國內(nèi)外電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

電磁發(fā)射是一種全新概念的發(fā)射方式,電磁軌道炮在軍事和民用領(lǐng)域都有著巨大的潛在優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

電磁軌道炮是指通過電磁感應(yīng)原理,利用電流產(chǎn)生強磁場,進而利用安培力加速載荷并發(fā)射的技術(shù)。與傳統(tǒng)依靠工質(zhì)膨脹做工驅(qū)動載荷運動的發(fā)射方式相比,電磁軌道炮可將載荷加速至極高速度,加速過程更加平穩(wěn),且速度和加速度可任意調(diào)控,同時還具有能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、安全性高等特點,具有較強的軍事應(yīng)用潛力。

未來軍事武器——電磁軌道炮

利用電磁力發(fā)射負(fù)載的概念在電磁力發(fā)現(xiàn)之初就已產(chǎn)生,但直至上世紀(jì)70年代末才取得重大進展。之后,美國、俄羅斯、法國、德國等國紛紛開展研究。

美國電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r

21世紀(jì)初,美國海軍為加強水面艦艇的對陸火力支援能力,明確提出發(fā)展電磁軌道炮。2001年,美海軍開始電磁導(dǎo)軌炮的可行性研究,提出64MJ終極目標(biāo)。

2005年啟動電磁導(dǎo)軌炮“創(chuàng)新海軍樣機”(INP)第一階段,重點研發(fā)炮口動能32MJ的工程樣機。海軍研究署負(fù)責(zé)項目管理;水面戰(zhàn)中心負(fù)責(zé)牽頭研究,并在達爾格倫分部搭建專門的電磁導(dǎo)軌炮試驗基地;多家科研機構(gòu)和大學(xué)參與導(dǎo)軌材料、先進脈沖電源等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),如海軍研究實驗室、德克薩斯大學(xué)先進技術(shù)學(xué)院、法-德圣路易研究院等;BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司分別開展詳細(xì)設(shè)計并制造工程樣機。

INP項目流程

INP項目第一階段

經(jīng)過多年的實驗室研究,BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司在2012年分別向美海軍交付了單發(fā)全尺寸電磁導(dǎo)軌炮工程樣機,并成功進行了射擊實驗,炮口動能達到32MJ的階段性技術(shù)指標(biāo),標(biāo)志著第一階段工作完成。

為了降低研制風(fēng)險和經(jīng)費,美國海軍于2012年11月決定將電磁軌道炮技術(shù)指標(biāo)中的炮口動能從最初的64MJ降至20~32MJ,射程也相應(yīng)地從370km降為90~200km。

INP項目第二階段

2013年6月,美國海軍宣布電磁導(dǎo)軌炮“創(chuàng)新性海軍樣機”項目第二階段正式啟動,研發(fā)10rds/min的連發(fā)樣炮。第二階段工作由BAE系統(tǒng)公司負(fù)責(zé),重點研究重復(fù)發(fā)射裝置、彈藥自動裝填系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等。根據(jù)美海軍的安排,到第二階段結(jié)束時,美國電磁導(dǎo)軌炮創(chuàng)新樣機兩階段的總投資額將接近7.5億美元,而電磁導(dǎo)軌炮的技術(shù)成熟度也將達到5~6級。

美國福特號航母電磁彈射器

2015年6月5日,美國海軍在紐波特紐斯船廠再次測試電磁軌道炮,“福特”號航母上的電磁軌道炮兩次將重達8萬磅大型鋼制輪式道具車彈入詹姆斯河中。道具車以160kn速度駛過長達300ft的彈射軌道,這是電磁軌道炮首次在新一代航母上彈射實物。美海軍電磁軌道炮已完成相關(guān)研制工作,裝備于“福特”號航母。

但是2017年6月,“福特”號進行測試時發(fā)現(xiàn),戰(zhàn)機無法從航母起飛,而問題主要出在由通用原子公司研發(fā)的飛機彈射起飛裝置上。美國海軍還發(fā)現(xiàn),“福特”號接受測試時,電磁彈射器系統(tǒng)的軟件會導(dǎo)致機翼油箱過度振動。

英國電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r

英國電磁軌道炮的研究與美國結(jié)合緊密,研究水平也處于世界前列。

從1997年開始,英國BAE系統(tǒng)公司就與美國合作開展電磁軌道發(fā)射技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、彈丸技術(shù)研究,尤其是還參加了美國海軍32 MJ炮口動能工程樣炮研制計劃。

2014年7月,BAE系統(tǒng)公司在美國海軍米利諾基特號高速聯(lián)合艦上展示了工程樣炮和發(fā)射用一體化彈丸,如圖所示。

該工程樣炮采用D型軌道,纖維纏繞身管,口徑約為150 mm,身管長度為13 m,炮口動能32 MJ,主要性能指標(biāo)處于國際先進水平,表明英國電磁軌道發(fā)射技術(shù)無論是炮口動能代表的發(fā)射能力,還是纖維纏繞輕量化設(shè)計、D型軌道、一體化彈藥等代表的工程化關(guān)鍵技術(shù),均處于世界前列。

法德電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r

1987年,法國和德國國防部共同組建的法德圣路易斯研究所(French-German Research InstituteSaint Louis’s,ISL),在電磁軌道發(fā)射技術(shù)、電磁裝甲技術(shù)領(lǐng)域開展了多年研究,已經(jīng)成為繼美國之后在電磁發(fā)射領(lǐng)域重要的研究力量。

法德ISL建設(shè)了10 MJ脈沖電源系統(tǒng),電壓為10.75 kV,包含了200個電容器模塊,配備了半導(dǎo)體開關(guān),電流可達2 MA。基于10 MJ脈沖電源,法德ISL研制了多型電磁軌道發(fā)射器。其中,ISL早期的50 mm圓形口徑發(fā)射裝置可把質(zhì)量為356.8 g的電樞加速到2.24 km/s,效率29.9%。40 mm方口徑發(fā)射裝置如下圖所示,可將質(zhì)量為300 g的電樞加速至2.4km/s,也可將質(zhì)量為1 kg的彈丸發(fā)射到2.0 km/s以上的速度,發(fā)射效率超過25%。

在此基礎(chǔ)上,法德ISL還對發(fā)射器口徑結(jié)構(gòu)、電樞結(jié)構(gòu)和材料、分布式饋電、金屬纖維電樞、發(fā)射器效率、軌道壽命等電磁軌道發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。

俄羅斯電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r

俄羅斯電磁發(fā)射技術(shù)研究立足國情,重視基礎(chǔ)。俄羅斯的研究方向比較單一,他們把研究的重點放在了導(dǎo)軌型的電磁發(fā)射器和發(fā)射器的電源上面。俄羅斯至少有十余個機構(gòu)或者組織在開展電磁發(fā)射器的相關(guān)研究,并且取得了顯著成果。

近年來,俄羅斯在電磁發(fā)射機理研究,特別是對等離子電樞型軌道炮的研究非常深入,并在爆炸磁流體發(fā)電機、磁通壓縮發(fā)電機等方面取得了豐富的理論與實驗成果。

從材料和結(jié)構(gòu)的角度研究找到了多種降低速度趨膚效應(yīng)的方法,發(fā)現(xiàn)了如何調(diào)整電樞和軌道的形狀、結(jié)構(gòu)、材料和各向異性電熱特性以提升軌道炮的發(fā)射速度及身管壽命,并在小型試驗裝置上進行了試驗驗證,試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果高度一致,得到了業(yè)內(nèi)同行的廣泛認(rèn)可。

2016年7月,俄羅斯工程師研制的電磁軌道炮加速器在俄羅斯科學(xué)院高溫聯(lián)合研究所進行了首次測試,它能使物體達到第一宇宙速度。

我國電磁軌道炮的發(fā)展?fàn)顩r

我國的科學(xué)家從八十年代中期才開始探索電磁發(fā)射器的相關(guān)知識,雖然和美國等西方國家相比,起步很晚,但也在相關(guān)領(lǐng)域取得了不小的成果。九十年代末,新概念、新原理兵器課題組在提供的兵工情報研究報告“新概念、新原理兵器的發(fā)展與分析”一文中,將電磁發(fā)射器列為八項新概念兵器之一。

到目前為止,我國國內(nèi)從事電磁發(fā)射器研制內(nèi)容的單位或者機構(gòu)主要有:中國工程物理研究院流體研究所(SWIFP),中科院等離子體研究所(IPP),華科技大學(xué),解放軍軍械工程學(xué)院,和西安電子科技大學(xué)等。其中IPP和SWIFP,主要研究軌道炮。我國首個軌道炮的實驗系統(tǒng)就是中國工程物理研究院流體研究所和中科院等離子體研究所,在1986年建造完成,并且可以將質(zhì)量為0.34g的彈丸提速到1.68km/s。兩年過后,中科院等離子體物理研究所和中國工程物理研究院流體研究所,又建造了一臺發(fā)射質(zhì)量和發(fā)射速度更高的導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器,它能夠成功的將重量為50克的載體以3 km/s的出口速度發(fā)射出去。不僅這樣,他們還對可能影響彈丸出口速度和電磁發(fā)射器使用壽命的因素,進行了研究與實驗。

除此之外,IPP,SWIFP還與南理工有合作,他們一起進行了電熱化學(xué)炮的相關(guān)試驗,他們試驗的重點就是如何供應(yīng)脈沖功率,如何產(chǎn)生等離子體以及如何選取工作媒質(zhì)等等。我國首臺電熱化學(xué)炮的發(fā)射裝置由中科院等離子體物理研究所和中國工程物理研究院流體研究所在1991年建造完成,這臺發(fā)射裝置能夠?qū)⒅亓繛?0克的拋體推進到1.85km/s的高速。

主要進行線圈炮研制的是西安電子科技大學(xué),他們對線圈炮進行了比較深入的研究,不僅對載體磁懸浮問題進行研究,還對線圈型發(fā)射器的磁場與結(jié)構(gòu)問題作了比較深入的分析。IPP和SWIFP也對線圈型電磁發(fā)射器進行了相關(guān)的研究。IPP在1990年完成了線圈炮的試驗系統(tǒng),可以完成將重達44kg的物體加速到14m/s的速度。IPP和SWIFP專家在四川介紹了一種感應(yīng)型電磁發(fā)射器,并且進行了系統(tǒng)分析。

華中科技大學(xué)把工作的主要內(nèi)容放在了高功率脈沖電源和軌道燒蝕方面,而該校和兵器裝備研究所重點研制電磁開關(guān)裝置。

我國為了增強電磁發(fā)射技術(shù)的交流,加快這項技術(shù)的前進步伐,也會定期開展研討會以促進交流。

由于這是一項比較大的工程,需要花費大量的人力,物力以及時間才能完成,況且我國研究這項技術(shù)的時間比起西方國家來說很短,所以在這一領(lǐng)域,和西方國家相比還是有很大差距。

來源:高端裝備發(fā)展研究中心

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