电磁轨道炮电枢技术研究进展

杜传通，雷 彬，金龙文，向红军，孟学平

(军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003)

电磁轨道炮电枢技术研究进展

杜传通，雷 彬，金龙文，向红军，孟学平

(军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003)

电枢作为电流和电磁力的载体，在电磁轨道炮中起着将电能转换为弹丸动能的关键作用。通过对国内外电磁轨道炮电枢资料的搜集分析，论述了不同类型、形状的电枢和轨道炮一体化弹丸的研究进展。结合电枢技术特点及其发展趋势，提出了以电磁轨道炮实用化为应用背景的一体化弹丸对电枢的要求及其研究方向。

兵器科学与技术；轨道炮；电枢；一体化弹丸

纵观世界常规武器的发展史，火药的发明及其在武器上的应用，在本质上改变了战场的局面，影响了世界政治格局，并经过长期的发展，化学能武器在常规武器中占据了巩固地位。随着现代科技和武器工业的发展，现代立体化战争对时间和空间的要求越来越高，其中武器系统射程越远、精度越高，空间因素对战争的影响也就越低，同时武器系统反应速度越快、射速越高，也可以把时间因素的影响降到最低。因为弹丸的初速越高意味着其射程就越远，而且在射程一定的前提下，更高的初速意味着更短的飞行时间和更大的威力，从而可提高对目标的命中率和毁伤程度。然而传统的化学能武器一度受到火药燃气的滞止声速的限制，即使采用新型火药，降低火药燃气的分子量，弹丸初速度也难以超过2 km/s的速度。欲使弹丸速度继续提高，必须从能源角度入手解决问题。需求推动技术的发展与革新，于是电磁发射武器应运而生。

电磁轨道炮是电磁发射类武器中，研究历史最悠久、技术最成熟的一种新概念动能武器。1978年，澳大利亚国立大学的Marshall等，在5 m长的轨道炮上，成功地把3 g的弹丸加速到5.9 km/s的初速度[1]。这一试验的成功暗示了该项技术的极大军事应用潜力，引起了各军事强国的研究热潮，并推动了电磁轨道炮的发展。2012年2月，美国海军在位于佛吉尼亚州达尔格伦市的美国海军水面战中心，对动能为32 MJ的首台电磁轨道炮“原型机”进行了测试，这代表了目前最先进的世界水平。

轨道炮弹丸作为武器系统中必不可少的组成部分，与传统弹丸相比具有明显的区别和特点，其中电枢作为轨道炮弹丸的一个关键部件，发挥着承载电流、推动弹丸的重要作用。由于电枢在强磁场、强电场的环境下工作，其性能的优劣将直接影响到电磁轨道炮的发射性能和效率，因此，深入研究电枢工作机理和发射性能是促进电磁轨道炮应用于实战的重要基础[2]。

1 轨道炮基本原理及电枢的特点

简单电磁轨道炮的主体部分由两条平行的轨道和一个与轨道接触良好且能够沿着轨道自由滑动的电枢组成，如图1所示。接通电源后，电流沿着其中一条轨道流动，通过电枢，沿着另一条轨道流回。这时电枢在安培力的推动下沿着轨道加速运动，从而获得高速度。

电磁轨道炮的电枢有如下特点：

1)因为在发射过程中电枢处于电流回路中，因此大电流从电枢中流过，并伴随着升温及融化等现象。

2)枢轨界面接触属于大电流高速载流摩擦磨损机制，为了保证良好的电接触状态，枢轨界面需要稳定的接触力。在接触状态不良时，会出现转捩、烧蚀等现象，进一步会发生枢轨材料的机械损伤现象，即刨削现象。

3)电枢作为发射过程中的主要受力部件，与战斗部、弹托等部件共同组成电磁轨道炮弹丸，因此在满足各项发射要求前提下，电枢质量应该尽量小，以提高战斗部的终点毁伤能力。

2 电枢的研究进展

随着电磁轨道炮技术的发展，电枢的研究也深入到了力学、材料和电传导等各项性能研究中。

2.1 不同类形电枢

2.1.1 固体C形电枢

C形电枢亦称U型电枢，是目前国内外研究最为广泛的电枢。早期轨道炮研究者们发现，利用块状方形电枢发射时，采用过盈配合的方式填装电枢，随着电枢的滑动和速度的提高，电枢的侧表面磨损和脱落将导致枢轨间金属接触失效，并引起烧蚀。为了克服此现象的发生，1944年Hansler利用弹簧为电枢的侧翼产生法向力，以保持枢轨界面间的电接触状态，如图2所示，后来到了70年代初期Marshall提出了V形电枢模型[3]，并发展到了今天的C形电枢。

学者们对C形电枢的电流分布、生热现象及接触性能等方面进行了广泛而深入的研究，也出现了在C形电枢基础上发展的其他改进或变化的C形电枢。图3所示为普通C形电枢和美国德克萨斯大学奥斯汀分校研制的马鞍状电枢，低速试验中马鞍状电枢的侧表面和颈部区域很少出现了电弧烧蚀现象，并且在高速试验中枢轨界面的接触电压得到了明显的下降，这将有助于减小枢轨界面间的能量损耗[4]。

上世纪80年代末，IAP研究机构提出了新型电枢概念——磁性闭塞体(Magnetic Obturator)电枢，其结构如图4所示。在电枢的发射初始阶段，楔形块在弹簧载荷的作用下与轨道间保持预紧力；由于电枢本体的质量相对楔形块大很多，而且与弹体联系在一起，因此在电枢的加速运动阶段，楔形块具有相对较大的加速运动趋势，而在轨道和电枢本体的约束作用下，楔形块与轨道表面保持良好的接触[5]。由于本身结构的特殊性，磁性闭塞体电枢有可能实现理论上的最小电枢质量，但是在目前研究阶段与轨道的接触压力和间歇性电弧放电等方面的稳定性不如C形电枢。

2.1.2 刷状电枢

上世纪70年代末，Westinghouse公司为美国海军研制船舶推进装置时，率先开始使用刷状电枢，后来被利用到电磁轨道炮研究领域中[3]。法德圣路易斯研究所是利用刷状电枢进行电磁轨道炮研究最多，而且到目前为止一直使用铜刷电枢的少数研究机构之一，刷状电枢结构如图5所示[6]。

目前法德圣路易斯研究所的试验显示，刷状电枢在速度超过2 km/s时，其摩擦、轨道烧蚀和接触转变等方面表现出了良好的性能，并利用刷状电枢开展了多发速射轨道炮系统的研究，实现了30 Hz的发射频率[7-8]。但是在试验中也发现了不足，即在高加速度加载条件下，无支撑的电刷具有与轨道表面脱离的倾向[9]。

2.1.3 准流体电枢

为了解决电枢与轨道之间预加载荷降低的问题，多年前Marshalll提出了准流体电枢的概念，即设想用洛伦兹力产生的流体静压力使电枢与轨道接触[1]。中国的北京特种机电研究所、中科院电工所和华中科技大学等单位共同进行了准流体电枢的研制和试验等工作[10-12]，准流体电枢结构如图6所示。

准流体电枢通常由数层高传导率叠层铝片和充气弹簧组成，并用凯夫拉线(Kevlar)缠绕固定。准流体电枢利用充气弹簧保持电枢与轨道接触，具有质量轻、依从性好、电枢臂短等优点[13]。然而在有些发射试验中，由于弹丸及电枢材料本身不够牢固，会发生转捩和破坏现象[14]，有关准流体电枢的抗烧蚀技术需要进一步研究。

2.1.4 等离子体电枢与混合电枢

上世纪80～90年代，人们为了突破固体电枢的速度极限，将大量的研究工作投入到了等离子体电枢研究领域[15-16]。而且近几年，随着美国提出利用等离子体电枢轨道炮发射小型卫星的设想，又重新受到了关注[17]。等离子体电枢通常是由置于发射组件后面轨道间的金属箔片直接产生。金属箔片的作用就像一个电熔丝，当脉冲大电流流过时，金属箔片就会爆炸并产生等离子体云，并继续传导馈入的电流，推动弹丸前进。但是电弧辐射的能量使炮膛壁的绝缘材料气化，导致炮膛内充满高密度惰性热气体，当电枢达到高速度并且炮尾电压达到高压击穿条件时，会产生“二次电弧”现象[18]。这将浪费大量的能量，而且对炮膛内造成严重损伤，因此为了克服这些问题需要更深入的研究。

综合分析固体电枢和等离子体电枢的优缺点后，人们提出了混合电枢的概念。其中一种概念是炮膛横截面的大部分由铝固体电枢传输电流，而固体电枢和轨道间隙部分由等离子体传输电流，如图7所示。此方法的好处在于可以有效降低电枢质量，而且原有固体电枢轨道炮中的枢轨间固-固接触变为固-等离子体-固接触。上世纪90年代，美国田纳西大学对此类混合电枢进行了相关的仿真和试验研究[19-20]，但是目前有关混合电枢的研究非常少见。

2.2 不同形状截面炮膛的电枢

2.2.1 矩形、圆形截面炮膛电枢

矩形截面炮膛是最常见的轨道炮炮膛类型，由于设计相对简单、加工成本低，大部分试验型轨道炮中采用了矩形截面炮膛。通过变化矩形截面的长宽比，可以实现轨道炮电感梯度的调整[21]，而且通过调节轨道之间的间距，可以灵活地施加枢轨界面预紧力。

与矩形截面相比，圆形截面炮膛的制作费用昂贵、维护成本高，但同时具有明显的优点，即与传统的弹丸可以较好地匹配，可以方便地进行进一步的一体化弹丸研究。美军试验用圆形截面炮膛电枢如图8所示。

2.2.2 串联增强型轨道炮电枢

较大的电感梯度有利于提高电磁轨道炮的发射性能，虽然通过改变简单轨道炮的轨道截面形状和轨道间距，可以提高电感梯度，但是过大的调整会导致明显的结构变形，因此人们提出了增强型轨道炮的概念[22]，如图9所示。

该类型轨道炮利用其多对轨道通电时叠加的磁场，增加轨道的电感梯度，使得在轨道承载同样电流的情况下电枢获得更大的推动力，从而达到更高的出口速度[23]。由于增强型轨道炮的炮膛与简单轨道炮相似，因此其电枢也类似于简单轨道炮。但是在多匝轨道炮中具有多匝电流回路，因此在弹丸中也有多条电流通道，同时，为保证电枢与轨道的有效接触，中国的北京特种机电研究所等单位，使用气垫电枢和准流体双匝电枢进行了双匝轨道炮试验[13]，如图10所示。

2.3 一体化弹丸的研究

与常规火炮发射不同，电磁轨道炮的弹丸系统包括了若干组件：战斗部、电枢、弹托等[24]。电磁轨道炮的发展一直是以军事实用化为目标，所以只有将各种电枢应用于电磁轨道炮弹丸设计中，才能获得最佳的打击效果。

2.3.1 轨道炮用长杆侵彻弹

穿甲弹一直以来是陆军主要的反装甲武器之一，与传统的弹药相比，利用电磁轨道炮将穿甲杆加速到超高速，可以大幅提高穿甲威力。从上世纪90年代中期开始，美国德克萨斯大学奥斯汀分校等单位在美国陆军的支持下，对轨道炮发射用长杆侵彻弹进行了研究[25-26]，如图11所示。

长杆侵彻弹大多采用长杆中段受轴向推动力的方式，弹托在电磁力的作用下，夹着长杆飞出炮膛后脱壳，这有利于弹丸在炮膛内的稳定性及长杆的外弹道性能。

2.3.2 轨道炮用远程制导弹

精确制导是目前炮射类弹药发展的重要特点之一，尤其对于海军来讲，超远程制导弹药可以实现大纵深非接触精确打击和对岸远程火力支援等多种作战目标。美国海军致力于研究远程舰载电磁轨道炮系统，其目标是将超过16 kg的弹丸加速到大于2 km/s的炮口速度[27]。根据远程制导弹的应用背景需求，要求其弹丸具有制导和携带有效载荷能力，因此采用C形电枢推动弹丸底部的力加载方式[28]，其结构如图12所示。

3 一体化弹丸对电枢的要求

近年来，随着电磁轨道炮逐步向实战应用发展，各国对其弹丸的设计给予了高度重视。而由于电磁发射环境的复杂性，弹丸组件一般要承受105～106倍加速度、不稳定磁场和高温(10 000～20 000K)环境[29]。其中电枢作为导通整个回路的关键组件，对一体化弹丸发挥高效能起着关键作用。电枢的选择会影响到战斗部、弹托等组件在复杂发射环境中的受力情况。这就对一体化弹丸中的电枢提出了严格要求。

3.1 结构设计

目前电磁发射试验装置中，V形和U形固体电枢比较常用，因为电流流经V形或U形电枢后，电枢后部会产生一个与导轨表面垂直的电磁力分量，使得电枢与轨道保持良好的滑动电接触。而对于一体化弹丸，电枢中不均匀电流会导致弹丸受力不平衡。为适应一体化弹丸的发射要求，根据电枢相对战斗部的作用位置，电枢可分为底推式和中置式。

3.1.1 底推式电枢

在底推式一体化弹丸中，弹丸驱动力是靠电枢通过推板传递。为使电枢质量最小，电枢的稳定性在电枢设计中可不用考虑，而是用弹托来使电枢保持稳定[30]。图12即为此类弹丸。由于弹丸在发射过程中可能会受力不对称，弹托与电枢结合面必须能够保证战斗部的对称性。

3.1.2 中置式电枢

中置式电枢分为两种，一种是电枢与弹托分离，电枢中产生的驱动力传递给弹托;另一种是电枢与弹托为一整体。在一体化弹丸设计中，为减少整体质量,通常是将电枢和弹托的功能相结合，从而进一步减小弹丸组件质量，如图13所示。然而，这种设计情况下，电枢与轨道之间的接触状态发生改变后，一体化弹丸的侧向稳定性就会受到破坏，即弹托无法起到稳定弹丸的作用。

3.2 材料性能

当固体电枢沿轨道炮炮膛运动时，它与导轨间的金属-金属接触间的电流不再平稳，可能会导致电枢与导轨接触面间发生电弧击穿，一团等离子体迅速生成，枢轨界面由固体-固体接触转变为固体- 等离子体-固体接触，即发生转捩，同时伴随有烧蚀现象，严重影响电磁发射效率、弹丸稳定性和炮膛的使用寿命。

电枢发射转捩主要是由于热效应的积累使电枢材料融化、气化，所以，电枢材料需具有较高的相变潜热、电导率、热导率。同时，考虑到弹丸质量，电枢的密度应较小。

4 结束语

随着电磁轨道炮技术的发展，出现了多种不同结构、材料和性能的电枢。目前为止，虽然电枢的损伤问题，例如枢轨接触界面间的烧蚀、刨削现象，并未得到完全解决，但是随着研究的深入，预计在不久的将来这些问题会得到解决，同时电磁发射弹丸技术也会更加完善。

因此，在下阶段的研究工作中，应加强以电磁轨道炮实用化为应用背景的一体化弹丸的研究，突出弹丸反装甲和防空任务，重点应包括以下几个方面：弹丸在炮膛内的运动稳定性；发射过程中电子部件的电磁兼容性；在高g值加速度条件下弹丸及各子部件的抗过载性能；超高速条件下弹丸的脱壳及外弹道特性。

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Research Progress on Armature Technology in Electromagnetic Railgun

DU Chuantong, LEI Bin, JIN Longwen, XIANG Hongjun, MENG Xueping

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei,China)

As a carrier of current and electromagnetic force, the armature plays an important role in railgun to convert the electrical energy to the kinetic energy of the projectile. By collecting and analyzing the armature data of the electromagnetic railgun, research progress on the armature and the integrated launch package technology were enunciated in this paper. Based on the characteristics of the critical technology and the development trend of the armature, presented were the research direction and the requirements for armature of the integrated launch package with the application background of the electromagnetic railgun.

ordnance science and technology；railgun；armature；integrated launch package

2016-07-18

杜传通(1992—)，男，硕士研究生，主要从事电磁发射技术研究。E-mail：13503219757@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.020

TJ99

A

1673-6524(2017)02-0094-07