0 引言
电磁发射系统是利用电磁力驱动发射物并将其加速到高速或超高速度的新型发射装置,本质上是一种把电磁能变换成动能的能量变换技术[1-2]。相较于传统发射装置(蒸汽发射器、化学发射器等),电磁发射系统总体上具有以下明显特点:一是发射速度更高,最高可达8 km/s,远超化学能发射的极限1 km/s;二是发射动能大,根据使用场景的不同,能量可从百兆焦到千兆焦;三是可控性好,同等加速距离和过载要求下获得的初速最高;四是控制性能好、智能化程度高,具备快速、可控、连续、可调等突出特点;五是能量转化效率高,其理论效率可达50%,远超于传统发射效率(如蒸汽弹射器的效率仅为4%～6%)[3-4]。
其研发历史最早可追溯到一战、二战和战后期间,法、德、美、日等国对电磁炮(现代电磁发射系统原型之一)进行了研究,但受当时工业技术水平的限制和缺乏储存大量电能的手段,研制进展较为缓慢[5]。直至20世纪70年代,堪培拉澳大利亚国立大学成功将3 g重的塑料块加速到6 km/s速度,展示了电磁炮(轨道炮)这种初样机的潜力[6]。从此,引领并促进了电磁发射技术在军事上的应用研究。1985年,美国国防科学委员会对电磁发射技术的评估结论,明确指出未来的高性能武器、必然以电能为基础,进一步坚定了世界各国学者投身电磁发射技术研究的信念[7]。当前,电磁发射系统最为显著的应用中,美国和中国研制的电磁轨道炮已分别实现炮口动能32 MJ的试验验证和海上试验验证[8],2个国家开发的电磁弹射技术(福特号、福建号航母)也分别进入到实战化部署和下水安装阶段。
本文中概述了电磁发射系统的原理特点、关键技术、研究现状及应用领域,以期为国内外电磁发射系统的研究与设计提供一些参考。
1 工作原理及优缺点
根据电磁发射系统设计结构及运行原理的不同,其应用技术大致可分为电磁轨道发射技术、电磁线圈发射技术、电磁弹射技术,分别对应电磁轨道炮、电磁线圈炮和电磁弹射系统[2],上述电磁发射系统基于不同的作战使用场景,优缺点也不尽相同。
1.1 电磁轨道炮
电磁轨道炮又称导轨炮,主要由金属导轨、电枢、弹丸和大功率脉冲电源组成,电枢夹在2根平行放置的金属导轨中间并与两根导轨紧密接触,弹丸放置于电枢的前端。轨道炮就是利用流经轨道的电流所产生的磁场与流经电枢的电流之间相互作用的电磁力加速弹丸并将弹丸发射出去,如图1所示。电磁轨道炮可实现远程精确打击、近程防空反导、空间反卫等,被美军评为能够改变未来战争模式的5种新概念武器之一。优点是出口速度快、有效射程远、命中精度高、打击威力大,主要缺点是由于电流脉冲较大,滑动接触摩擦损失较多,导致导轨的烧蚀严重、寿命短和效率低。
图1 电磁轨道炮原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic track gun
1.2 线圈炮
电磁线圈炮是由产生运动磁场的固定线圈和感应出电流的弹丸线圈组成,利用运动磁场和感应电流相互作用的电磁力加速弹丸线圈直至高速出膛,如图2所示。与电磁轨道炮相比,电磁线圈炮没有接触摩擦损失,原因是固定线圈和弹丸之间没有电接触。根据其设计结构和性能,电磁线圈炮可细分为5类:感应线圈炮、重接线圈炮、磁阻线圈炮、螺旋线圈炮、汤普森环。
图2 电磁线圈炮原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic coil gun
1.3 电磁弹射系统
电磁弹射系统是一种由分段布置的双边直线感应电机产生的电磁力带动物体逐级加速的发射装置,包括储能发电子系统、动力调节子系统、发射电机和控制系统。其典型应用为电磁飞机弹射系统(EMALS),如图3所示,主要显著优点如表1所示。2022年10月,美国海军首艘“福特号”电磁弹射航母正式开始首次部署,代表了面向21世纪航空母舰的下一代飞机发射系统走向了成熟。
表1 电磁飞机发射系统和蒸汽弹射器性能对比
Table 1 Comparison of performance between EMALS and steam catapult
类别EMALS蒸汽弹射器能量范围≤120 MJ≤90 MJ峰均力比≤1.051.15^1.2(甚至高于2.0)控制性能(末速度变化范围)0^1.54 m/s2.57^3.08 m/s可靠性(MCBCF)1 300450维护成本可大大减少操作和维护系统所需的人力工作量—优化质量中心设计可显著减轻船体上部结构的质量—系统体积质量566.3 m31 132.7 m3能量利用效率60%6%
图3 电磁飞机发射系统示意图
Fig.3 Diagram of EMALS
2 关键技术难点及研究进展
2.1 能量存储技术
由于电磁发射系统中储能装置的体积和质量占电源装置的比重相对较高(约80%)[9],故储能设备的适装性和简洁性尤为重要,因此,如何提升储能密度、降低电源体积决定着电磁发射系统的应用潜能。电磁发射系统对能量存储技术的要求概括为大功率脉冲电能+安全可靠+重量体积最优+宽阔的温度范围,目前主要有电容储能、电感储能和旋转机械储能3种形式,三者的储能密度比为1∶10∶1 000[10],新兴的还有锂电池、超级电容、超导磁储能等储能新技术,相关优缺点如表2所示。
表2 不同储能技术优缺点对比表
Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different energy storage technology
类别优点缺点电容储能技术成熟、应用广泛能量密度低、成本高、有漏电且难以长期储存等,未来突破有限电感储能储能密度高、结构简单和放电速度快,以静止磁场的形式储能,易于冷却且只需存储一次发射的能量关断大电感电流时,由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量,使得在关断开关两端产生很大的电压,对半导体开关器件要求高旋转机械储能功率密度较高、充放电次数高、工作环境要求低、无污染技术设备十分复杂,重量体积大,设备成本大,且存在较大的损耗,非静止储能下的冷却困难、结构非常复杂且难以实施锂电池能量储能密度高、充放电效率好、响应时间短、循环受命长、自放电低、产业链齐全适应环境温度性差,无法在低温环境下维持正常充放电,安全性差超级电容功率密度高、循环寿命长、充放电速度快等优点高自放电率,约为每天存储容量的5%^40%,高投资成本超导磁储能放电时间短、功率密度大、使用寿命长,减小电流需求、优化能源利用率、节省空间储能时间短、能量密度较低,需考虑冷却结构设计等
目前,国内外研究机构和学者围绕锂电池、超级电容、超导磁储能等储能新技术取得了一系列进展。
锂电池的研究重点是开发先进的电极材料和电解质解决方案,以提高电池的功率密度和能量密度。Liu等[11]阐明富镍阴极中钴含量、结构性能和容量退化之间的相互作用,并设计了一系列性能增强的无钴阴极,作为广泛应用的下一代低成本长寿命电池的串联研究方向。Chi等[12]开发了一种采用LiX沸石膜作为无机固体电解质的高度稳定、灵活和集成的固态锂空气电池,克服了传统固体电解质的不稳定性、界面相容性差和高导电性等缺点。锂电池显示出高容量、高速率能力以及在环境空气中循环寿命长等优点,有望成为下一代储能系统。
超级电容器的研究重点集中在电极材料、水系超级电容器、柔性超级电容器、金属离子电容器等方向上的突破,特别是金属离子电容器一直以来是电化学储能领域的研究热点,被誉为是下一代超级电容器。针对锂离子电容器性能受负极倍率性能差和正极容量不足的限制,An等[13]研究提出了石墨烯/软碳(G/SC)和石墨烯/活性炭(G/AC)复合材料,其高能量密度和高功率密度分别可达151 Wh/kg和18.9 kW/kg,并组装成大容量LIC软包电池(1 170 F或650 mAh),展示了基于器件质量的能量密度高达31.5 Wh/kg)和卓越的循环性能(50 ℃下10 000次循环后容量保持率为93.8%)。
电感储能型脉冲电源,研究重点侧重于基本拓扑单元的模块化、小型化以及多模块协同工作机理。刘徐坤等[14]研究提出将CPFU(电容脉冲成形单元)运用在meat grinder电路中,设计出meat grinder with CPFU拓扑用于电磁发射系统的感应脉冲电源,实现了电容器预充电压的自恢复率较高、电感器储能密度进一步提高。戴玲等[15]基于meat grinder with SECT提出一种可快速关断负载电流的新型拓扑,通过参数扫描分析了电容参数、耦合系数对负载电流脉冲峰值和主管承受峰值电压的影响,并在Simulink平台验证了仿真模型的可行性。
超导磁储能(SMES)是一种利用超导材料制成的磁体的装置,具有极高的能量效率(约100%)。具有放电时间短、功率密度大和使用寿命长等优点,有望成为EMALS的理想储能方式之一,可实现减小电流需求、优化能源利用率、节省空间的目标[16-18]。
2.2 电力调节技术
电力调节技术是支持能量存储技术与发射装置的关键使能技术,旨在控制并调节其功率流以有效的对存储设备进行充放电。电力电子器件中,IGBT将MOSFET的简单栅驱动特性与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力相结合,赋予IGBT灵活性和易操作性,使其广泛适用于中高功率应用;SiC具有宽禁带、高击穿电场和高导热率等诱人的电学特性,但其重量和成本较高。随着各种关键自换向器件击穿电压、载流能力、开关频率等不断提高,使得电力调节技术的发展具有快速响应能力和改进的性能特征,从而提供足够的灵活性,以适应电磁发射系统的特定动态条件。
根据逆变器的结构,可以分为传统的两电平变换器和多级拓扑。具有六脉冲桥式控制IGBT的两电平脉宽调制电压源转换器(2L-PWM-VSC)是目前广泛用于中、低功率民用应用领域的转换器拓扑,具有结构相对简单、组件较少、可靠性能和成本优势高的特点。具有多级拓扑高开关频率的PWM逆变器可以在许多高功率场合应用,以实现更高的电压等级和功率水平,但其控制设计和调制技术比传统的两电平变换器更复杂,开关损耗可能会令人望而却步。
考虑到电磁发射期间的功率脉冲电流可高达数百万安培,且瞬间产生的单脉冲电流生成的电磁力会有较强的振荡,从而对发射装置本体造成较大的冲击和磨损,因此,脉冲电源释放的强电流无法直接用于电磁发射,此时,脉冲电源开关控制的好坏就尤为重要。因此,加大电磁发射系统中脉冲电源的开关控制仍然是电力调节技术面临的一大挑战。
2.3 发射装置技术
电磁轨道炮的关键技术之一是导轨耐烧蚀技术,电枢是将电能转化为动能的最直接部件,在实际发射过程中,由于电枢工作环境恶劣,瞬时大电流会导致其温度急剧升高,在强磁场、强电场的共同作用下,电枢本身承受的应力也大幅增加,其结构特性及材质直接关系到轨道炮导轨发射前后的状态。目前现有的电枢研究通常集中在等离子电枢和固体电枢两类,等离子体电枢对轨道炮内壁具有很大的破坏烧蚀作用,不利于轨道发射装置维护以及高频率重复发射;固体电枢相对于等离子体电枢具有结构简单、制作方便的特点,尤其是固体C型电枢可充分利用其电枢臂上的强大电磁力维持与轨道间的连续电接触,目前广泛应用于轨道炮试验研究。德克萨斯大学先进技术学院[19]研究了不同几何形状下的电枢结构对电流密度和温度场分布的影响,提出了鞍型结构的电枢,减少了不均匀分布电流和电枢烧蚀。张永胜等[20]建立了电磁—温度—应力多物理场耦合计算模型,得到了动态发射过程中包括电磁力、温度应力和预紧力的多成分轨道应力载荷时空分布特性,为发射装置设计、轨道材料失效机理及极限安全连续发射边界分析提供了理论依据。
电磁线圈炮主要应用于发射低速大质量弹丸,现有的研究重点是进一步提高弹丸的出口速度、打击精度、延长发射装置的使用寿命以及提高发射效率。其中,围绕驱动线圈和导磁壳体方面,部分学者研究了增大驱动线圈级间距、减小磁场耦合和感应电压以及改变磁场构型(改变驱动线圈外部设计导磁壳体将磁场约束在其内部)的方式来提高发射效率[21-22]。
2.4 顶层控制技术
顶层控制作为电磁发射系统的“中枢”,不仅要具备实时下达控制指令(控制技术)的功能,同时更要有状态检监测、故障诊断和故障预测(维护技术)的功能。考虑到电磁发射系统的应用场景普遍具有可靠性高、信息量大、实时性强的要求,一般其信息网络由控制网、数据网和健康网组成,来共同实现系统的功能。
在控制技术方面,按照功能层级可分为闭环实时控制、时序逻辑控制和协同指挥控制等方面[23],如围绕弹射控制,马名中等提出了基于直线感应电机多目标约束下弹射轨迹精确控制方法[24-25],建立了人在回路的发射作业流程及状态机模型控制系统。在维护技术方面,状态检测技术是后续故障诊断和故障预测的基础,高可靠性传感器技术是当前研究的重点;故障诊断技术目前有基于模型诊断和基于数据诊断2种方法,崔小鹏、腾腾等围绕弹射用直线电机故障诊断开展了相关方法研究[26-27];故障预测技术研究较为领先的是美国宇航局故障预测研究中心关于电力电子器件方面的工作,国内在电磁发射领域还有一定的差距。简言之,未来的研究重点是开发智能感知和健康诊断系统以完善复杂大系统的实时控制。
2.5 新复合材料技术
复合材料的研究重点主要集中在轨道材料、绝缘材料、发射体材料等方向。为满足电磁发射系统强磁场、大电流、强载荷的使用场景要求,必须研究和开发出磁能损耗和焦耳热损耗小、强重比高的结构材料,从而大幅度提高系统效率。如结合电磁轨道炮发射后,电磁发射性能急剧下降,烧蚀后轨道电极表面呈现出弧痕、弧坑及悬挂在上轨道电极上的滴状颗粒等形貌,各国进行了各种铜合金(铜和银、铌、钨、铁、铬、碲、铝)和碳化钨等一些合金和半导体等新的复合材料的实验[28]。黄伟等[29]研究了CuCrZr合金(C18150铜合金)材料在电磁发射试验中的轨道损伤,结果表明:起始阶段呈热损伤、加速阶段偏摩擦磨损及热熔、高速阶段以机械磨损为主。
绝缘支撑作为发射装置中的重要部件,其性能直接影响了装置整体的可靠性及寿命,目前使用的材料以树脂基复合材料和结构陶瓷材料为主[30-31]。Bertola等[32]使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯 、聚酰胺、乙酰 、聚酰胺酰亚胺、玻璃纤维增韧聚酰亚胺、三聚氰胺 、酚醛树脂等多种材料进行试验,发现绝缘支撑性能可结合材料的热、化学相关特性指标进行评价。Rosenwasser等[33]通过试验对比测试了多种陶瓷材料,验证了陶瓷相较于树脂复合材料在抗烧蚀性能方面的极大优势。
3 电磁发射系统应用展望
基于电磁发射技术能够解决传统机械能和化学能发射所共有的发射效率低、能级小、控制性能差等诸多不利因素,并随着其在军事应用领域的成熟,其应用领域还可进一步拓展至以下军民应用场合。
3.1 民用飞机电磁发射
现代飞机的发动机尺寸主要取决于起飞条件,因为初始加速需要最大的发动机功率,而起飞跑道的长度决定着大型飞机能否成功起飞。基于超导线性同步电机电磁发射系统可增加飞机加速度来减少所需的跑道长度,以应对持续增长的空中交通压力,避免昂贵的机场扩建,从而大大降低飞机发动机功率、燃料使用要求以及噪音和废气排放。英国诺丁汉大学Luca Bertola等国外学者对民用飞机A320采用美国电磁飞机弹射系统来完成弹射起飞任务进行了可行性分析,如表3所示,结论是采用超导电磁发射系统后所需跑道长度可由2 590 m缩短至535 m,地面噪音排放将减少约88%,每架次飞机的燃油消耗降低1%,NOx排放量较少相当于每日120余辆柴油车的排放量[34-35]。
表3 F-35C和A320弹射起飞参照表
Table 3 Reference tables for catapult launch of F-35C and A320 aircraft
类别最大起飞质量/kg起飞速度/(m·s-1)过载要求/g起飞距离/m能量/MJ起飞时间/sF-35C37 000783.3941132.4A32073 500700.653518212
3.2 多目标任务电磁发射
美国Benjamin D.Skurdal等学者在洛克希德·马丁公司和桑迪亚国家实验室的支持下,自2005年起进行了多任务电磁发射器的系统概念可行性论证和原型测试,该系统采用感应线圈技术,由发射器、电磁脉冲电源、控制系统、支持设备和多个发射包组成,通过部署对抗诱饵(红外/雷达频率诱饵、雷达频率分散诱饵和声学诱饵)、传感器(声纳浮标和无人飞行器)和非致命武器(闪光弹和遮蔽物)进行舰艇自卫,主要显著优点是:实现高度自动化集成的软杀伤系统,配备自动装弹库,可同时访问多个对抗诱饵;可持续多次发射现有(改装)和未来对抗诱饵,无需多个固定发射管;在可变范围内能够精确部署,进一步减少能量损耗。2006年,成功演示了含有能量和引信的对抗诱饵弹的发射兼容性;2007年,开发了一种原型重复频率线圈和脉冲电源,其点火率比传统的火炮系统快(即速度超过6～12发/min)[36]如图4所示。
图4 多任务发射器测试示意图
Fig.4 Photos of multimission electromagnetic launcher usage tests
3.3 发射火箭和卫星
由于大型常规火箭助推器只能从少数国家获得,因此,小型卫星发射机会不仅受到成本的限制,还受到发射器可用性和发射窗口机会的限制[37]。一些研究评估了使用电磁技术发射到太空的可能性[38-40],包括使用轨道炮、线圈炮和线性加速器等方式,并已经研究了陆基系统、机载系统以及建造超大高空固定设施的中间安排。比如,20世纪80年代,美国NASA实验室研究的使用电磁发射器在地球向太空发射载荷的项目,评估了重1 t的放射性核废料发射至太阳系外所需的发射成本约为传统火箭的1%。桑迪亚国家实验室提出的基于多级重接式电磁发射系统来发射小卫星(500～1 000 kg)的实际载荷可提升47 %[41]。
3.4 多级感应式线圈枪
电容驱动感应线圈的枪管和弹丸之间几乎无物理接触,使得其具有更大的电磁力、更长的枪寿命和更高的效率。Byeong-Soo Go等学者开展了带有脉冲功率模块的多级感应式线圈系统的线圈组件的设计、制造和分析,采用有限元法分析了线圈系统的电压、电流、力、速度、加速度和效率,验证了线圈系统具有较高的能效和安全抵抗线圈组件的力和温度,仿真推算了当放电10 kV电容器电压时弹丸力和速度分别约为1.3 MN和107 m/s,实现了4 kV发射试验以20 m/s或更高速度发射21.68 kg弹丸的发射目标[42],如图5所示。
图5 带弹丸的装配式三级线圈发射系统
Fig.5 Fabricated three-stage coilgun launching system with a projectile
3.5 电磁弹射微重力环境落塔
相比于空间站、火箭、飞机做抛物线运动等创造微重力环境的方式,微重力环境落塔具有准备时间短、频率高、单次成本低等优点,逐渐成为在地面做微重力实验的主要方式之一。传统落塔采用抽真空技术将整个落塔抽真空并将实验对象从塔顶抛落使其做自由落体运动来达到创造微重力环境的目的。该种形式的落塔微重力水平较低且每天仅可实验2～3次,制约了微重力环境实验的准确度和实验效率。基于电磁弹射技术的新型微重力环境落塔可完成每天300次的微重力实验,微重力水平预计可达10-6 g量级,且由于直线电机具有可控性强的特点,电磁弹射微重力环境落塔还可模拟超重力和欠重力环境,将极大丰富落塔装置的功能。如德国汉诺威莱布尼兹大学已建成世界上首个采用“电磁弹射+电磁回收”技术的新型落塔[43],2019年开展首次试验,实现了4 s的微重力时间,如图6、图7所示。2023年7月,中国科学院研制建设的4 s电磁弹射微重力实验装置启动试运行,可以维持的微重力时间达4 s、微重力达10μg(十万分之一重力加速度)、过载加速度不超过5g(5个重力加速度)、实验间隔不超过10 min,达到国际先进水平[44]。
图6 德国汉诺威落塔结构示意图
Fig.6 Schematic diagram of the structure of the Hanover tower in Germany
图7 德国汉诺威落塔仰视图
Fig.7 Tow view of the Hanover tower in Germany
4 结论
电磁发射系统作为一种全新概念且极速兴起的发射装置,无论在军事或民用领域都显示了极大的突出优势和广阔的应用前景,它对未来人类社会产生的意义和可应用场景现在仍无法估量。同时,应清醒的看到电磁发射在能量存储、电力调节、发射装置、顶层控制以及新复合材料方面还存在很多待解决的科学及工程实践问题。因此,应加大对电磁发射关键技术在国防武器、科学试验、航天和航空领域的研究力度和投入力量,深入拓展其应用领域,加快推进电磁发射技术由“理论”迈向“现实”,从而更好的服务于人类社会的生产生活。
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