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2017-08-11 by:CAE仿真在线 来源:互联网
电磁发射是一种全新概念的发射方式,电磁轨道炮在军事和民用领域都有着巨大的潜在优势和广阔的应用前景。
电磁轨道炮是指通过电磁感应原理,利用电流产生强磁场,进而利用安培力加速载荷并发射的技术。与传统依靠工质膨胀做工驱动载荷运动的发射方式相比,电磁轨道炮可将载荷加速至极高速度,加速过程更加平稳,且速度和加速度可任意调控,同时还具有能量转化效率高、结构简单、噪声小、安全性高等特点,具有较强的军事应用潜力。
未来军事武器——电磁轨道炮
利用电磁力发射负载的概念在电磁力发现之初就已产生,但直至上世纪70年代末才取得重大进展。之后,美国、俄罗斯、法国、德国等国纷纷开展研究。
美国电磁轨道炮的发展状况
21世纪初,美国海军为加强水面舰艇的对陆火力支援能力,明确提出发展电磁轨道炮。2001年,美海军开始电磁导轨炮的可行性研究,提出64MJ终极目标。
2005年启动电磁导轨炮“创新海军样机”(INP)第一阶段,重点研发炮口动能32MJ的工程样机。海军研究署负责项目管理;水面战中心负责牵头研究,并在达尔格伦分部搭建专门的电磁导轨炮试验基地;多家科研机构和大学参与导轨材料、先进脉冲电源等关键技术研发,如海军研究实验室、德克萨斯大学先进技术学院、法-德圣路易研究院等;BAE系统公司和通用原子公司分别开展详细设计并制造工程样机。
INP项目流程
INP项目第一阶段
经过多年的实验室研究,BAE系统公司和通用原子公司在2012年分别向美海军交付了单发全尺寸电磁导轨炮工程样机,并成功进行了射击实验,炮口动能达到32MJ的阶段性技术指标,标志着第一阶段工作完成。
为了降低研制风险和经费,美国海军于2012年11月决定将电磁轨道炮技术指标中的炮口动能从最初的64MJ降至20~32MJ,射程也相应地从370km降为90~200km。
INP项目第二阶段
2013年6月,美国海军宣布电磁导轨炮“创新性海军样机”项目第二阶段正式启动,研发10rds/min的连发样炮。第二阶段工作由BAE系统公司负责,重点研究重复发射装置、弹药自动装填系统、热管理系统等。根据美海军的安排,到第二阶段结束时,美国电磁导轨炮创新样机两阶段的总投资额将接近7.5亿美元,而电磁导轨炮的技术成熟度也将达到5~6级。
美国福特号航母电磁弹射器
2015年6月5日,美国海军在纽波特纽斯船厂再次测试电磁轨道炮,“福特”号航母上的电磁轨道炮两次将重达8万磅大型钢制轮式道具车弹入詹姆斯河中。道具车以160kn速度驶过长达300ft的弹射轨道,这是电磁轨道炮首次在新一代航母上弹射实物。美海军电磁轨道炮已完成相关研制工作,装备于“福特”号航母。
但是2017年6月,“福特”号进行测试时发现,战机无法从航母起飞,而问题主要出在由通用原子公司研发的飞机弹射起飞装置上。美国海军还发现,“福特”号接受测试时,电磁弹射器系统的软件会导致机翼油箱过度振动。
英国电磁轨道炮的发展状况
英国电磁轨道炮的研究与美国结合紧密,研究水平也处于世界前列。
从1997年开始,英国BAE系统公司就与美国合作开展电磁轨道发射技术、脉冲电源技术、弹丸技术研究,尤其是还参加了美国海军32 MJ炮口动能工程样炮研制计划。
2014年7月,BAE系统公司在美国海军米利诺基特号高速联合舰上展示了工程样炮和发射用一体化弹丸,如图所示。
该工程样炮采用D型轨道,纤维缠绕身管,口径约为150 mm,身管长度为13 m,炮口动能32 MJ,主要性能指标处于国际先进水平,表明英国电磁轨道发射技术无论是炮口动能代表的发射能力,还是纤维缠绕轻量化设计、D型轨道、一体化弹药等代表的工程化关键技术,均处于世界前列。
法德电磁轨道炮的发展状况
1987年,法国和德国国防部共同组建的法德圣路易斯研究所(French-German Research InstituteSaint Louis’s,ISL),在电磁轨道发射技术、电磁装甲技术领域开展了多年研究,已经成为继美国之后在电磁发射领域重要的研究力量。
法德ISL建设了10 MJ脉冲电源系统,电压为10.75 kV,包含了200个电容器模块,配备了半导体开关,电流可达2 MA。基于10 MJ脉冲电源,法德ISL研制了多型电磁轨道发射器。其中,ISL早期的50 mm圆形口径发射装置可把质量为356.8 g的电枢加速到2.24 km/s,效率29.9%。40 mm方口径发射装置如下图所示,可将质量为300 g的电枢加速至2.4km/s,也可将质量为1 kg的弹丸发射到2.0 km/s以上的速度,发射效率超过25%。
在此基础上,法德ISL还对发射器口径结构、电枢结构和材料、分布式馈电、金属纤维电枢、发射器效率、轨道寿命等电磁轨道发射关键技术进行了深入研究。
俄罗斯电磁轨道炮的发展状况
俄罗斯电磁发射技术研究立足国情,重视基础。俄罗斯的研究方向比较单一,他们把研究的重点放在了导轨型的电磁发射器和发射器的电源上面。俄罗斯至少有十余个机构或者组织在开展电磁发射器的相关研究,并且取得了显著成果。
近年来,俄罗斯在电磁发射机理研究,特别是对等离子电枢型轨道炮的研究非常深入,并在爆炸磁流体发电机、磁通压缩发电机等方面取得了丰富的理论与实验成果。
从材料和结构的角度研究找到了多种降低速度趋肤效应的方法,发现了如何调整电枢和轨道的形状、结构、材料和各向异性电热特性以提升轨道炮的发射速度及身管寿命,并在小型试验装置上进行了试验验证,试验结果与理论计算结果高度一致,得到了业内同行的广泛认可。
2016年7月,俄罗斯工程师研制的电磁轨道炮加速器在俄罗斯科学院高温联合研究所进行了首次测试,它能使物体达到第一宇宙速度。
我国电磁轨道炮的发展状况
我国的科学家从八十年代中期才开始探索电磁发射器的相关知识,虽然和美国等西方国家相比,起步很晚,但也在相关领域取得了不小的成果。九十年代末,新概念、新原理兵器课题组在提供的兵工情报研究报告“新概念、新原理兵器的发展与分析”一文中,将电磁发射器列为八项新概念兵器之一。
到目前为止,我国国内从事电磁发射器研制内容的单位或者机构主要有:中国工程物理研究院流体研究所(SWIFP),中科院等离子体研究所(IPP),华科技大学,解放军军械工程学院,和西安电子科技大学等。其中IPP和SWIFP,主要研究轨道炮。我国首个轨道炮的实验系统就是中国工程物理研究院流体研究所和中科院等离子体研究所,在1986年建造完成,并且可以将质量为0.34g的弹丸提速到1.68km/s。两年过后,中科院等离子体物理研究所和中国工程物理研究院流体研究所,又建造了一台发射质量和发射速度更高的导轨型电磁发射器,它能够成功的将重量为50克的载体以3 km/s的出口速度发射出去。不仅这样,他们还对可能影响弹丸出口速度和电磁发射器使用寿命的因素,进行了研究与实验。
除此之外,IPP,SWIFP还与南理工有合作,他们一起进行了电热化学炮的相关试验,他们试验的重点就是如何供应脉冲功率,如何产生等离子体以及如何选取工作媒质等等。我国首台电热化学炮的发射装置由中科院等离子体物理研究所和中国工程物理研究院流体研究所在1991年建造完成,这台发射装置能够将重量为20克的抛体推进到1.85km/s的高速。
主要进行线圈炮研制的是西安电子科技大学,他们对线圈炮进行了比较深入的研究,不仅对载体磁悬浮问题进行研究,还对线圈型发射器的磁场与结构问题作了比较深入的分析。IPP和SWIFP也对线圈型电磁发射器进行了相关的研究。IPP在1990年完成了线圈炮的试验系统,可以完成将重达44kg的物体加速到14m/s的速度。IPP和SWIFP专家在四川介绍了一种感应型电磁发射器,并且进行了系统分析。
华中科技大学把工作的主要内容放在了高功率脉冲电源和轨道烧蚀方面,而该校和兵器装备研究所重点研制电磁开关装置。
我国为了增强电磁发射技术的交流,加快这项技术的前进步伐,也会定期开展研讨会以促进交流。
由于这是一项比较大的工程,需要花费大量的人力,物力以及时间才能完成,况且我国研究这项技术的时间比起西方国家来说很短,所以在这一领域,和西方国家相比还是有很大差距。
来源:高端装备发展研究中心
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