串联增强型电磁轨道炮技术特点与发展现状

万 敏，王志恒，李小将

（1.装备学院研究生管理大队，北京 101416；2.装备学院航天装备系，北京 101416）

串联增强型电磁轨道炮技术特点与发展现状

万 敏1，王志恒1，李小将2

（1.装备学院研究生管理大队，北京 101416；2.装备学院航天装备系，北京 101416）

串联增强型电磁轨道炮具有出口速度快、能量利用率高、电源要求低和轨道寿命长等优点，是电磁轨道炮重要的发展方向之一。介绍了电磁轨道炮基本原理与限制其发展应用的技术瓶颈；阐述了2种主要的串联增强型电磁轨道炮基本原理，从电感梯度、出口速度与能量利用效率、电源要求、轨道寿命4个方面分析了技术特点；总结了国内外研究机构的研究现状与研究进展；论述了串联增强型电磁轨道炮发展的限制因素及未来的发展方向。

电磁轨道炮；串联增强型；轨道结构；电感梯度

电磁轨道炮简称轨道炮，它是一种依靠轨道与电枢间相互作用的电磁力来加速弹丸的新型发射装置。与传统火炮相比，具有出口速度高、射程远、杀伤力大的优势，因此成为美、英、德、法、俄等军事大国竞相研究的对象。串联增强型轨道炮是一种新型轨道结构的轨道炮，它利用多对轨道通电时叠加的磁场，增加轨道的电感梯度，使轨道在承载同样电流的情况下电枢获得更大的推动力，具有更高的出口速度。由于串联增强型轨道炮的显著优势，使其成为了轨道炮的重要发展方向和研究热点之一。

1 轨道炮基本原理与技术瓶颈

1.1 轨道炮基本原理

轨道炮主要由高功率脉冲电源、轨道、电枢、弹丸和开关等组件组成。其利用直流电动机的原理，当轨道与电枢通入电流时，轨道产生的电磁场与电枢中的电流发生作用，产生洛伦兹力，推动电枢与弹丸前进［1］。其原理图如图1所示。

1.2 轨道炮技术瓶颈

自1901年挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰（Birkeland）正式提出电磁炮的概念并进行了一系列的试验以来，电磁炮经过了100多年的发展历程，无论其理论还是试验都取得了长足进步［2］。特别是在1978年，澳大利亚国立大学的马歇尔（Marshall）教授宣布其试验团队在5 m长的轨道上成功将一颗3 g的弹丸加速到5.9 km／s的超高速之后［3］，电磁轨道炮的研究进入了飞速发展的时期。2010年12月10日，美军成功试射了出口动能33 MJ，射程204 km的电磁轨道炮样机［4］，刷新了炮口动能的记录，同时也标志着电磁轨道炮距离实战又进了一步。然而，电磁轨道炮想要真正地应用于现代战场，还需要着力解决以下几个关键性问题。

1）脉冲电源小型化问题。电磁轨道炮发射时需要通入兆安级的电流，功率往往也达到吉瓦级，这对电源提出了较高的要求，常规电源无法支撑这样的功率和电流要求，一般采用脉冲功率电源。脉冲功率电源主要包括：电容储能式、电感储能式、惯性（飞轮）储能式、高功率化学能式、核-电脉冲式［5］。目前，脉冲功率电源的小型化主要集中在电容储能式与惯性储能式两个方面。电容储能式脉冲电源具有技术成熟、充放电时间短、瞬时功率高、环境影响小等优点，但其储能密度较低，一般在2 MJ／m3以下；惯性储能式脉冲功率源具有使用寿命长、储能密度高、瞬时功率大、能量转换效率高、环境污染小等优点，但其技术不成熟、控制辅助设备复杂、对飞轮的结构和材料有较高要求［6］。因此，要解决脉冲电源小型化问题还需要进一步提升电容储能式脉冲功率源的储能密度，完善惯性储能式脉冲功率源的技术。

2）轨道寿命问题。轨道发射器的使用寿命一直制约着电磁轨道炮的发展，是现阶段阻碍电磁轨道炮应用于实战的主要限制因素之一。轨道在工作过程中，不仅承载兆安级大电流，同时也与电枢之间保持着几千米每秒的滑动电接触，在这样的极端条件下，轨道和电枢之间会发生熔化、转捩、刨削等问题，影响轨道的使用寿命［7］。早期电磁轨道炮试验装置多采用等离子体电枢，轨道只能单次使用。20世纪90年代后，开始采用固体电枢技术，并针对熔化、转捩、刨削等现象开展了大量的仿真与试验研究，取得了一系列的成果，使轨道的使用寿命大幅增加。目前轨道的使用寿命虽已提升到百发的量级，但距离真正的实战应用要求还有不小的距离。

3）发射组件问题。电磁轨道炮的炮弹一般由弹丸和电枢组成。弹丸是发射组件的有效载荷，利用巨大的动能来杀伤和摧毁目标，电枢是发射组件的关键部件，负责将电能转换为动能。目前弹丸的研究重点为制导弹药的抗过载能力研究，电枢的研究主要集中于固体电枢的设计与试验研究。在发射过程中，弹丸加速度在数万个g以上，轨道内电场、磁场异常复杂，电流的焦耳热对枢轨接触面的烧蚀效应突出，因此需要对弹丸的抗过载能力特别是制导弹药的抗过载能力展开研究，对电枢的结构和材料进行合理的设计与选择，改善电流密度分布与焦耳热分布情况，减缓或避免轨道与电枢接触面的烧蚀，提升武器的使用效能。

在常规的轨道炮中，作用在电枢上的力与电流的平方成正比，与轨道的电感梯度也成正比。由于常规轨道炮的电感梯度已经基本固定在0.5μH／m左右，因此要想进一步提高出口速度或者加速大质量的弹丸，可以加大驱动电流值，但大的脉冲电流不仅增加了高功率脉冲电源的规模，而且往往也会对导轨产生严重烧蚀与电磁力破坏［8］。于是为解决限制轨道炮发展的技术瓶颈，研究人员从提升电感梯度与降低电流入手，提出了串联增强型轨道炮、分散馈电轨道炮、分段轨道炮以及外场增强型轨道炮等多种新型轨道炮。其中，串联增强型轨道炮以其优异的性能与较简单的结构成为增强型轨道炮的研究热点。

2 串联增强型轨道炮基本原理及其技术特点

2.1 串联增强型轨道炮基本原理

把多匝轨道串联起来由一个独立电源供电，以此增大磁场、减少轨道电流和增大轨道电感梯度的轨道炮形式称为串联增强型电磁轨道炮［9］。串联增强型轨道炮主要分为两种：平面式增强型和层叠式增强型。

在主轨道外围绕主轨道串联新的轨道，且与主轨道处于同一平面的增强轨道形式称为平面式增强型轨道，如图2所示。其原理为利用外置增强轨道通入电流时产生的磁场来增大主轨道间的磁场强度，提升等效电感梯度，最终增强电枢所受的洛伦兹力，达到提升电枢的出口速度的目的。

将轨道层叠起来，通过炮尾的跨接导体和互相独立的电枢将轨道连接起来的形式称为层叠式增强型轨道，如图3所示。其原理同样是利用多轨道来增强磁场强度。与平面增强型轨道不同的是层叠增强型可以加速多个独立的电枢，并形成齐射效果。

2.2 串联增强型轨道炮技术特点

串联增强型轨道炮作为新形式的轨道炮，技术特点可归为以下4点。

1）更高的电感梯度。电感梯度是衡量轨道炮最重要性能参数之一，串联增强型轨道炮利用多匝轨道叠加磁场大大提高了轨道的电感梯度值。理论上，层叠式轨道的电感梯度可得到N2倍的提升，平面式轨道也可得到N倍的提升（N为轨道对数）［10］。

2）更高的出口速度和能量利用效率。在同样的电流驱动下，串联增强型轨道炮具有更高的电感梯度，相对于常规轨道炮电枢受到的推动力更大，加速度更高，出口速度更大，能量利用效率也有所提高。

3）更低的电源要求。与常规轨道炮相比，在产生同样大小的电磁力的情况下，串联增强型轨道炮具有更高的电感梯度，因此需要的电流值更小，降低了对脉冲电源的要求，有利于解决脉冲电源小型化问题。

4）更长的轨道寿命。由于串联增强型轨道炮需要的脉冲电流较常规轨道炮要小，因此在其发射过程中产生的焦耳热相对较小，减轻了轨道和电枢的烧蚀，提升了电枢的转捩速度，有利于提升轨道的使用寿命。

3 串联增强型轨道炮发展现状及方向

3.1 串联增强型轨道炮发展现状

目前，世界上几个主要的电磁炮研究机构都对串联增强型电磁轨道炮展开了相关研究，部分机构还进行了一系列的试验研究，获取了宝贵的试验数据。

在国外，美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）［11］在N00173- 02- C- 2012项目的支持下，以设计低电流高效率的轨道炮为目标在实验室中建立了炮长820 mm，口径40 mm的小型平面式增强型轨道炮试验系统，如图4所示。试验成功地将130～400 g的发射组件，加速到50～250 m／s的速度。试验结果很好地符合理论预测，并与常规轨道炮的发射参数进行了比较分析，证明串联增强型轨道炮相对于常规轨道炮能够降低电流要求且提升发射效能。

法德圣路易斯研究所（French-German Research Institute Saint Louis’s，ISL）［12］在实验室建立了15 mm×15 mm的方口径平面式增强型电磁轨道炮，如图5所示，比较特别的是该轨道炮使用的电枢为电刷式电枢，如图6所示。在使用双电刷电枢进行发射试验时，串联增强型轨道炮的出口速度达到了1 120 m／s，且没有发生转捩现象，相较于相同条件下常规轨道炮370 m／s的出口速度，提升效果十分明显。

美国先进技术研究院（Institute for Advanced Technology，IAT）［1314］也对串联增强型轨道炮展开了深入的研究。在70多种不同几何构造的轨道配置中，IAT选择层叠式四轨道为设计基础，研制了40 mm方口径与120 mm圆口径两门串联增强型轨道炮，如图7所示，用以研究增强型轨道炮在发射大质量弹丸方面的能力，据文献报道两门轨道炮的电感梯度达到了1.8μH／m。在发射试验中，两门轨道炮分别将质量为1.8 kg与17 kg的弹丸加速到400 m／s以及500 m／s的速度，试验结果超过了研究人员的预期，证明了串联增强型轨道炮在发射大质量弹丸方面的具有一定的潜能。

鉴于串联增强型轨道炮的优势，在国内武汉大学机电工程学院、华中科技大学、郑州机电工程研究所、中国科学院电气工程研究所与北京特种机电研究所等均展开了相关研究。

武汉大学机电工程学院［15-16］在实验室中建立了平面式增强型轨道炮与层叠式增强型轨道炮的试验系统，如图8所示，并利用理论推导和有限元分析的方法，对两种增强型轨道炮的电感梯度、电流密度分布以及发射过程进行仿真分析，得出了层叠式在性能上优于平面式的结论，并通过发射试验证明了层叠式增强型轨道炮在发射性能上优于平面式。

郑州机电工程研究所［10，17］针对大口径串联层叠式轨道发射技术展开研究，设计结构参数分别为长4.5 m，口径140×120 mm，20层轨道的M1型与长7 m，口径400×370 mm，30层轨道的M2型两套发射装置，如图9所示。并分别将质量为5 kg和300 kg的弹丸加速到35 m／s的速度。虽然载荷的出口速度不高，但值得关注的是两套发射装置的驱动电流仅为2.5 k A与9 k A。他们的研究成果表明了串联增强型轨道发射技术能够利用较低的电流发射大质量的弹丸。

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中科院电气工程研究所和北京特种机电研究所［18］研制的串联层叠式增强型轨道炮如图10所示，炮长1 m，轨道为两层设计，每层轨道内径尺寸为30 mm×60 mm，电感梯度1.3μH／m。

同时，为保证电枢与轨道的有效接触，研究人员设计了一种如图11所示的气垫电枢，可通过充气将接触压强提升到5 MPa。该增强型轨道炮在发射试验中成功地将质量为534 g的电枢加速到290 m／s且没有转捩现象。

3.2 串联增强型轨道炮发展方向

虽然串联增强型轨道炮有着良好的性能，但也存在着一些因素限制其进一步的应用与发展，主要表现在以下几点。

1）轨道、电枢结构复杂。串联增强型轨道炮的多匝轨道需要通过电流跨接装置进行连接，轨道对数越多跨接装置越复杂，轨道通入脉冲大电流产生强大的互斥力，易对跨接装置造成变形等。在电枢方面，平面式增强型轨道炮电枢与常规轨道炮电枢并无区别，但层叠式增强型轨道炮电枢之间需要使用绝缘材料进行隔绝，轨道对数越多电枢与轨道失接触的概率越大。

2）通流能力不高。导体中通过脉冲电流或者交变电流时，导体内部电流分布不均匀，电流集中在导体表面部分，这种现象称为趋肤效应。由于电流的趋肤效应，轨道表面电流密度远大于内部电流密度。仿真结果表明在同样大小的驱动电流下，相较于常规轨道炮，串联增强型轨道炮轨道内部电流分布更不均匀，轨道表面最大电流密度值更大［19］，轨道与电枢的温升更高，因电枢融化失接触的概率更大，通流能力较低。

根据串联增强型轨道炮的目前的发展现状与限制因素，可推出以下两点发展方向。

1）轨道、电枢的优化设计。设计合理的轨道跨接装置，并做好封装，减小互斥力对跨接装置的影响；对轨道-电枢的结构进行设计与分析，选取电流分布特性更均匀的结构形式，提升轨道的通流能力。

4 结束语

串联增强型轨道炮作为常规轨道炮的一种结构改进形式，无论是在理论分析方面还是试验验证方面都被证实能有效地提升轨道炮的性能，降低脉冲电源的要求，延长轨道的使用寿命，具有较高的研究价值和应用潜能。然而相对复杂的结构与较低的通流能力限制着其进一步的发展与应用，特别是在侧重可靠性与稳定性的工程实践领域，这也是现阶段大部分研究在试验室开展的原因之一。因此需要在结构设计、材料选择等方面展开进一步的研究，解决更大推力与通流能力之间的矛盾，推动增强型轨道炮从实验室走向战场。

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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

万敏（1988－），男，硕士研究生，主要从事兵器科学与技术研究。E-mail：wanmin08006328＠foxmail.com