舰用电磁发射技术研究综述

2020-10-28谭大力王擎宇张晓谞

舰船科学技术 2020年7期

腾腾，谭大力，王擎宇，张晓谞

(海军研究院，北京 100161)

0 引言

电磁发射系统（Electromagnetic Launch System,ELS）是一类以电能为能源，将电能转化为发射负载动能的能量转化设备[1-2]。根据不同的设计目标，电磁发射系统的发射能级从几十千焦到几十甚至上百兆焦不等，与化学能发射相比电磁发射系统对负载的发射过程通常能够精确控制。人类对能源的利用经历了最初的人力时代，到以弓弩为代表的机械能时代，再到以火药武器为代表的化学能时代，每一次能源的变革都为人类带来投射能量1～2 个数量级的飞跃[3-4]，而电磁发射技术必将成为下一次人类能源利用的革命。以综合电力系统驱动的，全电武器舰船将成为大国海军未来的发展方向之一。

1 电磁发射系统的典型组成与原理

从1822 年安培发现电的磁效应开始，科学家们一直致力于对电磁发射系统的研究[3]，1844 年Colonel 首次提出了“电磁炮”的概念[5]，直到近年来大容量储能技术和大功率电力电子技术投入工程应用，电磁弹射、电磁轨道炮等实用化的电磁发射系统相继被研制出来并投入试验和使用[6-7]。

典型的电磁发射系统通常由储能设备、电能变换设备、发射装置和控制维护设备构成，如图1 所示。电磁发射系统在工作时，储能设备先以较小的功率从电网长时间地存储能量，当存储的能量满足发射需求并接收到发射指令时，储能设备向电能变换设备释放电能，电能变换设备将电能变换为发射装置所需的脉冲大功率交流或直流电，发射装置利用电磁力推动发射负载运动，控制维护设备负责发射的作业流程控制，并对全系统进行健康监测和管理[8-9]。

2 电磁发射系统的分类与技术特点

根据电磁发射装置利用电能的原理不同可以分为轨道式电磁发射装置、线圈式电磁发射装置和电机式电磁发射装置。此处需要说明的是，李力毅等[3]认为电磁发射的分类中包含的重接式电磁发射装置，从原理上和线圈式的电磁发射装置并无本质的区别。

2.1 轨道式电磁发射装置

轨道式电磁发射装置是以电的磁效应为基本原理，是一种接触式的电磁发射装置。如图2 所示，轨道式电磁发射装置通常由轨道和电枢组成，2 根轨道相互绝缘，电枢在整个运动过程中保持与2 根轨道的接触并导通。在轨道上施加一个电流，电流流过电枢，从无到有的电流将产生一个感应磁场，流过电枢的电流在这个磁场中会受到安培力的作用。精确地控制施加电流的变化，可以使电枢受力向预定的方向运动，从而使电枢推动发射负载实现发射动作。

图2 轨道式电磁发射原理Fig.2 Rail-type electromagnetic launch principle

轨道式电磁发射装置的典型代表是电磁轨道炮和电磁迫击炮[10]。美国和英国BAE 公司合作研制的电磁轨道炮目前已经实现了32 MJ 炮口动能的发射试验，能够将10 kg 的弹丸加速到2 500 m/s。

目前，轨道式电磁发射装置能够实现较大能级、较高速度的负载发射能力，是各主要国家下一代火炮类武器的主要研发目标之一。但是，轨道式电磁发射装置也面临一些亟待解决的难题，例如发射速度已接近接触式发射的极限，受制于材料、工艺等，目前轨道式电磁发射的发射速度难以进一步提高[11]。

2.2 线圈式电磁发射装置

线圈式电磁发射装置是一类非接触式的电磁发射装置，如图3 所示。线圈式电磁发射装置一般由多级按序排列的发射线圈、发射负载和相应的供电、控制部分组成，发射负载外侧可以是多匝闭合线圈，也可以是金属套筒[12]。当对发射负载所处的发射线圈施加脉冲电流时，在发射负载外侧感应出一方向相反的环形电流，此环形电流与两线圈间的磁场相互作用产生电磁力，驱动发射负载向前运动。当发射负载达到各级发射线圈的适当位置时，发射线圈逐级放电，实现负载的发射。

线圈式电磁发射装置的典型代表是电磁线圈炮。美国桑迪亚实验室研制的长0.8 m，直径0.1 m，有6 级线圈的电磁线圈炮，可使5 kg 重的射弹的出口速度达到335 m/s，发射能级达到280 MJ[13]。

与轨道式电磁发射装置相比，线圈式电磁发射系统由于是非接触式发射方式，理论上具有更高的发射末速度。但是，由于发射线圈通电时机与发射负载相对位置有较精确的关系，随着负载速度的提高，对发射负载位置的准确检测、对发射线圈开通时机的把握以及对大功率电流供电品质控制等成为制约线圈式电磁发射装置进一步提升发射末速度的主要技术难题。

图3 线圈式电磁发射装置Fig.3 Coil-type electromagnetic emission device

2.3 电机式电磁发射装置

电机式电磁发射装置是目前发展范围最广的一类电磁发射装置，通常以直线电机作为发射装置，以电力逆变器作为电能变换设备。根据驱动发射负载的方式不同，电机式电磁发射装置又可以分为直驱式和间接驱动式2 种。直驱式是以电机的动子通过机械结构直接与发射负载连接，推动发射负载前进；间接驱动式是以电机的动子推动某种介质，后介质推动发射负载前进。

直驱电机式电磁发射装置的典型代表是美“福特”号航母上装备的电磁弹射装置（EMALS）[6]，舰载机前轮的弹射杆通过与固定在直线电机动子上方的往复车挂接，拉拽舰载机弹射起飞。

此外，“福特”号的先进阻拦系统中，电磁阻拦部分可以说是一类特殊的电机式电磁发射装置，其阻拦电机产生与负载运动方向相反的制动力矩，阻拦系统的基本构成与电磁发射系统类似[14]。

与前2 种方式相比，电机式电磁发射对发射负载末速度的控制最为精确，通常可以达到±1 m/s[15]。同时，可以实现对发射负载发射过程运动轨迹的灵活设定，以适应多种类型发射负载不同的载荷特性需求。

对于电机式电磁发射系统来说，在动辄几十上百兆焦的发射能级区间，电力电子器件更大的功率和更高的频率本身是一对矛盾，电力电子器件的技术水平制约了电机式电磁发射装置的发展。

3 电磁发射的关键技术

3.1 储能技术

由于电磁发射系统工作电流和功率较高，瞬时功率可达几百兆瓦，民用电网或舰船平台难以直接提供电磁发射系统所需的电能。所以，需要储能设备长时间以较小功率蓄积电能，发射时在较短时间内向电能变换设备提供大功率电能。目前，电磁发射用大功率储能技术主要分为蓄电池、超级电容和机械能储能3 类。

1）蓄电池储能技术

蓄电池储能技术发展历史较长，目前已有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等多种技术路线。与其他储能技术相比，蓄电池储能技术具有能量密度高，存储电能容量大，安全性相对较高等优势。同时，蓄电池储能通常难以提供电磁发射所需的脉冲功率峰值。在电磁发射系统中，蓄电池组通常作为混合储能设备中的第一级储能，用于保证系统能够执行一定周期的连续工作同时，不会给平台电网造成过大的压力[16]。

2）超级电容储能技术

超级电容器作为一种新型储能元件，具有容量大、功率密度高、免维护、循环寿命长等优势[17]。但是，超级电容的能量密度相对不高，存储电能容量通常不能满足相匹配的电磁发射装置多次工作的需求。所以，在电磁发射系统中，超级电容器组通常作为第二级储能，与蓄电池组共同构成电磁发射混合储能系统。在这种混合储能系统中，对超级电容充电的时间和电压控制技术是其核心技术之一，充电速度越快、电压控制精度越高，能够大幅提升电磁发射系统性能[18-19]。

3）机械能储能技术

机械能储能技术，通常指飞轮储能，与蓄电池和超级电容相比，飞轮储能技术能够兼顾能量密度和功率密度，使得两级混合储能系统具有简化为单级储能设备的可能，同时飞轮储能技术输出功率大，适用范围广，过充电与过放电的危害较小[20]。但是，飞轮储能技术设备较复杂，至少需要包括储能电机和用于控制电机的变频器，且由于飞轮储能存在摩擦损耗，其储能损耗在几种储能技术中最大[21]。所以，飞轮储能技术通常应用于对系统体积重量有较苛刻要求的电磁发射系统上，例如飞机电磁弹射系统。

3.2 电能变换技术

储能设备存储的电能不能直接提供给电磁发射装置，必须通过电能变换设备，将电能进行电制、频率、幅值以及相位等的变换[8]，使电磁发射装置能够按照设计向发射负载输出载荷，使发射负载按照预定轨迹运动。

根据电磁发射系统发射装置类别的不同采用不同的电能变换设备。对于轨道式和线圈式电磁发射装置，通常采用开关类电能变换设备，例如以晶闸管为主要功率器件的开关设备[22]。对于电机式电磁发射装置，通常需要整流设备和逆变设备实现对电机的控制[23]。

目前，在电磁发射技术领域，对电能变换技术的研究主要集中在对电力电子器件技术的研究和对电力电子器件应用技术的研究[24]。

1）电力电子器件

随着当代电力电子器件技术的发展，超大功率晶闸管和大功率脉冲功率晶闸管的出现，使电磁发射系统中的开关类电力变换设备得以实现；新型大功率高响应频率的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的出现，使电磁发射用特种逆变装置得以实现。

未来电力电子器件发展的技术路线是多样的，但进步的目标始终未变，即在截止状态时，能承受高电压；在导通状态时，能够承受大电流并仅有较小的压降；在开关转换时，具有较短的暂态过程，并能承受高的di/dt 和du/dt；具有更好的可控性能[25]。

2）电力电子器件的应用

每一代电磁发射系统对电力电子器件的需求总会超过当时的器件技术，这就使对电力电子器件的灵活应用成为一种有效的工程实现手段。对电力电子器件的应用主要通过设计不同的功率器件拓扑结构，使整体设备达到更高电压、更大容量和更好电磁兼容性的目的[26-27]。

3.3 发射装置技术

电磁发射装置是电磁发射系统的执行机构，接受电能变换设备按需提供的电能，并一次对发射负载施加电磁力。电磁发射装置可以按原理分为轨道式、线圈式和电机式。

1）轨道式电磁发射装置的关键技术

轨道式电磁发射装置的关键技术主要包括：通电导轨材料的研制；导轨间绝缘材料的研制；轨道式发射装置身管外壁材料的研制；发射装置后座与固定装置的研制；发射装置热管理技术[28]；轨道式发射装置可靠性及寿命相关技术以及轨道式发射装置全天候使用相关技术等。

2）线圈式电磁发射装置的关键技术

线圈式电磁发射装置的关键技术主要包括：发射线圈相关材料的研制；级联线圈布置优化技术；发射负载实时位置精确检测技术[29]；发射线圈大功率电流开通暂态过程仿真技术[30]等。

3）电机式电磁发射装置的关键技术

电机式电磁发射装置的关键技术主要包括：特种电机设计技术[31]；脉冲工作发射电机仿真技术[32]；直线电机分段供电技术[15]；发射电机模型参数精确整定技术以及适应多种发射负载的发射轨迹参数化设计技术等。

3.4 控制维护技术

与传统发射技术相比，电磁发射具有能级范围大、速度和载荷调节精确、能量转化效率高等优势。但不可回避的是，当前的各类电磁发射系统与其将要替代的化学能或机械能发射装置相比，系统组成和原理都相对更复杂，而各类应用场景对发射装置可靠性和可用性的要求并未降低，所以，需要在电磁发射系统电气化的基础上，通过控制维护技术，确保电磁发射系统状态可知、过程可控、工作可靠。电磁发射控制维护技术主要分为：状态监测、故障诊断和PHM（Prognostic and Health Management，故障预测与健康管理）3 个层次。

1）状态监测

状态监测技术是后续故障诊断和PHM 工作的基石。对于电磁发射这类复杂大系统，目前的技术手段尚不能实现对所有现场可替换单元（Line Replaceable Unit，LRU）完备的故障诊断和PHM，但是可以做到对所有LRU 的状态监测。状态监测的关键技术主要包括：先进传感器技术[33]；高可靠性传感器网络技术；用于状态监测的数据库技术和适应各类应用场景的人机交互技术。

2）故障诊断

随着电磁发射技术的发展，试验次数不断累积，试验数据不断增加，具备了对系统典型故障自动诊断的技术条件。对电磁发射系统的故障诊断主要针对易发的，高时效性故障，例如直线电机分段供电的相关故障，在电能变换设备的实时调节下，部分微小故障无法反应在负载的发射结果参数中，而这类发射任务往往需要连续执行，就需要系统根据每次发射的运行数据自动给出诊断结果[34-35]。

故障诊断技术目前主要有2 个发展方向：基于模型的诊断方法[36]和基于数据的诊断方法[37]，两者各有优势，适用于不同的故障情况。

3）PHM

电磁发射系统的PHM 与发动机这类旋转机械或运动机械类设备不同，其中电子电气部件的性能衰退特性通常具有剧烈变化的特点，难以直接应用成熟的PHM 方法。美国宇航局的故障预测研究中心（Prognostics Center，原PCoE）针对电力电子器件（小功率的电容器和IGBT）开展了一些PHM 相关的研究，国内在电磁发射PHM 领域，除与PCoE 类似的传统PHM 方法之外，还出现了2 条技术路线：针对监测量的数值预测[9]和针对电气设备结构的健康评估模型[38]。

3.5 与发射负载匹配适配技术

在飞机电磁弹射、电磁阻拦，电磁轨道炮等电磁发射已有应用领域的基础上，电磁发射以其优异性能，逐渐向各个传统发射领域拓展。目前舰用传统发射技术主要包括3 种形式：1）以潜艇雷弹发射为代表的高压气机械能发射；2）以冷发射导弹/炮弹为代表的化学能发射；3）以导弹/火箭弹为代表的负载自带化学能动力发射。其中，机械能发射存在能量效率较低，发射声光效果较大，发生能级受限等劣势；化学能发射存在发射药及药筒或火箭发动机占用空间和重量，综合效能较低等劣势。采用电磁发射技术后，以上典型发射负载都将简化为任务负载+适配器的形式，在电磁发射技术本身优势的基础上大幅提升综合效能。

电磁发射装置与发射负载的匹配适配技术主要包括：基本外形和受力匹配、发射速度与能级匹配、发射过程载荷特性匹配以及电磁兼容等其他匹配技术。