电磁迫击炮可行性分析

贾 强,高跃飞,柯 彪

(中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051)

1 发展电磁迫击炮的必要性

目前各国正在研制的大口径迫击炮系统大多采用轻型轮式或履带式车辆为底盘，配备120 mm口径的身管，配用包括精确制导导弹在内的各种新型弹药和先进的火控系统，具有火力猛、可部署性强和精度高的特点，适用于特种、轻型部队遂行山地作战、空降作战和城市巷战。但这些迫击炮系统也有其缺点：为了增强其火力打击纵深，需采用高能推进剂和增大装药量的方法，不可避免地增大了迫击炮发射时的后坐力，会导致系统命中精度降低和提升弹药补给难度等问题，对底盘的性能和反后坐装置的设计提出了较高要求。

基于以上的原因，提出了研究发展一种新型的大口径电磁迫击炮，不采用易燃易爆的发射药，安全性增加，后勤补给方便，使其性能得到改善[1]。

2 国外研究现状

国外从2005年开始对电磁迫击炮展开相应的研究工作，研究项目的目标是：

1)可发射精确制导迫击炮弹。2)初速达到420 m/s以上。3)射程从原来的7 km增至9 km。4)初速散布小于0.1%。5)身管寿命达到100发以上。项目曾提出轨道式和线圈式两种电磁发射方案，并分别对两种发射方式进行了论证。截至2008年，两种发射系统样机均已完成发射试验。图1和图2分别为轨道式和线圈式发射系统的内弹道仿真结果。

在轨道式发射系统样机的试验中，发射装置可将质量为17 kg的试验弹丸发射到420 m/s的速度，弹丸和轨道并没有发现任何烧蚀的特征[2]。

在线圈式发射系统的试验中，发射装置可将18 kg的弹丸发射到420 m/s的速度。研究人员表示通过合理控制电流，弹丸初速可以达到500 m/s[3]。

图3为国外某公司设计的自行轨道炮内部结构示意图。可以看出该炮发射所需的电量来自两台对置的脉冲交流发电机。图4为该公司设计的车载轨道炮演示方案。图中左边的能源、弹药补给车作战时可为作战车补给能源与弹药。

3 发展电磁迫击炮的可行性

3.1 电磁发射方案和主要战技指标确定

选用轨道式发射方案，为了与现有的弹药取得一致，电磁炮口径选120 mm。其他详细参数见表1。

表1 常规迫击炮和电磁迫击炮参数对照表

3.2 轨道炮炮身

目前较成熟的炮身结构主要有简单轨道炮和增强轨道炮两种。结合电磁迫击炮的战技指标，这里采用层叠式串联增强方式。轨道层数不宜过多，过多会带来结构复杂、炮尾电压过大和轨道炮效率低等缺点，一般采用2～4层轨道结构。

3.3 弹丸

电磁迫击炮弹由炮弹本体和发射电枢两个主要部件组成。迫击炮弹可以现有制式迫击炮弹结构为基础，通过简单改装而成，这样可有效控制弹药升级改造费用。因为迫击炮对初速要求较低，因此，发射电枢主要考虑技术成熟的固体电枢。电枢应优先选用固定式(与迫击炮弹固接)。如果无法保证良好的外弹道性能也可考虑采用分离式或者预置空气弹簧准流体电枢[4]。

3.4 电源

目前机动型电源的关键的技术就是小型化问题。轨道炮的脉冲电源主要有单级发电机、电容器组、磁通压缩发生器和脉冲交流发电机等。未来应用于机动武器平台的电源可能会是电容器组、磁通压缩发生器或脉冲交流发电机。这里主要选择目前技术相对成熟的电容组供电和脉冲交流发电机供电两种方案进行具体分析。

3.4.1 电容器组电源

采用技术相对成熟的电容器组作为电源系统是一种理想的选择。一套完整的轨道炮试验用的电容器电源系统需要的组件有：电容器组、大电流开关、电感器、安全装置、控制器、充电模块、传输线。

1) 轨道炮效率选择。选取轨道炮效率为30%，则可根据迫击炮战技指标计算出轨道炮电源系统储存的能量为5.44 MJ。

2) 电容器组选择。假设电容器储能密度为1.2 MJ/m3,要提供5.44 MJ能量的电容器组体积约为4.54 m3，质量约为5 448 kg。

3) 其他电源组件设计。其他电源组件包含两个1 mF的金属薄膜电容、半导体晶闸管开关、调波电感、安全装置、局部控制器、数据采样装置和同轴电缆。充电系统选用CCPS模块，该充电模块目前可以在60 s内将1 MJ的电容器组充电至10 kV[4]。

以目前国内外高功率脉冲电容器发展现状来看，电容器还存在着体积大和质量大的问题，主要被用作实验室研究使用。但随着高功率电容器技术的不断进步，采用电容器组作为机动式电源仍是一种理想的选择。

3.4.2 脉冲交流发电机电源

1) 方案确定。 采用脉冲交流发电机作为轨道炮的电源是一种理想的机动型电源方案。脉冲交流发电机是目前最有可能应用于机动武器平台的电源，尽管它的一些相关技术还不是十分成熟。图5所示为脉冲交流发电机作为电磁轨道炮主电源的方案。

2) 效率估算。汽轮机所使用的燃料主要是汽油、柴油和煤油等碳氢燃料。汽轮机转换为机械能输出的效率约为30%。航空交流发电机的发电效率在95%以上，假设轨道炮的效率为30%，通过计算可知电磁轨道炮的能量转化率为8.6%。虽然这个数值远小于常规火炮30%的效率，但考虑到电磁轨道炮采用的能源为碳氢燃料。碳氢燃料的能量密度约为42 MJ/kg，该值大约是普通固体发射药的10倍。可以估算出使用相同质量的碳氢燃料和固体发射药，前者的所能提供的净能量为后者的2.87倍。也就是说,如果轨道炮要获得和常规火炮相同的炮口动能，那么所需的发射药仅为原来的1/2.87，假设目前自行火炮携弹量为50发，则轨道炮携弹量可达143发。

4 电磁迫击炮关键技术

4.1 大功率脉冲电源技术

迫击炮属于直接火力支援武器，战场机动性要求高，但由于迫击炮炮口动能较小，因此，使电容器组供电方案具有可行性。目前国外某公司最新公布的电容器储能密度为3 MJ/m3。采用该电容器组则可将电容器组体积缩减至1.8 m3，质量约为1.43 t。若考虑充电系统，蓄电池系统，预计电源系统总体积约为2.5 m3，总质量为3.4 t，已可以达到实战应用水平[5-6]。

若采用高能量密度的交流发电机则可更明显减小电源系统体积和质量，这是最理想的机动电磁迫击炮电源方案。国外某工业公司制造的脉冲交流发电机已经可以为炮口动能为2～5 MJ的轨道炮提供发射所需的能量。该脉冲交流发电机该发电机的体积为1.9 m3，质量为7 000 kg，储能密度达到2 000 J/kg。下一阶段目标是实现8～10 MJ的炮口能量水平。但脉冲发电机目前还需要解决材料强度、冷却和制造工艺等问题来提高能量密度。具体有：采用石墨、玻璃环氧等高强度材料制造空心转子来替代铁心转子，可将储能密度提升至少3倍以上；采用钛合金等材料作主轴提高转速等。如能将储能密度提升至1 000 J/kg，则可应用于机动电磁迫击炮系统。

4.2 高寿命轨道技术

迫击炮的射速较其他支援火炮要高，因此，对轨道寿命提出了更高的要求。由于轨道的烧蚀情况与弹丸速度和轨道线电流密度的平方成正比[7]，其中弹丸速度已规定为450 m/s，在此速度下发射固体电枢，由于速度有限不会导致电枢转捩的问题[8]。同时电枢发射时产生的的铝沉积情况很小不会导致轨道之间的短路，相反由于前一发电枢沉积在轨道上的金属堆积，会在下一发弹丸发射过程中起到润滑作用，使电枢和导轨的接触趋于良好，因此，迫击炮多发弹丸不会严重影响轨道寿命[9]，未来可以采用在轨道或电枢表面镀一层低熔点的金属来起到润滑的作用[10-11]。另外，若想提高寿命需要减小轨道线电流密度，可采用层叠式串联增强轨道来实现，也可考虑新型炮膛结构、分层导轨、斜槽导轨和改善轨道材料等技术来提高轨道使用寿命。

4.3 工作稳定高效的电枢

采用层叠式串联增强轨道炮固体电枢的设计需要从改进现有电枢的材料和结构两方面入手。需要研制高强度、耐高温的电枢材料。另外可考虑采用准流体电枢，若采用聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜等高击穿强度材料来提高多层电枢之间绝缘材料的绝缘性能，可将轨道绝缘层厚度大幅度减小。如果未来需要发射更高速的弹丸，则应考虑混合电枢或等离子电枢。

4.4 高效率轨道炮技术

大口径轨道炮的效率普遍在10%～30%之间，较常规火炮较小。提高电磁迫击炮的效率应从多方面入手，如设计更合理的金属接触结构，改善供电线路的接触性能，减小接触损耗；采用多级供电方法和增强轨道形式，采用准流体电枢防止电枢在发射过程中起弧，改进电源供电性能等。参考国外试验数据，改进的电磁迫击炮效率预计可达到50%以上[12]。

4.5 工程化关键技术

1)实用化炮身。为了提高电磁迫击炮战场维护性，需要设计轻型、安全和易拆装的炮身封装结构，如轨道的使用寿命期满，不能再使用时，可在战场上快速更换轨道。

2)迫击炮后坐力控制。包括炮尾馈电结构设计，轨道炮和供电系统布置等。

3)自动装填。需详细论证采用电磁装填还是传统机械式装填，由于电磁炮炮尾不存在高压密封问题，因此，可采用侧向装填，摆动药室装填技术等，这样可减小装填系统空间，提高装填速度，简化装填机构，节省装填空间。

4)大电流旋转和俯仰炮架设计。包括炮尾结构设计，传输线布置及其和炮身的接口设计等。

5)电磁兼容性及人机工程。若电磁迫击炮安装在机动作战平台上，由于发射时轨道内流过兆安级的大脉冲电流，这对膛内的弹丸和位于迫击炮附近电子仪器的抗电磁干扰能力提出了极高的要求。此外强大的电磁场对周围战斗成员的影响也需要进行深入的研究。

5 结 论

通过对电磁迫击炮的分析和关键技术的论证，提出了具体的工程化解决方案和预期指标，论证发展电磁迫击炮在技术上是可行的，发展电磁迫击炮在技术上已具备了较好的基础。电磁发射技术的研究除了继续研究小型化电源、高寿命轨道、高效率电枢等基础构件外，应将更多精力投入到轨道炮工程化、装备化等关键技术研究上。

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