电磁轨道炮发展趋势及其关键控制技术
2019-08-26李阳秦涛朱捷曹月张杰
李阳,秦涛,朱捷,曹月,张杰
(北京电子工程总体研究所,北京 100854)
0 引言
与传统火炮相比,电磁轨道炮既有高炮反应快、拦截精度高的优点,又比高炮初速高、威力大、射程远、综合毁伤能力强[1],比导弹全寿命成本低,是一种极具潜力的新概念动能武器[2-4],已成为美、英、德、法、俄等军事大国竞相研究的对象。适应电磁轨道炮发射的精确制导弹药正逐步成为各国争夺的重要战场,电磁轨道炮制导控制技术面临巨大挑战。
1 国外电磁炮发展趋势分析
1.1 电磁轨道炮发展历程[5-13]
在电磁轨道炮研究方面,美国一直保持国际领先优势,有关研究不断取得新进展。2003年4月,美国海军用90 mm口径电磁炮样机发射了初速达2 500 m/s以上的射弹,演示验证试验取得成功;2008年,海军研究局在达尔格伦进行了一次电磁轨道炮10 MJ发射动能的发射试验;2010年12月,美国海军第2次完成实际尺寸的电磁炮试射,射程超过200 km,是美军现有射程最远的MK45型舰炮射程的近2倍。2016年11月美国海军完成电磁轨道炮发射试验,在尺寸和质量上已达到实战标准。2017年,美国海军完成电磁轨道炮样机弹药连续发射试验,已实现充能、发射、装弹、充能、再发射循环的自动装填功能,表明美海军电磁轨道炮武器系统已基本具备了武器的全部功能。
2010年12月,美国通用原子公司利用研制的防空型电磁轨道炮的样炮首次成功试射了空气动力学弹丸。2016年3月、2017年5月,先后完成了基于“闪电”电磁炮的高超声速弹药的多次试射。试验搭载集成了制导、导航和控制等功能的增强型制导电子单元(guidance electronics unit,GEU),炮口动能为3 MJ,炮弹及GEU均承受住了30 000过载、高超声速和强磁场条件,飞行稳定受控,工作正常。试验表明,美国陆军电磁轨道炮、高超声速制导弹药和GEU的技术成熟度进一步提高。2018年3月,美GA-EMS公司宣布已获得美国陆军合同,将在3年内研制出电磁轨道炮的原型炮并开展工程化应用,以增强美陆军应对敌方飞机、火箭弹和巡航导弹等气动目标突袭以及其他类型威胁的能力。美国电磁轨道炮发射主要战术技术指标见表1所示。
根据制订的三步走战略,美国正在开展炮弹15 kg质量、64 MJ炮口动能的电磁轨道炮型号样机研制工作,并希望能在2020年~2026年正式列装。这些表明,美国电磁炮的性能离实战化要求越来越近,制约电磁轨道炮发展的关键技术已取得重大突破,已进入工程化应用研究阶段。美国海、陆军电磁炮演示系统和美国陆军高超声速制导弹药发射试验如图1~3所示。
1.2 电磁轨道炮发展趋势
顺应军事应用需求的不断演进,持续跟踪制导弹药、导弹技术及作战模式的发展趋势,可预判电磁轨道炮将会在如下几个方面有进一步的发展:
(1) 与现有武器装备相结合,谋求生成颠覆性作战手段
近几十年来,国外大力发展电磁轨道炮动能武器,与现有武器装备相结合,可充分发挥电磁轨道炮在遂行岸防/要地防御、防空、反装甲、超远程火力压制、反导、反临近空间飞艇作战平台等军事任务中的巨大优势[5,9-10]。但目前和今后一段时期内,电磁发射弹丸的主要任务仍然是反装甲和防空。美国正在研制长7.5 m、发射速度为500发/min、射程达几十km的电磁炮,准备替代舰上的“火神-方阵防空系统”,用它不仅能打击临空的各种飞机,还能在远距离拦截空对舰导弹[9]。同时,美国打靶试验证明,发射质量为50 g、速度为3 000 m/s的炮弹,可穿透25.4 mm厚的坦克装甲,足以对付T-72,T-80等新型坦克装甲。随着电磁发射高速弹丸技术的日臻成熟,将加速构建颠覆性作战手段,成为改写未来战争的利器。
表1 美国电磁轨道炮主要战术技术指标Table 1 Main technical index of the U.S. electromagnetic rail guns
图1 美国海军电磁轨道炮演示系统Fig.1 Demonstration system of the U.S. navy electromagnetic rail gun
图2 美国陆军电磁轨道炮演示系统Fig.2 Demonstration system of the U.S. army electromagnetic rail gun
图3 美国陆军高超声速制导弹药发射试验Fig.3 Launching test of hypersonic guided ammunition in US army
(2) 电磁发射弹药智能化进程加速,促进武器装备跨越式发展
随着电磁发射技术的快速突破,电磁轨道炮炮口动能由2.8 MJ(1984年)增加到33 MJ(2010年),并将逐步延展至64 MJ(2020年)甚至更高,这意味着电磁炮射平台能够发射的弹药有效载荷更大,也为弹药搭载抗高过载制导组件、实现高精度控制能力创造了基本条件。瞄准充分发挥电磁发射高初速、强动能的优势,研究重心也必将逐步从无控弹药向发展具备敏捷快响应、高精度制导、高动能毁伤等能力的一体化制导智能化弹药技术转变,形成对现有武器装备的高效补充。电磁发射弹丸技术的拓展应用,将大大提升现有装备武器的作战能力,引领未来装备武器的跨越式发展。
(3) 微系统、一体化技术的高效应用,为电磁发射制导弹药技术发展提供可能
作为一种颠覆性技术,微系统的应用促进了武器装备向微小型化和智能化发展,以低成本精确制导武器对高价值目标精确打击的作战理念也逐步变为现实[14]。2009年、2015年,美国先后演示了“派克(Pike)”、“长钉(Spike)”2种微型导弹(如图4,图5所示),质量均低于2.5 kg,采用MEMS(micro-electro-mechanical system)导航、半主动激光制导方式,可实现对慢速移动目标精确打击能力。未来借助于结构与功能一体化、系统与分系统一体化、软硬件互相渗透化等技术的广泛应用,通过高效整合弹上软硬件资源,从制导弹药一体化、制导引信一体化(GIF)、制导控制一体化、轻质高强度复合材料应用等方面着手,实现高集成度一体化设计、结构紧凑型布局,必将为轻质一体化电磁发射制导弹药的工程化实现奠定基础。
图4 微型制导弹药PikeFig.4 Mini guided ammunition (Pike)
图5 微型制导弹药SpikeFig.5 Mini guided ammunition (Spike)
2 电磁炮控制系统关键技术分析
我国电磁轨道炮技术研究起步较晚,与欧美国家相比还有一定差距,研究的热点主要集中在电磁发射技术方面,对超高速制导弹药尤其对控制技术的研究相对较少。随着从无控弹向有控弹药过渡,电磁炮制导弹药控制技术将逐渐成为瓶颈问题[15]。在控制技术领域主要面临如下问题:
2.1 弹上控制设备高强度、一体化集成设计问题
在高强度和轻小型化弹药外形的强约束下,须借助于一体化技术,通过高效整合弹上软硬件资源可实现高集成度的一体化设计。如将电气系统和控制软件系统功能集成化;采用微型弹载设备及先进的敏感元件(如MEMS陀螺)实现结构模块化;伺服机构采用高功质比的微型电动机构。未来需通过弹上设备高集成度一体化设计,为实现高精度控制能力创造基本条件。
2.2 弹上控制设备抗高过载、强电磁防护问题
这种高过载、强电磁特性主要体现在弹药发射阶段,且随着未来远射程、高发射初速的需求显现,制导弹药所需承受的抗过载能力、抗静电磁能力也就更强。2017年美国通用原子公司所进行的飞行试验,抗过载能力就高达30 000。目前,国内能够承受数万过载以上的微型舵机及惯性测量器件技术尚不成熟。未来需进一步解决抗高过载、强电磁防护能力,对易损零部件采取加固、缓冲、减震等技术措施,确保在高过载下可正常工作。
2.3 高速大动压飞行条件下稳定控制技术
常规制导弹药大多采用发射后加电、启动方式。对于电磁轨道炮制导弹药,发射初速高达每秒数千米,出筒后弹药才开始加电工作,离轨、与电枢分离等初始扰动对弹药稳定带来很大影响。同时,高速大动压飞行可能带来快时变、强耦合、非线性和气动不确定性等严重问题,稳定控制系统需要具有强鲁棒、快响应能力,以实现自适应稳定控制。
2.4 高精度制导控制问题
为实现对目标的高效毁伤,要求高制导精度最好能实现零脱靶。在低成本、高精度、轻小型、抗高过载发射环境等强约束条件下,高超速飞行过程中还受到过载、动压、防热等多种约束条件的限制,多条件协同优化难度大。因此,在解决弹药搭载抗高过载制导组件问题后,需进一步解决弹道设计及优化技术、制导控制引信一体化设计等技术难题,以实现高精度制导控制。
2.5 性能综合验证与评估问题
由于电磁轨道炮制导弹丸超高速飞行,在飞行过程中受到的干扰因素很多,制导控制系统设计过程中需要考虑的约束条件、满足的指标种类复杂。因此,需开展全程飞行性能综合验证与评估技术研究,深入分析弹药整体和各项性能,为未来电磁轨道炮武器系统提供研究基础。
3 结束语
当前,为谋求颠覆性作战手段生成,各军事强国均在竞相开展电磁轨道炮技术研究并不断取得新的进展,适应电磁轨道炮发射的精确制导弹药正逐步成为各国争夺的重要战场。电磁轨道炮制导控制技术存在许多重大基础科学问题,关键技术面临巨大挑战。随着电磁轨道炮制导控制系统关键技术的最终突破,必将极大推动电磁轨道炮武器实战化应用,成为改写未来战争的利器,还将进一步拓展提升现有装备武器的作战能力,引领未来装备武器的跨越式发展。