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重接式电磁发射技术的现状及应用前景
时间:2009-04-24 13:01来源: 作者: 点击:次
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重接式电磁发射技术的现状及应用前景

李小鹏1，李立毅1，程树康1，罗光耀1，孙传民2
（1．哈尔滨工业大学，黑龙江　哈尔滨　150001；
　　2．沈阳变压器有限责任公司，辽宁　沈阳　110016）

    摘　要：论述重接式电磁发射技术基本原理，对几种不同类型的重接式电磁发射装置进行了简单的对比和分析，并阐述了重接式电磁发射技术在不同领域的应用前景。
    关键词：重接；电磁发射；重接炮；应用　　

1　引　言
　　目前，以火药为发射能源的传统火炮，把几千克的弹丸加速到2km／s左右的炮口速度，已经接近了理论上的极限速度。火箭速度虽然不受滞止声速的限制，但是这种发射方式仍有许多不足。化学火箭发动机由于燃料中氧化剂的分子质量大和自然燃烧时的火焰限制，其比推力上限小，而比推力很大的核能火箭发动机由于受核电装置重量的限制，其推力／质量的比率很小。通过改善气体动力学特性可以提高其速度，但是从工程的角度考虑，这种方法也将受到一定限制。其次，火箭每次发射成本也很高，技术也非常复杂［1，2］。
　　在此情况下，提出了电磁发射技术，所谓的电磁发射技术是把电磁能转化为动能，借助电磁力做功，实际上它是一种特殊的电气传动装置。原理上，使用电磁发射装置可以把弹丸加速到十几甚至几十km／s。按照结构的不同，电磁发射装置可以分为导轨式、同轴线圈式和磁力线重接式三种［3，4］。其中导轨式由于大电流对导轨的烧蚀严重、寿命短和效率低；同轴线圈式大电流对线圈烧蚀严重，而且在较短的距离内很难达到超高速。重接式电磁发射装置综
合了同轴线圈式能发射大质量弹丸，以及导轨式能发射超高速弹丸的优点，因此重接式电磁发射装置被认为未来超高速电磁发射装置的结构形式。
2　重接式电磁发射装置的原理
　　1986年美国桑迪亚国立试验室的考恩等提出重接式电磁发射器的概念，并申请了美国专利。1986～1990年间，重接式发射装置是以美国桑迪亚国立实验室为代表［5］，1991年直到现在是以美国陆军弹道实验室为代表［6］。下面以弹丸为板状的重接炮为例介绍其工作原理。

　　如图1a所示，当弹丸前沿达到线圈前沿时，外接脉冲电容向线圈充电；线圈电流达到最大值，同时弹丸的后沿与线圈的后沿重合时，将外接的脉冲电源断开，此时的电能以磁能方式储存在上下两个线圈的磁场中，两线圈产生的同向磁力线被板状弹丸圈左侧拉开一个缝隙时，如图1c和d状态，被弹丸截断的磁力线在拉开的缝隙中重接，重接使原来弯曲的磁力线有被拉直的趋势，推动弹丸前进。这样原来储存在上下2个线圈中的磁能转变为弹丸的动能。本质上，由于变化的磁场在弹丸中产生涡流，涡流又与变化的磁场相互作用产生电磁力加速弹丸。重接式电磁发射的优点：
　　（1）重接式电磁发射的弹丸与线圈无接触、无烧蚀和欧姆损失相对小得多。
　　（2）重接式电磁发射每单位长度传递给弹丸的能量要比其它电磁发射方式多得多。
　　（3）重接式电磁发射中的弹丸在飞行中有很大的稳定性，不必担心会产生横动、俯仰和偏航。
　　（4）重接式电磁发射的效率比较高，而且随着弹丸质量的增加效率也呈现增加的趋势。
    （5）重接式电磁发射成本比较低。
　　因为重接式电磁发射有如上的优点，因此它在很多领域内必然有极其广泛而重要的应用。
3　重接式电磁发射装置的类型及性能分析
　　重接炮按照不同的标准有着不同的分类方式：
按照弹丸的不同可以分为板状弹丸重接炮和柱状弹丸重接炮；按照线圈缠绕方式的不同可能分为箱型线圈式重接炮、方饼型线圈式重接炮和圆饼型线圈式重接炮；按照是否连接激励脉冲电容可以分为带电容式重接炮和不带电容式重接炮；按照级数不同可以分为单级式重接炮和多级式重接炮。
3．1　板状弹丸重接炮和柱状弹丸重接炮
　　这两种结构也是考恩提出来的，并都作了实验研究［5］。板状重接炮最能体现重接炮的特点，因此介绍其发射原理时就是以这种结构为例。柱状弹丸重接炮很像同轴型感应线圈炮，具有同轴的圆筒形炮管线圈，而弹丸在其内运动（见图2）。

3．2　箱型线圈式重接炮、方饼型线圈式重接炮和圆饼型线圈式重接炮
   箱型线圈式重接炮也是由考恩最先提出来的，方饼型线圈（见图3）重接炮由美国陆军实验室的Hummer提出的改进型。箱型线圈具有较高的机械强度，固定比较容易，但是其效率偏低，体积较大；方饼型线圈的效率比较高，体积相对较小，但是机械强度比较差，固定起来有一定的难度，尤其在拐点处容易发生断裂。因此又在方饼型线圈的基础上改进为圆形线圈，改进之后线圈的抗断裂的强度有了明显加强，但是同样存在固定复杂的问题。

3．3　带电容式重接炮和不带电容式重接炮
　　考恩用来申请专利的重接炮不带电容，电能储存在上下两个线圈法中。Hummer提出重接炮带电容，电能储存在电容里［7，8］。不带电容式的重接炮具有更高的瞬时加速度，但控制起来比较复杂。带电容
式重接炮结构相对简单些，体积相对小些（见图4）。


3．4　单级式重接炮和多级式重接炮
　　由于应用的场合不同，桑迪亚国立实验室青睐多极式重接炮，美国陆军实验室推崇单级式重接炮［6，9］，如图5所示。单级式重接炮体积相对小些，易于安装，比较容易应用在坦克、装甲车上。多级式重接炮可以产生超高速，更适合大质量的火箭和卫星发射。

4　重接式电磁发射技术的未来应用前景
　　由于重接式电磁发射是以脉冲电源作为能源，远比火箭推进剂的成本低；而且在发射过程中的可控性和安全性也是化学发射器所不能比拟的。因为重接式电磁发射有着一系列优点，因此重接技术在科学实验、武器装备、导弹防御系统、发射火箭和卫星以及航空弹射器等许多领域内有着广泛的应用前景。
4．1　科研中的应用
　　在许多领域内要用到超高速运动物体，用来研究材料的状态方程等，如用超高速弹丸研究高速冲击对宇宙飞船材料的影响。当用加速到50km／s的小弹丸冲击核聚变燃料时，能引发热核聚变，这使热核聚变变为可控。实际上人类目前尚没有能力把小弹丸加速到50km／s，而重接式电磁发射装置是完成这种试验的有效工具。
4．2　电装甲
　　由于各种反坦克武器的出现，坦克装甲的防护要求也越来越高。虽然可以采用增加装甲钢厚度方法，但不是很理想。因此提出一种新型的防护方法——电装甲防护，按照防护方式的不同可以分为主动式和被动式。美国TACOM提出两种全电坦克方案就是采用电装甲防护。
4．3　反装甲
　　随着各种复合装甲和电装甲的出现，未来的主战坦克的装甲的防护能力越来越强，据预测未来的主战坦克的前装甲的防护能力可达到1 000mm的装甲钢，在3km距离上要穿透如此厚的装甲钢，即使用全钨穿甲弹也要达到2．5km／s。传统的火炮炮弹的极限速度只有2km／s左右，因此用重接式电磁炮足以满足未来战争的要求。
4．4　导弹防御系统
　　因为有洲际导弹和远程导弹的存在，所以现代战争无所谓前方和后方，美国也正在实施战区导弹防御系统。随着高新技术的发展，导弹的飞行速度和抗干扰性越来越强，防御系统的任务也越来越艰巨。若把重接式电磁发射系统制成一种小型化的超高速制导的拦截武器，在借助于地面的相控雷达系统和卫星制导系统，使拦截导弹的成功性大大增加。重为10g、速度为20km／s的弹丸便可以使导弹外壳碎裂或气化。
4．5　发射火箭和卫星
　　重接式电磁发射方式最适合大质量、高速度的发射。20世纪80年代NASA实验室就开始启动一项用电磁发射器从地面向太空发射有效载荷的庞大计划，若把重1t的放射性核废料以第三宇宙速度脱离太阳系，所需的成本仅为化学推进剂火箭的1％左右。桑迪亚国立实验室计划用多级重接式发射方式发射小卫星，有效载荷将达到47％左右。
4．6　航空弹射器
　　在航空母舰上由于空间有限，为了缩短舰载飞机起飞的跑道和缩短起飞时间，使用蒸汽式弹射器，这种弹射器的效率低、体积庞大和成本高。重接式弹射器比这种老式的弹射器能量转化的效率提高十几倍，系统的质量可以减到5％左右，在3s内启动一架36t的战斗机以227km／h的速度弹射出去。当然弹射器也可以应用在小型航天飞机发射系统和微重力试验抛射器等其它领域内。
5　结　论
　　电磁发射的出现是发射理论和技术发展的1次飞跃，它的意义和应用潜力现在尚很难估计，而重接式电磁发射又是这个领域内优点突出、潜力最大一种发射方式。因此重接式电磁发射技术在各类国防武器、科学试验、航天和航空领域内有极其广泛和深远的应用前景。

参考文献

［1］　朱毅麟．电推进技术［J］．上海航天，1998（3）：48－53．
［2］　王莹，肖峰．电炮原理［M］．国防出版社，1994．
［3］　李立毅，程树康，刘宝廷．直线电磁发射技术的发展现状和前景［J］．微电机，1999，32（2）：26－30．
［4］　才满瑞，王向阳，刘兴武，等．国外航天运载器的发展状况、发展趋势及采用的关键技术［J］．导弹与航天运载技术，1998（3）：1－10．
［5］　C．R．Hummer，C．E．Hollandsworth．A Single－stageReconnection Gun［J］．Army Research Laboratory，　　1992．
［6］　M．Cowan，M．Widner，E．C．Cnare，etal．Explo－ratory Development of the Reconnection Launcher1986－1990［J］．IEEE Transaction on Magnetic，1991　　27（1）：563－567．
［7］　C．Rhummer，C．E．Hollandsworth．Launching ofFlatPlates with a Single－stage Reconnection Gun［J］．IEEE Proceedings of the Eighth International PulsePower Conference，1991（1）：789－791．
［8］　P．R．Berning C．R．Hummer．Magnetic InductionLauncher Models［M］．Army Research Laboratory，1997．
［9］　P．R．Berning，C．R．Hummer，C．D．Le，et al．ATheoretical and Experimental Study of the Electromagnetic Environment Surrounding AMagnetic Induction Launcher［J］．IEEE Transaction on Magnetic,1997,33(1):368-372.




图1



图2


图3



图4


图5


资料来源请参见图片水银重接式电磁发射技术的现状及应用前景
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重接式电磁发射技术的现状及应用前景

李小鹏1，李立毅1，程树康1，罗光耀1，孙传民2
（1．哈尔滨工业大学，黑龙江　哈尔滨　150001；
　　2．沈阳变压器有限责任公司，辽宁　沈阳　110016）

    摘　要：论述重接式电磁发射技术基本原理，对几种不同类型的重接式电磁发射装置进行了简单的对比和分析，并阐述了重接式电磁发射技术在不同领域的应用前景。
    关键词：重接；电磁发射；重接炮；应用　　

1　引　言
　　目前，以火药为发射能源的传统火炮，把几千克的弹丸加速到2km／s左右的炮口速度，已经接近了理论上的极限速度。火箭速度虽然不受滞止声速的限制，但是这种发射方式仍有许多不足。化学火箭发动机由于燃料中氧化剂的分子质量大和自然燃烧时的火焰限制，其比推力上限小，而比推力很大的核能火箭发动机由于受核电装置重量的限制，其推力／质量的比率很小。通过改善气体动力学特性可以提高其速度，但是从工程的角度考虑，这种方法也将受到一定限制。其次，火箭每次发射成本也很高，技术也非常复杂［1，2］。
　　在此情况下，提出了电磁发射技术，所谓的电磁发射技术是把电磁能转化为动能，借助电磁力做功，实际上它是一种特殊的电气传动装置。原理上，使用电磁发射装置可以把弹丸加速到十几甚至几十km／s。按照结构的不同，电磁发射装置可以分为导轨式、同轴线圈式和磁力线重接式三种［3，4］。其中导轨式由于大电流对导轨的烧蚀严重、寿命短和效率低；同轴线圈式大电流对线圈烧蚀严重，而且在较短的距离内很难达到超高速。重接式电磁发射装置综
合了同轴线圈式能发射大质量弹丸，以及导轨式能发射超高速弹丸的优点，因此重接式电磁发射装置被认为未来超高速电磁发射装置的结构形式。
2　重接式电磁发射装置的原理
　　1986年美国桑迪亚国立试验室的考恩等提出重接式电磁发射器的概念，并申请了美国专利。1986～1990年间，重接式发射装置是以美国桑迪亚国立实验室为代表［5］，1991年直到现在是以美国陆军弹道实验室为代表［6］。下面以弹丸为板状的重接炮为例介绍其工作原理。

　　如图1a所示，当弹丸前沿达到线圈前沿时，外接脉冲电容向线圈充电；线圈电流达到最大值，同时弹丸的后沿与线圈的后沿重合时，将外接的脉冲电源断开，此时的电能以磁能方式储存在上下两个线圈的磁场中，两线圈产生的同向磁力线被板状弹丸圈左侧拉开一个缝隙时，如图1c和d状态，被弹丸截断的磁力线在拉开的缝隙中重接，重接使原来弯曲的磁力线有被拉直的趋势，推动弹丸前进。这样原来储存在上下2个线圈中的磁能转变为弹丸的动能。本质上，由于变化的磁场在弹丸中产生涡流，涡流又与变化的磁场相互作用产生电磁力加速弹丸。重接式电磁发射的优点：
　　（1）重接式电磁发射的弹丸与线圈无接触、无烧蚀和欧姆损失相对小得多。
　　（2）重接式电磁发射每单位长度传递给弹丸的能量要比其它电磁发射方式多得多。
　　（3）重接式电磁发射中的弹丸在飞行中有很大的稳定性，不必担心会产生横动、俯仰和偏航。
　　（4）重接式电磁发射的效率比较高，而且随着弹丸质量的增加效率也呈现增加的趋势。
    （5）重接式电磁发射成本比较低。
　　因为重接式电磁发射有如上的优点，因此它在很多领域内必然有极其广泛而重要的应用。
3　重接式电磁发射装置的类型及性能分析
　　重接炮按照不同的标准有着不同的分类方式：
按照弹丸的不同可以分为板状弹丸重接炮和柱状弹丸重接炮；按照线圈缠绕方式的不同可能分为箱型线圈式重接炮、方饼型线圈式重接炮和圆饼型线圈式重接炮；按照是否连接激励脉冲电容可以分为带电容式重接炮和不带电容式重接炮；按照级数不同可以分为单级式重接炮和多级式重接炮。
3．1　板状弹丸重接炮和柱状弹丸重接炮
　　这两种结构也是考恩提出来的，并都作了实验研究［5］。板状重接炮最能体现重接炮的特点，因此介绍其发射原理时就是以这种结构为例。柱状弹丸重接炮很像同轴型感应线圈炮，具有同轴的圆筒形炮管线圈，而弹丸在其内运动（见图2）。

3．2　箱型线圈式重接炮、方饼型线圈式重接炮和圆饼型线圈式重接炮
   箱型线圈式重接炮也是由考恩最先提出来的，方饼型线圈（见图3）重接炮由美国陆军实验室的Hummer提出的改进型。箱型线圈具有较高的机械强度，固定比较容易，但是其效率偏低，体积较大；方饼型线圈的效率比较高，体积相对较小，但是机械强度比较差，固定起来有一定的难度，尤其在拐点处容易发生断裂。因此又在方饼型线圈的基础上改进为圆形线圈，改进之后线圈的抗断裂的强度有了明显加强，但是同样存在固定复杂的问题。

3．3　带电容式重接炮和不带电容式重接炮
　　考恩用来申请专利的重接炮不带电容，电能储存在上下两个线圈法中。Hummer提出重接炮带电容，电能储存在电容里［7，8］。不带电容式的重接炮具有更高的瞬时加速度，但控制起来比较复杂。带电容
式重接炮结构相对简单些，体积相对小些（见图4）。


3．4　单级式重接炮和多级式重接炮
　　由于应用的场合不同，桑迪亚国立实验室青睐多极式重接炮，美国陆军实验室推崇单级式重接炮［6，9］，如图5所示。单级式重接炮体积相对小些，易于安装，比较容易应用在坦克、装甲车上。多级式重接炮可以产生超高速，更适合大质量的火箭和卫星发射。

4　重接式电磁发射技术的未来应用前景
　　由于重接式电磁发射是以脉冲电源作为能源，远比火箭推进剂的成本低；而且在发射过程中的可控性和安全性也是化学发射器所不能比拟的。因为重接式电磁发射有着一系列优点，因此重接技术在科学实验、武器装备、导弹防御系统、发射火箭和卫星以及航空弹射器等许多领域内有着广泛的应用前景。
4．1　科研中的应用
　　在许多领域内要用到超高速运动物体，用来研究材料的状态方程等，如用超高速弹丸研究高速冲击对宇宙飞船材料的影响。当用加速到50km／s的小弹丸冲击核聚变燃料时，能引发热核聚变，这使热核聚变变为可控。实际上人类目前尚没有能力把小弹丸加速到50km／s，而重接式电磁发射装置是完成这种试验的有效工具。
4．2　电装甲
　　由于各种反坦克武器的出现，坦克装甲的防护要求也越来越高。虽然可以采用增加装甲钢厚度方法，但不是很理想。因此提出一种新型的防护方法——电装甲防护，按照防护方式的不同可以分为主动式和被动式。美国TACOM提出两种全电坦克方案就是采用电装甲防护。
4．3　反装甲
　　随着各种复合装甲和电装甲的出现，未来的主战坦克的装甲的防护能力越来越强，据预测未来的主战坦克的前装甲的防护能力可达到1 000mm的装甲钢，在3km距离上要穿透如此厚的装甲钢，即使用全钨穿甲弹也要达到2．5km／s。传统的火炮炮弹的极限速度只有2km／s左右，因此用重接式电磁炮足以满足未来战争的要求。
4．4　导弹防御系统
　　因为有洲际导弹和远程导弹的存在，所以现代战争无所谓前方和后方，美国也正在实施战区导弹防御系统。随着高新技术的发展，导弹的飞行速度和抗干扰性越来越强，防御系统的任务也越来越艰巨。若把重接式电磁发射系统制成一种小型化的超高速制导的拦截武器，在借助于地面的相控雷达系统和卫星制导系统，使拦截导弹的成功性大大增加。重为10g、速度为20km／s的弹丸便可以使导弹外壳碎裂或气化。
4．5　发射火箭和卫星
　　重接式电磁发射方式最适合大质量、高速度的发射。20世纪80年代NASA实验室就开始启动一项用电磁发射器从地面向太空发射有效载荷的庞大计划，若把重1t的放射性核废料以第三宇宙速度脱离太阳系，所需的成本仅为化学推进剂火箭的1％左右。桑迪亚国立实验室计划用多级重接式发射方式发射小卫星，有效载荷将达到47％左右。
4．6　航空弹射器
　　在航空母舰上由于空间有限，为了缩短舰载飞机起飞的跑道和缩短起飞时间，使用蒸汽式弹射器，这种弹射器的效率低、体积庞大和成本高。重接式弹射器比这种老式的弹射器能量转化的效率提高十几倍，系统的质量可以减到5％左右，在3s内启动一架36t的战斗机以227km／h的速度弹射出去。当然弹射器也可以应用在小型航天飞机发射系统和微重力试验抛射器等其它领域内。
5　结　论
　　电磁发射的出现是发射理论和技术发展的1次飞跃，它的意义和应用潜力现在尚很难估计，而重接式电磁发射又是这个领域内优点突出、潜力最大一种发射方式。因此重接式电磁发射技术在各类国防武器、科学试验、航天和航空领域内有极其广泛和深远的应用前景。

参考文献

［1］　朱毅麟．电推进技术［J］．上海航天，1998（3）：48－53．
［2］　王莹，肖峰．电炮原理［M］．国防出版社，1994．
［3］　李立毅，程树康，刘宝廷．直线电磁发射技术的发展现状和前景［J］．微电机，1999，32（2）：26－30．
［4］　才满瑞，王向阳，刘兴武，等．国外航天运载器的发展状况、发展趋势及采用的关键技术［J］．导弹与航天运载技术，1998（3）：1－10．
［5］　C．R．Hummer，C．E．Hollandsworth．A Single－stageReconnection Gun［J］．Army Research Laboratory，　　1992．
［6］　M．Cowan，M．Widner，E．C．Cnare，etal．Explo－ratory Development of the Reconnection Launcher1986－1990［J］．IEEE Transaction on Magnetic，1991　　27（1）：563－567．
［7］　C．Rhummer，C．E．Hollandsworth．Launching ofFlatPlates with a Single－stage Reconnection Gun［J］．IEEE Proceedings of the Eighth International PulsePower Conference，1991（1）：789－791．
［8］　P．R．Berning C．R．Hummer．Magnetic InductionLauncher Models［M］．Army Research Laboratory，1997．
［9］　P．R．Berning，C．R．Hummer，C．D．Le，et al．ATheoretical and Experimental Study of the Electromagnetic Environment Surrounding AMagnetic Induction Launcher［J］．IEEE Transaction on Magnetic,1997,33(1):368-372.




图1



图2


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资料来源请参见图片水银