电磁发射原理(军队双重建设教材)

**章 绪论 将目标物体加速至更高的初速度是人类一直以来不懈追求的目标。在冷兵器时代，人类利用机械能来抛射物体；而后，随着火药在我国的发明，人类开始借助化合物燃烧或爆炸时产生的能量来完成目标物体的发射。化学能的应用使得发射目标的初速度从每秒几十米飞跃至每秒上千米，至此人类进入了热兵器时代。然而，科技的发展远未止步于此，20 世纪70 年代末，澳大利亚国立大学的科研人员利用一台大型的单极发电机，成功地将一枚质量为3 g 的聚碳酸酯弹丸加速至5.9 km/s，完美地证实了电磁发射技术在超高速发射领域所具备的无可比拟的技术优势。电磁发射是一种全新概念的发射方式，电磁发射技术在军事和民用领域都具有巨大的潜在优势和广阔的应用前景[1]。 **节 电磁发射技术概述 传统发射方式已基本达到其物理极限，发射速度难以进一步提高。电磁发射技术利用电磁力（能）推进物体至高速或超高速，是继机械能发射、化学能发射之后的一次发射方式的革命[1] 。人类研究电磁发射技术已逾百年，在其所涵盖的储能、电力变换、材料、信息网络方面不断取得技术突破。时至今日，电磁发射已逐步取代传统发射方式，付诸工程实践。 一、电磁发射系统组成 电磁发射系统是一类利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载达到*大速度的装置，它的实质是将电磁能转化为发射载荷动能的能量转化装置。图1-1-1 为电磁发射系统构成图。电磁发射系统一般由储能分系统、脉冲功率变换分系统、发射装置（执行机构）、闭环运行控制分系统四部分组成。储能分系统以较小的功率长时间地从电网吸收并存储能量，当存储的能量满足发射所需后，待接收到发射命令，立即向脉冲功率变换分系统释放能量；脉冲功率变换分系统将储能分系统释放的电能转化为脉冲发射装置工作所需的脉冲电能，产生电磁力推动发射体运动[1-2] ；闭环运行控制分系统在全过程中进行顶层控制，协调其他各组成部分的工作，并进行实时状态监测。 （一）储能分系统 储能分系统可在两次发射（每次发射可包括多枚连发）的间隔时间内，从供电系统提取并存储下一次发射所需的能量，并将存储的能量以脉冲形式快速转化为电能。 电磁发射装置瞬时功率极大（百兆瓦级至吉瓦级），按能量的存储形式，现有适用于电磁发射的储能方式主要有三种：①化学能，如蓄电池、火药等；②机械能，如飞轮；③电磁能，如电容、超导等。 飞轮储能是目前实现电磁发射装置小型化的重要技术途径和重要研究方向，为提高飞轮储能系统的功率和能量密度，特别是当飞轮储能系统的电动机与发电机功率基本相当时，驱动飞轮储能系统的电动机与发电机已趋向于一体化设计。飞轮惯性储能电机是具有广泛应用前景的高功率密度储能装置，一般由飞轮、电动机/发电机等组成。 飞轮储能主要分为两个阶段：**阶段为储能准备阶段，即通过拖动电动机带动飞轮高速旋转，飞轮储能装置将电能转化为机械能，存储在飞轮中；第二阶段为释放能量阶段，即飞轮减速，发电机将机械能量转化为电能释放给用电设备。电机作为飞轮储能系统中机电能量转化接口的一部分，是实现电能与机械能相互转化的关键部件。飞轮惯性储能电机放电时，将机械能转化为电能，其放电深度范围很大，特别适用于放电深度不规则的场合。电力电子变换装置，可准确控制飞轮的旋转速度，从而控制飞轮惯性储能电机的充放电，因此飞轮惯性储能电机非常适合作为电磁弹射系统的储能装置。 电容储能是电磁发射装置中目前*为成熟、*为实用的储能方式，它广泛应用于电磁轨道炮、电磁线圈炮、电磁装甲、电磁雷弹等新型电磁动能武器中。在这些场合中使用的脉冲电容器能量密度相对较低，无法满足连续工作的需要，通常需要配置能量密度较大的初级储能装置给脉冲储能电容器充电。单次工作的脉冲发射装置多采用常规的工频电源不控整流后为储能电容器充电，由于限流电阻的原因，这种充电方式的效率不会大于50%。由于这种充电电源频率低，体积也较大，而且充电周期长，它很难满足对效率、体积要求较高的可重复发射电磁发射装置的需求。近年来发展起来的串联谐振充电电源，特别是全桥串联谐振充电电源，很好地解决了这一问题。与传统直流电源相比，全桥串联谐振充电电源具有体积小、效率高、功率密度大、适合大范围变化的负载等优点[3] ，是较为理想的充电电源；而且，全桥串联谐振充电电源的输出电流恒定，电容器电压随时间线性增长，极大地提高了电容器的充电速度，因此它在重复频率实验中得到了广泛应用。 （二）脉冲功率变换分系统 脉冲功率变换分系统是将储能分系统输出的能量转化为电磁发射装置所需的脉冲电能。对于采用直线感应电机作为执行机构的发射系统，脉冲功率变换分系统需要将储能发电机发出的交流电通过整流逆变（若采用蓄电池或超级电容储能，则只需逆变）变成电压和频率按特定规律变化的交流电来驱动直线电机，使电机始终运行在高效区，以保证其良好的动态性能。图1-1-2 给出了电磁弹射装置脉冲功率变换系统原理结构图。在发射行程较长的应用场合，为了提高电磁发射系统的效率和功率因数（power factor，PF），降低系统对电源容量的需求，还需采用分段供电技术。对于采用电容器激励的轨道炮、线圈炮、电磁装甲，脉冲功率变换分系统是脉冲成形技术，将电容器中存储的电能按一定指标的电流脉冲波形释放出来。脉冲成形网络作为电能向脉冲负载供电的桥梁，为电磁轨道炮的导轨和电枢或线圈炮的驱动线圈提供超大电流，并且根据需要调节电流脉冲宽度。在现有技术条件下，单个电源模块难以达到要求，这就需要多个脉冲功率源模块同时放电或时序放电，以取得理想的电流波形[4] 。2003 年1 月，S.B Jack、F.S Michael 和E.J Thomas 对大质量发射体发射过程进行了模拟，电路采用基于电容储能脉冲电源进行驱动，建立了由四个单脉冲功率电源组成的脉冲成形网络，采用480 个电容器并联时序放电，总容量为352 mF ，总能量为40 MJ ，采用半导体可控硅作为大功率开关，放电电流峰值达到7 MA，脉冲宽度达到7 ms 。 （三）发射装置 发射装置（执行机构）是指提供可控驱动磁场，并将一定质量的物体发射至一定速度的装置。发射装置可承载电流能力为千安至兆安量级，出口速度依据发射质量大小，在每秒几十米至几十千米。其主要形式有平板式直线感应电机、圆筒型直线感应电机、电磁轨道炮系统中的导轨和电枢，以及电磁线圈炮系统中的驱动线圈和电枢线圈等。图1-1-3 给出了平板型双边直线感应弹射电动机的横截面结构示意图。 （四）闭环运行控制分系统 闭环运行控制分系统是电磁发射装置与操作者之间的主要交互接口，是电磁发射系统的控制中心，它具有高可靠性、安全性、电磁兼容性。 闭环运行控制分系统控制电磁发射的全过程，实现发射过程的精确控制。该系统是一个实时控制、实时管理的系统，可实现对整个发射系统的监控，并实现数据资源共享，及时分析、排除运行过程中出现的问题，实现系统的功能检查与故障诊断、系统测试与参数设定、工作状况自动调节与监控、动静态参数自动测量与处理、测量结果管理与检索、信息资源交互与共享，以及系统与子系统、子系统与子系统之间互访等，真正实现测量、控制、监视与技术支持于一体。该系统与舰船数据系统连接，接收发射公告、气象信息，发送发射参数，使得发射控制人员可按发射步骤完成发射。 二、电磁发射技术分类 如图1-1-4 所示，电磁发射技术按其应用性质的不同，可分为电磁式航空保障、电磁动能武器、电磁式航天重复发射与回收三类。其中：电磁式航空保障主要包括电磁弹射、电磁阻拦、电磁调运等，电磁弹射技术的发射长度为百米级，末速度可达100 m/s ；电磁动能武器主要包括电磁轨道炮、电磁线圈炮、潜艇电磁雷弹、电磁增程火箭炮、电磁迫击炮、电磁枪、电磁装甲等，电磁轨道炮的发射长度为十米级，末速度可达3 km/s ；电磁式航天重复发射与回收主要包括微小卫星发射、航天运载物资发射、航天电磁回收等，微小卫星电磁发射长度为千米级，末速度可达8 km/s 。三种技术的原理基本相同，涉及的具体关键技术有一定差别，但总的技术包括高能量密度储能技术、大容量功率变换技术、大功率直线电机技术、新型网络控制技术等。 三、电磁发射技术特点 以电磁炮为例，电磁发射技术的主要特点如下。 （1）速度快、动能大、精度高。由于电磁发射采用脉冲动力方式，其推动力一般比火药的推动力大一个数量级，不但突破了常规导弹初速度2 km/s 的限制，还不受声速限制，视弹丸质量的大小，可将其加速至每秒几千至几十千米。巨大的速度意味着巨大的动能，仅仅通过弹丸的直接撞击即可将目标彻底摧毁。而且，极高的飞行速度既可缩短射击的提前量，又可减少弹丸的飞行时间，使弹丸不易受到外界环境（大气、发射控制系统的误差）干扰，保证了弹丸的精度。 （2）射弹质量范围大。电磁发射器发射的物体可大可小，既可发射质量为几克的小弹丸，也可发射吨级质量的射弹或航天器，因此电磁发射的应用领域广泛。由于速度快，在相同动能情况下弹丸小而轻，可在作战平台、坦克、舰船、飞机上携带更多的弹丸，并且易于实现装填自动化和提高射速。 （3）性能优良、可控性好。电磁发射不存在常规火炮那种因点火过程和弹药燃烧不均匀而出现的延迟点火、突然撞击、加速度突变等现象，其性能稳定，重复性好。化学发射器是采用改变发射药或推进剂装药量来改变射程的，而电磁发射器是采用电流变化来控制发射速度和改变射程的，其控制精度更高。 （4）能源简易、成本低。电磁发射器不像液体发射药火炮和火箭那样需要优良的合成燃料和推进剂，在固定工作时仅用电厂的电力，机动工作时用低烃类燃料发电即可。电磁发射的能源是电能，其成本仅为上述化学推进剂的1%左右，并且不存在处理废火药的困难和麻烦。 （5）装弹快、效率高。由于电磁炮大多可后膛开放，无炮闩，甚至前发未出炮口后发便可装填，其效率比火炮高，而且不像火炮那样随初速度变化。电磁发射技术用于天基作战平台时，与粒子束武器相比，其质量更轻，体积更小。 第二节 电磁发射技术国内外发展现状 电磁发射概念的提出可上溯至一百多年前。1844 年，Colonel Dixon 在Newly Invented Electric Gun 中首次提到了“电磁炮”的概念。1845 年，加拿大哥伦比亚学院的查尔斯（Charles ）教授制造了世界上**台采用电池供电的电磁线圈炮。1901 年10 月16 日，挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰（Birkeland ）获得了**个“电火炮”专利，在奥斯陆大学的科学博物馆里仍保存着这个实物，这是电磁发射技术发展的里程碑。之后，他又创办了两个专刊，他提出的许多观点延续至今。1916 年6 月22 日，法国科学家福昌（Fauchon）等**个申请了“轨道炮”专利。该装置可在2 m 内将50 g 的弹丸加速至200 m/s ，供电电压为40～50 V，电流为5 kA。美国、苏联/俄罗斯、英国的科学家也对电磁发射进行了研究。发展至今，电磁发射装置的种类已经很多，其中技术较为成熟的有电磁弹射、电磁炮、电磁推射等。 一、国外发展现状 （一）电磁弹射和电磁阻拦技术发展现状 1. 电磁弹射 现代航母技术中，起飞技术、着舰引导技术、着舰阻拦技术并列为舰载机安全上舰的三大核心技术。起飞技术主要包括滑跃起飞技术和弹射起飞技术两种。滑跃起飞技术存在无法实现固定翼预警机等小推重比飞机在母舰起飞的缺陷；弹射起飞技术不仅解决了上述问题，而且使舰载机起飞条件要求更低，出动能力更强，作战使用更灵活，大大提高了航母编队的综合作战能力。 航母飞机弹射器主要有液压弹射器、蒸汽弹射器、电磁弹射器三种。世界上*早的弹射器是由美国海军上尉埃利森（Ellison ）于1911 年研制成功的。这种原始的弹射器由三条绳索和