舰载电磁轨道炮用高功率脉冲电源研究进展

范 晶 宋朝文

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

随着世界各国舰船综合电力系统实施步伐的加快，新概念电能武器的开发成为新一代舰载武器的重要发展趋势。其中，建立在电磁发射理论基础之上的电磁轨道炮集远射程、大储弹量、运输和储运安全等优势于一身而受到广泛关注。

电磁轨道炮系统主要包括电磁轨道发射器、电枢和射弹、高功率脉冲电源（PPS）和控制开关等。电磁轨道发射器由绝缘固定的两根通电平行导轨构成，电枢和射弹可沿轨道滑动，电枢与导轨间有滑动电接触。当开关闭合后，PPS、轨道和电枢构成串联回路。通电电枢受到轨道电流磁场的作用，电磁力可推动射弹以超高速发射。

电磁轨道炮的发展在很大的程度上依赖于高功率脉冲电源的发展。例如，美国海军设想的某型舰载电磁炮系统对功率的需求是15～30MW，对能量的需求是200MJ[1]。目前，比较有希望的PPS包括多种类型，如：发电机系统、电感储能系统、电容器系统和超级电容储能系统等。它们将惯性能、磁能、静电能和化学能等多种形式的能量分别转化为电磁轨道炮系统所需的电能。以下将分别介绍这四种电源系统的基本原理、优缺点和研究现状。

2 发电机系统

有望应用于电磁轨道炮的发电机系统主要有基于惯性储能的补偿式脉冲交流发电机（CPA）系统和高温超导发电机系统两类。

CPA系统利用较小功率的原动力把大质量的飞轮或转子拖动到高速，惯性地储存起大量动能，然后利用机电转换原理，把动能转换成电磁能。CPA系统目前的最高水平已达到最高峰值功率 20GW，储能200MJ，单发输出40MJ[2]。单就储能和功率的需求数据而言，CPA系统已基本上可以满足电磁轨道炮系统发展的需要。但是CPA系统必须采用预先启动以积累和储存动能的工作模式，这意味着采用该系统的电磁炮在发射炮弹前需要有一个相对长的准备期，这显然不适合讲究快速打击的海上军事行动。此外，CPA系统面临的另一个重要问题是安全性，为了避免灾难性的后果必须考虑电磁屏蔽措施和控制各种原因产生的热量[3-4]。

高温超导发电机在发电原理上与传统发电机相同，但是由于其采用了超导技术和高温超导材料，使发电机在容量、重量、体积、机械效率和稳定性等方面的性能得到大大改善。特别值得一提的是，高温超导发电机能够提供MW级的功率和几千伏的电压。尽管新一代高温超导材料的工作温度已经超越了77K液氮禁区，但是相对于室温298K还有相当大的一段温度区间，因此，高温超导发电机目前面临的难题仍然是能量消耗和制冷系统的复杂性，对于超大容量的发电机系统，这一问题显得更为突出。

3 电感储能系统

电感储能系统是以磁场方式进行储能的，该系统没有运动部件，仅需要低电压的初始功率，因此相对于惯性储能系统，电感储能系统的安全性更高。更另人关注的是电感储能系统具有很快的充电速度，即使在10ms内向电磁轨道炮入口释放了10GW功，也能够在5s内以25MW的功率使电感重新充电[5]。不少实验已利用电感储能系统成功驱动过中小型电磁轨道炮[6-7]，但由于缺乏充电用的超大功率电池组和可重复使用的小型高电流开关，截止目前电感储能技术的实用化程度还很低，其驱动大型舰载电磁轨道炮的难度相当大。

4 电容器系统

电容器系统的核心部件是由大量电容器单元串并联组合而成的电容器组，该系统的总能量是每一个电容器单元储存的静电能的加和。电容器单元的充电时间可以很容易控制在10ms以内，而输出功率密度可达到0.1～1MW/kg。正因为如此，在电磁轨道炮发展的起步阶段，建立在电容器组基础上的电容器系统成为 PPS的首选。但是一个无法回避的问题是电容器组的储能密度过低，目前电容器组的最高储能密度水平仅在1MJ/m3左右。假设电磁轨道炮单发发射需要的电能为30MJ，电磁发射的转换效率为30%，则每次发射的电能需求为100MJ，若采用电容器系统作为 PPS，则仅电容器组就需要占据 100m3以上的空间，再考虑其它控制和辅助部件，PPS的体积不会小于200m3。如果要获得较高的持续射速，还必须进一步提高电容器系统的体积。即使对于空间足够充裕的舰艇平台而言，这也是很难接受的。

5 超级电容储能系统

如上所述，作为电磁轨道炮系统的备选 PPS，发电机、电感储能和电容器系统都面临着难度不小的挑战。为了改变这一窘境，近年来一些研究者开始开发一种新型储能系统——超级电容储能系统。该系统是由多个超级电容器单元串并联组合而成。例如，2003年美国海军针对新一代电磁轨道炮系统的 PPS提出了超级电容模块化设计，该模块由 24个并联的超级电容器单元组成，其性能为：充电电压 15kV、容量 17.6mF。将这些模块进一步组合成40MJ的“储能段”，整个超级电容储能系统由 4个“储能段”组成，总储能量可达160MJ。

超级电容器的全称是电化学超级电容器，它是利用电极/电解液界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的电化学反应所产生的法拉第“准电容”来实现能量储存的储能装置。作为电磁轨道炮系统的备选 PPS，超级电容储能系统具有以下优势[8-11]：

（1）高能量密度：超级电容器比传统电容器的能量密度大 10～100倍，可达到 20MJ/m3以上，当单次发射的电能需求为100MJ时，对应PPS的体积不超过10m3。

（2）充电速度快：超级电容储能系统可在几秒钟时间内完成充电，而且漏电流远小于电容器系统，这样一来该系统可长期处于充电或半充电状态，电磁轨道炮发射炮弹前也就不需要太长的准备期。

（3）输出功率高：目前超级电容储能系统的输出功率等级可达10MW级，从理论和可行性上看该系统完全能满足电磁轨道炮发射功率的需要。

（4）使用寿命长、免维护：超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，其理论循环寿命为无穷，实际可以达到10万次以上，且使用过程中不需要维护，若采用超级电容储能系统作为 PPS，电磁轨道炮的研发和装备成本必然会大大降低。

（5）操控安全、方便：超级电容储能系统配备有智能化管理模块，可对整个系统甚至每一个电容器单元的运行状况进行实时监控，这样能够最为有效地发现和排除安全隐患。

（6）使用温度范围宽：超级电容器可以在-40～70℃的温度范围内使用，能够满足电磁轨道炮在不同环境下的使用要求。

相对于发电机、电感储能和电容器系统，超级电容储能系统也有着自身的缺陷，如：输出功率密度等级约为 10kW/kg，单个超级电容器的电压不到3V，系统能量转化效率不到80%等。但这些完全可以通过大量超级电容器的串并联来解决。由于单个超级电容器的能量、重量和体积等参数可以根据需要来灵活订制，在考虑总输出功率和总电压的前提下，整个超级电容储能系统的能量、重量和体积能够在相当大的程度上得到优化，从而满足电磁轨道炮的发射需要。

6 结论

舰载电磁轨道炮系统PPS今后的发展趋势是：吸收、储存与释放能量迅速高效，整体重量轻、体积小，脉冲过程易于控制，安全稳定性高等。相比较而言，在现阶段超级电容储能系统各项指标、参数均能基本适应这一发展趋势的需要，理论可行性更高，且没有十分致命的技术缺陷。可以预见，随着超级电容储能系统集成能力的不断提高，基于该储能系统的PPS必然会在电磁轨道炮设计和研制系统中占有重要地位，并推动电磁发射技术的发展。

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