zhàn)；巡檢維護則面臨多類型復雜綜合狀態(tài)感知、可靠精準維護等挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，各國學者開展了眾多富有成效的研究，取得了喜人進展：突破了抗強電磁干擾和同步高速采樣傳感器及信息獲取技術，開發(fā)了大量新型傳感器系統(tǒng)，例如高速位置傳感器、磁探針陣列、光纖光柵測導軌應變傳感器等。結(jié)合人工智能技術發(fā)展了知識與數(shù)據(jù)相融合的故障診斷、多維時序智能預測的故障預測技術。隨著深度學習等智能化技術進步，當前正在開發(fā)集視覺、聲學、電磁學和熱力學多模態(tài)測量，以及自動定位、行進和維護操作于一體的智能運維系統(tǒng)，典型的有巡檢機器人，可逐步取代人工作業(yè)，實現(xiàn)更高效的身管狀態(tài)檢測和維護能力。

2.4.2 控制技術

電磁發(fā)射系統(tǒng)對控制技術的需求，按照功能層級可分為閉環(huán)實時控制、時序邏輯控制和協(xié)同指揮控制等方面。采用前饋與反饋結(jié)合、多閉環(huán)結(jié)合等控制方法，驅(qū)動各類電磁發(fā)射系統(tǒng)按預定的工況運行。對于有嚴格時序要求和安全互鎖的操作，建立時序邏輯模型，能夠?qū)Ω黝愓＜爱惓Ａ鞒滔逻_安全合理的操作指令。為保證多種電磁發(fā)射系統(tǒng)高效協(xié)同工作，研究綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務的角度實現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。

海軍工程大學提出了直線感應電機多目標約束下彈射軌跡精確控制方法[37-38]，建立了人在回路的發(fā)射作業(yè)流程及狀態(tài)機模型，研制出綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務的角度實現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。

2.5 高速高過載制導技術

隨著電磁發(fā)射技術從平臺拓展到發(fā)射對象，高速高過載制導技術成為新的研究領域。常規(guī)導彈一般過載較小，且導航器件體積較大，無法直接應用到電磁發(fā)射領域，而要進行小型化和抗高過載能力設計，涉及的關鍵技術包括長時高過載暫態(tài)沖擊過程的準確建模、器部件小型化耐沖擊設計、高過載組合導航和超高速制導控制等。

2.5.1 硬件設計層面

相對于傳統(tǒng)化學能發(fā)射，電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境更為復雜，呈現(xiàn)出多物理場強耦合、發(fā)射過載量級大（最大達到3.5萬G）以及過載持續(xù)時間長（10 ms）的新特點[39]。由于長時高過載沖擊激勵下的器件響應特性呈現(xiàn)明顯的非線性特性，抗過載防護材料特性難以精確表征且缺乏等效等價的地面驗證平臺[40]。當前國內(nèi)制導器件抗高過載研究主要集中于器件的短脈寬沖擊響應特性及失效機理，而長時高過載沖擊環(huán)境下的器件失效機理及防護措施研究相對較少[41]。

在硬件設計方面，為了提高導航器件在高過載下的存活能力，Draper（德雷珀）實驗室進行了抗高過載設計，電子元器件采用薄膜混合MCM-C工藝，再用金屬外殼封裝到印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上，殼體采用加固鋁框架結(jié)構，并選擇了具有抗干擾功能的選擇可用性反誘騙模塊（Selective Availability Anti Spoofing Module, SAASM）衛(wèi)星接收機以提高組合導航系統(tǒng)的抗干擾能力。

國內(nèi)前期主要開展組合導航系統(tǒng)在130 mm和155 mm火炮上的應用研究，技術路線是采用三個單軸加速度計和三個陀螺儀立體組裝方式集成慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU），基于雙天線衛(wèi)星導航設備開展抗高過載和超高速下抗干擾衛(wèi)導接收機的研制。海軍工程大學依據(jù)器件工作環(huán)境及可靠性提出了無纜化、綜合集成和功能復用的研制思路，將傳統(tǒng)的多型部件進行集成化設計，使得制導器件的線纜減少90%、器件抗高過載能力提升50%。

2.5.2 算法設計層面

電磁發(fā)射小型導航制導與控制系統(tǒng)需要滿足器件抗高過載和高精度打擊的需求，兩者之間關系存在矛盾[42-43]。例如，目前電磁炮使用的微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）慣組相比傳統(tǒng)導彈和高超飛行器使用的光纖慣組體積小2～3個數(shù)量級，抗高過載需求提高2個數(shù)量級以上，但精度差2～3個數(shù)量級，必須在軟件方面開展緊耦合/超緊耦合組合導航算法設計來彌補硬件不足。此外，受膛內(nèi)高過載、強擾動發(fā)射環(huán)境以及外彈道大空域?qū)捤儆蝻w行環(huán)境的影響，存在慣組空中對準、高旋穩(wěn)定控制和全包線高精度控制等技術難題[44]。

美國在MEMS-INS/GPS組合導航系統(tǒng)技術方面的研究一直處于世界領先地位，其中最具代表性的是Draper實驗室、Honeywell公司以及BAE公司，開展了系列化應用研制。在軟件設計方面，為了解決慣組膛內(nèi)不能上電導致出膛后彈體姿態(tài)丟失的問題，提出了基于衛(wèi)導信息的慣組初始對準算法，并采用組合導航算法對慣組誤差進行補償，提高末制導導航精度[45]。

在超高速制導控制技術方面，美國、中國等國家開展了高超音速飛行器、電磁發(fā)射超高速制導彈制導體制的設計，遠程高精度自適應制導算法研究以及自適應魯棒控制算法研究和工程實現(xiàn)。此外，開展了制導控制系統(tǒng)的一體化設計，提高了系統(tǒng)的集成化水平和魯棒性能。

3 電磁發(fā)射技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用

電磁發(fā)射技術是集電氣、材料、機械、力學、兵器、信息、控制等學科于一身的前沿技術，在軍事、民用及航天等領域都有著廣闊的應用前景，為人類如何利用能量提供了新的途徑。

3.1 軍事領域

由于其加速時間短、出口動能大及作戰(zhàn)靈活等顯著優(yōu)點，電磁發(fā)射武器獲得各國軍事裝備研究者的青睞，在未來武器系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃中已成為越來越重要的部分。自20世紀80年代起，多數(shù)國家一直致力于將其應用在艦艇平臺上，以期實現(xiàn)同一武器對中遠程多重（來自水面、水下和空中）威脅的體系作戰(zhàn)和防御。隨著綜合電力技術的應用，將全艦能量集中調(diào)度成為可能，為加速艦載電磁能武器的海上應用提供了能源支撐。根據(jù)電磁能裝備發(fā)揮的作用，從應用層面可以劃分為平臺技術和武器技術。

3.1.1 平臺技術

1）電磁彈射技術。美國經(jīng)過40年探索和試驗，裝備電磁彈射裝置的“福特”號航母于2017年正式服役，目前福特級航母的第四條“多里斯·米勒”號已經(jīng)開工建造。英國、俄羅斯和印度也在積極進行電磁彈射技術研究攻關，但都沒有實質(zhì)性進展。美國考慮將其電磁彈射技術出售給英國和印度。

海軍工程大學經(jīng)過十幾年的艱苦攻關，攻克了電磁彈射系統(tǒng)的全部關鍵技術，取得了一系列重大技術創(chuàng)新和突破。2022年6月17日，我國完全自主設計建造的第一艘彈射型航空母艦“福建艦”下水命名，配置了先進的電磁彈射和阻攔裝置。

2）電磁阻攔技術。傳統(tǒng)液壓阻攔能力已達物理極限，無法滿足高速重型艦載機阻攔需求；采用開環(huán)調(diào)節(jié)，峰值載荷大，導致阻攔索壽命短，且不能保障輕型艦載無人機著艦，嚴重制約航母戰(zhàn)斗力。電磁阻攔技術通過精確控制電磁力將高速運載器的動能吸收轉(zhuǎn)換成電能、實現(xiàn)高速運載器的短距離安全攔停[46-52]。電磁阻攔通常由緩沖傳動、阻攔電機、能量轉(zhuǎn)換、控制維護四部分構成。與液壓阻攔技術、渦輪電力阻攔技術相比，具有阻攔能力范圍大、阻攔峰值過載小、偏心偏航阻攔適應性強、系統(tǒng)可靠性高、操作維護簡便、工作準備時間短、響應速度快等顯著優(yōu)點。涉及的主要關鍵技術有：電磁阻攔系統(tǒng)頂層設計技術、全系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真分析技術、適配電磁阻攔的緩沖器阻尼特性匹配性設計技術、低慣性大轉(zhuǎn)矩阻攔電機設計分析技術、高精度電磁轉(zhuǎn)矩控制技術、高可靠性寬適應的阻攔動態(tài)控制技術、多能量鏈冗余設計與實時協(xié)同控制技術。

3）武器載荷通用電磁發(fā)射技術。武器載荷通用電磁發(fā)射技術是一種利用電磁能為武器載荷提供初始動能的發(fā)射技術，在提高發(fā)射隱蔽性、武器射程和平臺載彈量、降低使用維護成本等方面具有顯著優(yōu)勢，能大幅提升武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，引領武器發(fā)射技術變革[54-55]。21世紀初，美軍面向CG(X)巡洋艦，提出了電磁發(fā)射技術研發(fā)需求，桑迪亞國家實驗室和洛馬公司合作開發(fā)出電磁導彈助推器（Electromagnetic Missle Launch, EMML）系統(tǒng)。其設計目標是將1 633 kg“戰(zhàn)斧”導彈通過電磁力提供40 m/s初速。2011年該項目進行了發(fā)射試驗，但之后CG(X)巡洋艦由于“技術過于超前、技術要求過高、開支過高”等原因?qū)е马椖坑媱澱浇K結(jié)，EMML研發(fā)也隨即停止。海軍工程大學提出了一種基于直線電機驅(qū)動和自動轉(zhuǎn)載裝填的武器載荷通用電磁發(fā)射技術，實現(xiàn)了各型武器的通用發(fā)射，提高了武器平臺綜合作戰(zhàn)能力。該技術以脈沖能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換（直驅(qū)/間驅(qū)、旋轉(zhuǎn)/直線、動初級/動次級、永磁/感應）與控制為基礎，以自動化轉(zhuǎn)載裝填為特征，目前已攻克了車載、艦載、水下等多型作戰(zhàn)平臺武器載荷通用電磁發(fā)射系統(tǒng)所有關鍵技術，主要包括系統(tǒng)總體設計、大推力高功率密度發(fā)射電機設計與制造、重載高速轉(zhuǎn)載裝填機構優(yōu)化設計與高精度控制技術、水下電磁發(fā)射“電磁-結(jié)構-流體”多場耦合建模和低噪聲發(fā)射控制技術等。

3.1.2 武器技術

1）電磁軌道炮。電磁軌道炮利用電磁力將炮彈加速至超高速，具有初速高、射程遠、威力大、成本低、持續(xù)打擊能力強等諸多優(yōu)勢，具有遠程對海對陸精確打擊、中遠程防空反導、反臨近空間目標等多種使命任務，由于其完全依靠超大規(guī)模電磁能發(fā)射并攜帶動能殺傷，可實現(xiàn)命中即摧毀，被譽為從冷兵器到熱兵器以來的又一次武器革命，世界各軍事強國在此領域不惜投入巨大的人力財力開展研究，由于涉及多個學科交叉，并受制于材料、器件等基礎工業(yè)的進步，到目前為止并未實現(xiàn)工程化。美國在電磁軌道炮工程樣機研制方面，自20世紀80年代以來，一直走在世界前列，BAE系統(tǒng)公司研制的32 MJ動能電磁軌道炮樣機，如圖13所示，于2017年7月實現(xiàn)20 MJ炮口動能、10發(fā)/min射速。此外，GA公司研制的10 MJ中程多任務電磁軌道炮系統(tǒng)也于2017年完成了裝配調(diào)試工作。

圖13 BAE系統(tǒng)公司32 MJ電磁軌道炮試驗樣機

法國和德國合作開展電磁軌道炮的研究，并成立了ISL（法德圣路易斯研究所），在2008年研制建成了連續(xù)發(fā)射電磁軌道炮RAFARAI用于防御高超聲速導彈（發(fā)射頻率在50 Hz以上），目前，該系統(tǒng)可在單發(fā)模式下將100 g的彈丸加速至2.4 km/s。2018年開發(fā)了60 mm方形口徑的電磁軌道炮NGL－60，其電流水平超過了2.13 MA，發(fā)射效率達到22%。日本防衛(wèi)省2022財年投入65億日元用以完成電磁軌道炮在裝備化前的樣機生產(chǎn)，計劃于2025年實現(xiàn)裝備化。

海軍工程大學在發(fā)射裝置、儲能、電樞、超高速彈丸方面開展了全面深入的研究。研制了多種口徑的試驗樣機，突破了復合身管技術和軌道壽命技術等瓶頸；提出了新型混合儲能技術，解決了電磁軌道炮的連發(fā)能源問題；形成了C形固體電樞的歸一化設計準則和工程判據(jù)，為不同形狀、不同推力電樞的優(yōu)化設計提供了依據(jù)；深入研究了一體化彈丸氣動數(shù)值計算、膛內(nèi)磁場分布特性、彈托分離特性、飛行彈道姿態(tài)測量、內(nèi)彈道動力學等，規(guī)范了彈托的設計準則，解決了制導彈內(nèi)彈道、中間彈道及導航制導控制等一系列難題，為實現(xiàn)高精度全空域遠射程制導彈丸的研制提供了理論依據(jù)[41, 53]。涉及關鍵技術主要包括發(fā)射系統(tǒng)總體技術、發(fā)射身管及絕緣體長壽命技術、脈沖儲能高射速小型化技術、集成化冷卻設計技術、高速高過載制導控制技術等。

2）電磁線圈炮。電磁線圈炮在未來的高技術戰(zhàn)爭中具有十分廣泛的軍事應用，不僅可用于戰(zhàn)術層面，而且還可用于戰(zhàn)略層面。美國國防部預先研究計劃局正在大力推進120 mm口徑的電磁迫擊炮實驗室演示項目研究，專門為下一代“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”研制車載式非直瞄電磁迫擊炮，目標是將120 mm的迫擊炮彈加速到420 m/s?？梢钥闯觯谕S線圈電磁推進領域，美國不間斷地進行了近40年的基礎和關鍵技術研究，目前已經(jīng)進入原理樣機試制階段。

海軍工程大學攻克了大口徑高磁密線圈設計制造技術、緊湊型脈沖電源技術等一系列難題，實現(xiàn)了百kg級一體化電磁彈出口速度達到數(shù)百m/s以上，目前正在發(fā)展中質(zhì)量高馬赫數(shù)（1 000 m/s）電磁線圈發(fā)射技術。

3）電磁槍。電磁槍是將電磁發(fā)射技術應用于輕型武器裝備的一種新概念動能殺傷武器裝備、可突破傳統(tǒng)槍械的初速、射程和威力，適用于單兵武器或車載、艦載副武器等場合。與常規(guī)槍械相比，具有彈丸有效載荷比高、動能大、穿甲性能好，初速高、彈丸飛行時間短，射程遠、作戰(zhàn)范圍廣，易于調(diào)節(jié)、可控性強，加速均勻、后坐力小等作戰(zhàn)優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外提出了將電磁槍應用于裝甲、機載等平臺的構想，但未有樣機研制。主要是兩個方面的原因，一是受限于現(xiàn)有儲能水平，體積和質(zhì)量難以滿足單兵、多兵攜帶或車載等使用要求；另一方面，電磁槍的射程遠超傳統(tǒng)槍械，其遠距離射擊精度是工程化應用需要解決的關鍵技術。海軍工程大學完成了發(fā)射裝置及電源的輕量化設計，實現(xiàn)了電磁槍武器系統(tǒng)的車載集成，實現(xiàn)了彈樞匹配和電磁起旋技術，有效提高了射擊精度，開展了外場數(shù)公里遠射程發(fā)射試驗，子彈出口動能幾十kJ，突破了目前世界上槍械的射程和動能限制。

3.1.3 超能艦構想

目前，全球海軍多種不同任務的作戰(zhàn)平臺如航母編隊等，系統(tǒng)復雜，協(xié)同指揮難度較大，而且建造維護成本極為高昂。隨著高能武器的發(fā)展，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)平臺已無法滿足新型武器的能量需求。針對這一現(xiàn)狀，海軍工程大學率先提出超能艦構想，如圖14所示超能艦是集成電磁能武器和核能綜合電力系統(tǒng)的新型海上攻防一體作戰(zhàn)系統(tǒng)。超能艦上裝備有電磁軌道炮、電磁線圈炮、電磁火箭炮、激光武器、高功率微波等新型電磁能武器，并與全電艦船技術集成，將艦船平臺能量智能高效地轉(zhuǎn)換為高能武器所需的電磁能，使單艘艦船同時具備防空、反潛、反導和對海、對陸的精確打擊能力，大幅提升艦船持續(xù)作戰(zhàn)能力，從而保證單艘全能艦遂行傳統(tǒng)艦艇編隊的作戰(zhàn)任務，這將徹底顛覆一百多年來的海上編隊作戰(zhàn)方式[4]。

超能艦的先進性表現(xiàn)在兩個方面：一是核能艦船綜合電力系統(tǒng)的應用，能將常規(guī)戰(zhàn)爭中不能作為武器使用的核能，通過電磁能轉(zhuǎn)換為可用的打擊能量；二是艦載高能武器系統(tǒng)的運用，可以作為反艦導彈、防空導彈以及魚雷等武器的能力補充，采用電磁炮加激光武器的組合，遠距離使用電磁炮，近距離使用激光武器和高功率微波，彈藥造價低且攜帶量大幅提升。配備的電磁軌道炮射程遠，打擊范圍可達臨近空間；電磁發(fā)射導彈可自動重復裝填，持續(xù)作戰(zhàn)能力和射程大幅增加；電磁線圈炮可發(fā)射各種水中兵器，大幅提升水下攻防能力；激光武器以光速傳輸能量，瞄準即命中；高功率微波武器殺傷范圍大，能有效應對“蜂群”目標。搭載空中、水面、水下無人信息系統(tǒng)，融合衛(wèi)星網(wǎng)絡，實現(xiàn)大范圍戰(zhàn)場感知、信息共享。

圖14 超能艦構想圖

3.2 民用及航天領域

電磁發(fā)射技術在軍事領域日趨成熟的應用促進了其在民用及航天等領域的推廣。首先，采用電磁發(fā)射方式發(fā)射空間載荷可極大削減發(fā)射成本，縮短發(fā)射準備時間，提高發(fā)射頻次和效率；其次，電磁發(fā)射在保持運載能力不變的情況下，可以省去其中一級發(fā)動機，火箭由四級構型變?yōu)槿?，或者火箭構型不改變，增大火箭運載能力，大幅提高了發(fā)射的有效載荷比，降低了發(fā)射費用；最后，電磁線圈發(fā)射無接觸，適合于長行程的發(fā)射，有利于空間站或天基的物資運輸。

3.2.1 航天推射

與現(xiàn)有傳統(tǒng)的航天發(fā)射技術相比，航天電磁推射系統(tǒng)極大地發(fā)揮了電磁發(fā)射的優(yōu)勢，同時結(jié)合運載器的適應性改進，可以實現(xiàn)更低成本、更高頻次、多方位、更快速的發(fā)射。將電磁發(fā)射技術與民用、商業(yè)航天需求有機結(jié)合，借助航天市場的爆發(fā)式增長之力，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)國防科技的跨越式發(fā)展，同時還能充分發(fā)揮高新技術對航天力量建設的支援作用。20世紀以來，國外相關概念及設想層出不窮。美國IAT（先進技術研究所）提出了第一級用電磁炮發(fā)射，第二級保留火箭發(fā)動機的發(fā)射方案構想，將3 t重的有效載荷送入600 km的軌道[56]。文獻[57]提出了電磁復合能發(fā)射微小衛(wèi)星的概念。俄羅斯Shvetsov提出大型電磁軌道航天發(fā)射的方案，并分析了火箭末級（飛行組件）加速有效載荷空間升力的技術可行性和經(jīng)濟效益。文獻[58]提出利用電磁發(fā)射輔助清除空間碎片的方案，文獻[59]則提出通過電磁軌道發(fā)射太空物資的概念?？梢灶A見，在不久的將來，航天電磁推射將具備工程化拓展應用的潛力。

3.2.2 微重力落塔

量子精密測量旨在利用量子效應，突破現(xiàn)有體系物理測量的瓶頸，實現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測量精度，在軍事、科研、民生等領域具有重要戰(zhàn)略意義?？臻g星載精密測量載荷工作在微重力環(huán)境下，與地面工作環(huán)境有很大的不同，在載荷的研制過程中，迫切需要一個能夠模擬空間微重力環(huán)境的科學裝置。采用地面落塔進行微重力環(huán)境模擬具有較高的性價比。

針對上述需求，我國擬基于電磁發(fā)射技術，建設一座高150 m的新一代電磁驅(qū)動式落塔。與傳統(tǒng)直拋式落塔相比，采用電磁彈射技術和電磁阻尼技術的新一代落塔，可實現(xiàn)多種重力環(huán)境模擬，具有雙倍微重力時間、高微重力水平、高重復頻次，過載小和維護成本低等優(yōu)點，可廣泛應用于空天、深空、深海等精密測量場合。

3.2.3 高速磁懸浮列車

高速磁懸浮列車主要利用電磁力實現(xiàn)懸浮，由直線電機驅(qū)動車輛運行，相比于輪軌接觸式列車，在運行功耗、振動、噪聲等方面具有優(yōu)勢，是未來軌道交通的發(fā)展趨勢。目前，高速磁懸浮技術主要有三種主流制式，分別是電磁懸浮制式、電動懸浮制式和釘扎懸浮制式。其中，我國上海高速磁浮示范線最高運行時速達431 km/h，是目前世界載人軌道交通運營的最高速度；2020年，我國自主研發(fā)的時速600 km/h高速磁浮列車試跑成功，標志著我國已掌握了具有自主知識產(chǎn)權的電磁型高速磁浮核心關鍵技術。此外，美國、德國、日本、西班牙、巴西等國也均在高速磁懸浮領域開展了大量研究工作。

近年來，海軍工程大學積極響應國家軍民融合戰(zhàn)略，將電磁發(fā)射技術向民用軌道交通領域推廣，擬在湖北東湖實驗室建設一條長約1 km的高速磁浮測試線，采用懸浮支撐和電磁推進的方式，將約1 t重的試驗車加速至峰值速度800 km/h，并在有限距離內(nèi)實現(xiàn)可靠制動。建成后，將為我國開展高速運行下磁浮列車的牽引供電、懸浮導向、運行控制等方面的關鍵技術驗證提供一個強有力的支撐平臺。

4 電磁發(fā)射技術面臨的挑戰(zhàn)及對策

近年來，隨著材料、器件等有關基礎科學問題的不斷突破，電磁發(fā)射技術取得了長足進展。但是由于電磁發(fā)射涉及的應用領域越來越廣、工作條件越來越極端、所涉及的學科領域越來越多，技術發(fā)展仍然面臨以下挑戰(zhàn)：

4.1 極端電磁熱力耦合沖擊條件下材料物性參數(shù)演變機理不清

不同于傳統(tǒng)機電能量轉(zhuǎn)換裝備，電磁能裝備受極高功率（數(shù)萬兆瓦）、極短時間（數(shù)毫秒）、極大電流（數(shù)兆安）、極高速度（數(shù)千米每秒）以及上述物理量極高變化率等極端條件的共同耦合作用，其材料的電磁、溫度、應力等物理量的變化率與峰值極大，產(chǎn)生極端的電磁、熱、力沖擊環(huán)境，在材料上形成巨大的磁場梯度、溫度梯度和應力梯度，以及多種高度非線性的瞬時耦合物理效應，傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)工況建立的材料模型與性能表征、設計理論等無法適用于電磁能裝備極端的沖擊態(tài)物理環(huán)境，需要從沖擊條件材料物性演變機理與調(diào)控、電磁能裝備盡限設計與穩(wěn)定運行等關鍵科學問題開展研究。

解決對策分兩個層面：一是從時空耦合角度研究電磁、熱、力等沖擊條件下材料與電磁能的相互作用機理，突破現(xiàn)有周期穩(wěn)態(tài)理論框架，發(fā)展基于時空的材料多維度綜合數(shù)學物理建模理論和性能表征新方法，研究材料的成分設計與晶相結(jié)構優(yōu)化、服役條件下組織結(jié)構演化與沖擊性能的關系，實現(xiàn)對材料沖擊響應的電磁性能、機械性能、溫度性能和頻率特性的綜合調(diào)控；二是從精細描述電磁能裝備性能的角度，研究循環(huán)非周期暫態(tài)機電能量轉(zhuǎn)換過程的分析理論，從材料和結(jié)構兩個方面迭代優(yōu)化，發(fā)展基于材料盡限應用的電磁能裝備設計方法，提出復雜大系統(tǒng)信息感知與智能診斷預測方法，實現(xiàn)電磁能裝備的緊湊化設計與安全高效運行。

4.2 高壓大功率器件非周期瞬態(tài)性能表征方法不明

為提升電磁發(fā)射系統(tǒng)功率體積密度和可靠性，器件層面需要掌握極限能力邊界，核心是器件特性的精確表征。由于電磁發(fā)射表現(xiàn)出短時超大電流的特點，其高壓大功率器件既有開關瞬態(tài)載流子ns級運動過程，又有浪涌電流ms級輸運過程，同時也有貫穿始終的熱傳遞過程以及全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)變化過程[60-61]。因此，器件呈現(xiàn)出較傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)更為復雜的多時間尺度多物理場耦合特征，實現(xiàn)其極限能力的評估需要突破器件多時間尺度表征難題。技術難點主要體現(xiàn)在如何建立脈沖瞬態(tài)器件內(nèi)部微觀特性與端口宏觀特性之間的對應關系、驅(qū)動控制下器件特性與主電路元素的互動關系，以及全壽命周期內(nèi)器件特性的演變規(guī)律[62]。

解決對策分兩個層面：一是器件本體微觀與宏觀特性，重點關注多時間尺度下載流子輸運與能量傳遞之間的關系；二是器件與主回路元素的互動關系，尤其是多時間尺度下驅(qū)動控制與負載特性對器件能力邊界的影響?？蓮膬蓚€角度突破：一是從半導體和封裝材料的物理特性角度分析器件多時間尺度特性；二是從極端工況的角度分析器件多時間尺度應力特點，最終從物理邊界和工程邊界兩個目標維度建立器件不同時間尺度下的特性表征方法，突破電磁發(fā)射極端條件下高壓大功率器件多時間尺度表征難題。

4.3 多物理場強耦合極端工況下等價測試與原位觀測手段不足

電磁發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構復雜，1:1原型試驗代價極大，開展極端電磁、熱、力沖擊條件下的等價測試，可大幅加快各關鍵技術的研究速度。由于非周期脈沖工況和復雜極端多物理場強耦合作用，等價測試面臨三大難題：一是極端的等價模擬條件加載，包括溫升速率≥106K/s、電流密度≥1010A/m2、應變速率≥106s-1等指標；二是極端多物理場強耦合下的關聯(lián)等價測試，需提供電磁、電熱、熱力等至少兩種極端條件耦合作用下的模擬條件，研究多物理場強耦合下的機理和演化規(guī)律；三是強電磁干擾下的微時間尺度高速高精度原位測量，時間分辨率≤1 μs、空間分辨率≤0.1 μm、測量精度≤1‰等。針對上述難題，現(xiàn)有的原位觀測手段和等價測試平臺均無法滿足要求。

解決方法分三個層面：一是開展復雜機理及其指標關聯(lián)性研究，提出等價解耦指標，如解耦熱力和電磁指標，分別開展等價測試，大幅降低等價測試難度；二是研究電磁能極端物理環(huán)境的等效模擬方法，建立多因素耦合的沖擊載荷下材料物性參數(shù)測試平臺，突破傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的單一物理量加載的局限，實現(xiàn)沖擊工況下對材料宏觀物理性能與微觀組織演變規(guī)律和機理的描述，解決沖擊工況材料動態(tài)性能觀測難題；三是應用人工智能成果，開發(fā)多源多信息融合測試系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)層面深度融合各傳感器信息，突破單一傳感器測量信息少、時空分辨率低和測量精度差等難題。

4.4 電磁能裝備性能進一步提升面臨材料和制備工藝短板

為提升電磁裝備服役耐久性，材料層面需要揭示電磁軌道失效機制，指導新型高性能軌道材料和相應工藝的研發(fā)。由于電磁裝備服役過程中樞/軌界面涉及電、磁、熱、力多場耦合的苛刻服役環(huán)境，軌道材料呈現(xiàn)出較單一物理場下更為復雜的損傷行為[63]。實現(xiàn)新型軌道材料的研發(fā)需要突破多物理場下材料失效行為動態(tài)耦合及多重材料性能協(xié)同優(yōu)化的難題。技術難點主要體現(xiàn)在如何構建多物理場耦合下軌道材料微觀結(jié)構-性能-失效行為之間的內(nèi)稟關系、針對復雜損傷機制實現(xiàn)軌道材料多重性能的集成以及高性能軌道材料制備工藝的工程化。

解決對策分兩個層面：一是研究多場耦合下材料的損傷特性，重點關注失效機制耦合及材料微觀結(jié)構與損傷行為之間的內(nèi)在關系；二是基于軌道材料在多場耦合下的損傷模型，指導高耐久性能復合結(jié)構軌道材料的設計?？蓮娜齻€角度突破：一是新一代高強高電導率銅合金的研發(fā)，通過成分和結(jié)構調(diào)控實現(xiàn)軌道材料多重性能的集成；二是基于損傷機制分析，利用高性能材料復合化（如涂層技術等）抑制軌道損傷，實現(xiàn)軌道材料抗耐久性的提升；三是從樞/軌界面損傷出發(fā)，利用電樞表面改性抑制鋁合金粘附引起的軌道損傷。通過材料的結(jié)構和工藝優(yōu)化，突破電磁能裝備性能進一步提升面臨的難題。

5 發(fā)展趨勢與展望

電磁發(fā)射系統(tǒng)工作于極端條件，受限于現(xiàn)有材料器件性能和國家基礎工業(yè)水平，目前電磁能裝備還存在著一些體積、重量大等問題，為了進一步提高適裝性、可靠性和壽命，需要繼續(xù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，面向“三化”開展研究。

5.1 電力電子系統(tǒng)無纜化

電力電子系統(tǒng)作為能量流轉(zhuǎn)換的基本單元，通常由半導體器件、傳感器元件、硬件電路、監(jiān)控軟件經(jīng)連接件組合而成，通過數(shù)據(jù)總線在底層設備、傳感器和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息交互，具有實時性、確定性和安全性的特點。隨著電力電子系統(tǒng)向多樣化、規(guī)模化、智能化發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)的信息流和能量流互聯(lián)互通日趨復雜，不斷促進電力電子系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展。復雜的互聯(lián)線纜嚴重制約了電力電子系統(tǒng)的智能制造、柔性擴展，而現(xiàn)有的基礎理論和設計理念難以支撐電力電子系統(tǒng)和這些新技術手段的深度融合。無纜化需要解決瞬態(tài)電磁能量精確表征與平衡調(diào)控、狀態(tài)管理智能決策與高效控制、高功率密度集成單元無纜化封裝電磁兼容及散熱等問題[1]。

海軍工程大學提出了電能變換單元無纜化思想，解決了信息流系統(tǒng)維護性差、可靠性差等問題；提出了高過載制導彈彈載器件少纜化思想，進一步縮小了制導元器件的體積和重量，提高了耐沖擊性能。目前已研制出抗高過載能力的制導導航控制（Guidance Navigation and Control, GNC）模塊，未來將會全面覆蓋電磁發(fā)射系統(tǒng)的信息流層面，并將推廣到其他民用及航天領域。

5.2 高性能材料復合化

電磁能裝備材料工作于多物理場強耦合、高瞬態(tài)、高應力和高速摩擦運動的極端條件下，對材料的多重核心指標均有較高要求，然而，現(xiàn)有材料中往往存在核心指標之間相互制約的情況。比如，在常規(guī)金屬材料中，導電性和強度往往呈現(xiàn)倒置規(guī)律[64]。高導電性金屬（如銀、銅等）的強度通常較低，必須通過多種復合強化手段（如添加陶瓷第二相、高強納米顆粒、合金化、晶粒細化和加工強化等）提高金屬的強度，但這些強化技術往往導致導電性能大幅度降低。其原因在于這些強化技術本質(zhì)上是在材料中引入各種缺陷，但缺陷會顯著增加電子散射，從而降低電導率。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在儲能材料中，儲能密度和功率密度兩大核心指標之間存在不可調(diào)和的矛盾，單一的儲能材料難以滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)既要高儲能密度、又要高能量密度的現(xiàn)實需求。

海軍工程大學提出用“復合”材料的原理來解決材料的強度和導電性協(xié)同提高的難題。比如，用銅作為基體、其他高強度材料作為覆層進行爆炸焊接后整體成形，作為導電耐磨材料；另外，材料表面改性也是開發(fā)新型高強高導金屬材料的主要手段。

為了解決儲能材料同時需要高功率密度和高能量密度難題，2009年海軍工程大學率先提出混合儲能技術路線，以蓄電池為初級單元提高儲能密度，以脈沖電容為二級儲能提高功率密度，從而實現(xiàn)高功率和高能量密度，大幅降低高能武器對艦船電網(wǎng)的容量需求。電磁發(fā)射的極端應用背景將會催生高性能材料的復合化，為電磁發(fā)射技術的工程化鋪平道路。

5.3 全系統(tǒng)感知控制智能化

電磁發(fā)射裝置長期工作于大功率脈沖條件下，信息感知能力和運行控制手段決定著平臺性能的發(fā)揮程度，需要不斷深化基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術的電磁發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)智能感知與運行控制理論，全面提升全系統(tǒng)的自傳感、自診斷和優(yōu)化控制能力，為發(fā)展智能化武器裝備提供理論和技術支撐。電磁發(fā)射系統(tǒng)智能感知與運行控制系統(tǒng)由集成式智能傳感單元、健康狀態(tài)評估與故障預測單元、運行控制管理單元三部分組成，通過新型集成傳感、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)化理論、數(shù)據(jù)融合等理論和數(shù)據(jù)驅(qū)動技術，實現(xiàn)全系統(tǒng)健康狀態(tài)的實時監(jiān)控和故障預測，并結(jié)合電磁發(fā)射實時工況需求，實現(xiàn)智能優(yōu)化控制。需要解決系統(tǒng)集成智能感知、復雜工況下系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測與故障監(jiān)測、系統(tǒng)自適應運行優(yōu)化與容錯控制等問題[1]。

智能感知與運行控制系統(tǒng)可充分挖掘并掌握電磁發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)，對故障準確預測，在保證安全穩(wěn)定運行前提下，根據(jù)不同工況和故障狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)整與容錯控制，使其滿足高載荷、高動態(tài)復雜工況，并為上層武器分系統(tǒng)和下層能量管理分系統(tǒng)提供決策數(shù)據(jù)，支撐電磁發(fā)射系統(tǒng)作戰(zhàn)效能最大化，有望使電磁能武器在運行、維護效率和盡限運行能力等方面的性能得到大幅提升。

綜上所述，電磁發(fā)射技術是人類運用能量的又一次進步，必將成為未來發(fā)射方式的必然趨勢，將在軍事民用航天航空等領域產(chǎn)生深遠的影響。

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Research Progress and Challenges of Electromagnetic Launch Technology

Ma Weiming Lu Junyong

（National Key Laboratory of Electromagnetic Energy Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Electromagnetic launch (EML) technology takes electric energy as the original organization form and achieves accurate control from information flow to energy flow. It involves deep cross-integration of multiple disciplines and fields such as electrical, material, information and control, and has significant advantages such as high launch kinetic energy, high system efficiency, high launch frequency, fast start time, strong continuous launch capability and strong load adjustable capability. It will become a new launch technology to replace the traditional mechanical launch and chemical-energy launch. In recent years, with the rapid development of integrated power technology, new composite materials, high-voltage and high-power switches and artificial intelligence, EML technology has set off a new round of research upsurge, and has great significance in the military and civilian fields to subvert the existing pattern. Based on the research achievements in EML field in the past 20 years, this paper introduces the technical characteristics and technical branches of EML, and summarizes five common technologies of EML system, such as pulsed energy storage, pulsed power conversion, pulsed linear machine, detection and control, high speed high overload guidance. The development status and applications in the field of military platform and weapons, civil and aerospace are reviewed. Meanwhile, the current challenges and countermeasures are pointed out, and the future development trend are proposed, such as cable-free electronic system, high performance materials composite and intelligent sensing control of the whole system, so as to provide a reference for subsequent research of EML technology. EML technology is another human progress in the use of energy, will become the inevitable trend of future launch methods, will have a profound impact on military, civilian, space and other fields.

Electromagnetic launch, electromagnetic catapult, rail gun, coil gun, wireless, intelligent sensing

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230470

TM154.2; TM359.4; TJ866

國家自然科學基金重大研究計劃集成項目（92266301）、重點項目（92166204, 92166205）資助。

2023-04-20

2023-05-20

馬偉明 男，1960年生，教授，博士生導師，中國工程院院士，研究方向為新型電機、電力電子裝置與控制、電磁發(fā)射技術、電磁兼容等。E-mail：ma601901@vip.163.com

魯軍勇 男，1978年生，教授，博士生導師，研究方向為電磁發(fā)射技術、直線電機及其控制技術、電磁軌道炮技術等。E-mail：jylu2019@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）