中國線圈炮，怎么把124公斤炮彈，0.05秒加速到700公里/小時(shí)的？

出品|網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語：據(jù)《南華早報(bào)》報(bào)道，近期，在首次發(fā)射測試中，我國新型線圈電磁炮將一枚124公斤的炮彈在不到0.05秒的時(shí)間內(nèi)加速到700公里/小時(shí)的速度，其炮口動(dòng)能達(dá)到了2.3441358e+6焦耳。線圈炮究竟是什么技術(shù)？

南華早報(bào)關(guān)于大口徑線圈電磁炮的報(bào)道

一、“要領(lǐng)先就領(lǐng)先美國”我國大口徑電磁線圈炮的技術(shù)突破

追求更大的發(fā)射動(dòng)力和炮彈的發(fā)射速度一直是各國關(guān)注研究電磁炮的重點(diǎn)，軌道炮、線圈炮是主流技術(shù)。

央視軍事微博關(guān)于電磁炮的報(bào)道截圖

在同軸線圈電磁推進(jìn)領(lǐng)域，美國不間斷地進(jìn)行了近 40 年的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究，目前已經(jīng)進(jìn)入原理樣機(jī)試制階段。美國國防部預(yù)先研究計(jì)劃局正在研制“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”車載式非直瞄電磁線圈迫擊炮，目標(biāo)是將120毫米的迫擊炮彈加速到420米／秒，目前已經(jīng)進(jìn)入原理樣機(jī)試制階段。

這次我國實(shí)驗(yàn)的線圈炮使用的124公斤(273磅)炮彈是已知最重的炮彈。雖然目前這種武器的確切尺寸和最大射程仍然是保密的，如此重量以及高速的彈丸已經(jīng)可以命中數(shù)公里外的目標(biāo)。即使內(nèi)部沒有裝填炸藥，在落地時(shí)依舊如隕石墜落一般殺傷力巨大，一顆100公斤的電磁動(dòng)能炮彈就可以完全消滅1000平方米（比2個(gè)籃球場略大）內(nèi)的所有有生目標(biāo)，絕對是次時(shí)代的大殺器！

今年8月的《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，我國“電磁彈射之父”馬偉明院士還有他的海軍工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了題為《電磁發(fā)射技術(shù)中的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)》的文章，也印證了這項(xiàng)大口徑電磁線圈炮的技術(shù)突破，文中正式宣布：“海軍工程大學(xué)攻克了大口徑高磁密線圈設(shè)計(jì)制造技術(shù)、緊湊型脈沖電源技術(shù)等一系列難題，實(shí)現(xiàn)了百公斤級(jí)一體化電磁彈出口速度達(dá)到數(shù)百米/秒以上,目前正在發(fā)展中質(zhì)量高馬赫數(shù)，1000米/秒電磁線圈發(fā)射技術(shù)”。又一次證實(shí)了馬偉明院士說的“要領(lǐng)先就領(lǐng)先美國”。

據(jù)《南華早報(bào)》報(bào)道，負(fù)責(zé)線圈炮項(xiàng)目的研究工作的海軍工程大學(xué)關(guān)曉存教授指出："這種大炮可以徹底改變戰(zhàn)爭的進(jìn)行方式，對敵方目標(biāo)進(jìn)行更快、更準(zhǔn)確和更具破壞性的打擊。"

二、電磁軌道炮初速高、威力大，“燒蝕”難跨越

目前電磁炮主要以軌道炮為主，具有初速高、射程遠(yuǎn)、威力大、成本低、持續(xù)打擊能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢。

電磁軌道炮依靠兩側(cè)軌道的驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生巨大磁場，同時(shí)限定炮彈前進(jìn)的路線，來推動(dòng)炮彈進(jìn)行加速，最終在出膛時(shí)獲得超高的速度和動(dòng)能。

電磁軌道炮原理和基本構(gòu)造

“燒蝕”就成為了很多國家軌道式電磁發(fā)射技術(shù)難以跨越的一個(gè)門檻。由于發(fā)射需要兆安級(jí)別的電流通過，彈丸以每秒千米級(jí)速度劃過導(dǎo)軌，射速度已接近接觸式發(fā)射的極限，導(dǎo)軌被電弧燒傷嚴(yán)重。

據(jù)美軍公布出來的信息，發(fā)射幾十次就要更換導(dǎo)軌，美軍已經(jīng)解決了電源問題但導(dǎo)軌問題卻一直沒有解決，最終于2021年下馬！受制于材料、工藝等，目前軌道式電磁發(fā)射的發(fā)射速度難以進(jìn)一步提高。

美國關(guān)于下馬電磁軌道炮的報(bào)道

三、線圈炮：可大質(zhì)量載荷“中速”發(fā)射

與軌道式電磁發(fā)射裝置相比，線圈式電磁發(fā)射原理更加簡單，由于是非接觸式發(fā)射方式，理論上具有更高的發(fā)射末速度。線圈炮具有結(jié)構(gòu)簡單、可發(fā)射大質(zhì)量載荷、電樞與發(fā)射器之間無摩擦等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

電磁線圈炮是通過高壓電容器對驅(qū)動(dòng)線圈逐級(jí)放電產(chǎn)生脈沖電磁行波，驅(qū)動(dòng)彈丸進(jìn)行電磁懸浮發(fā)射的技術(shù)，如電磁線圈炮、電磁重接炮等。

線圈炮又分為磁阻炮和感應(yīng)炮；磁阻線圈炮門檻相對比較低，磁阻炮有個(gè)問題，中間彈丸的鐵磁材料很容易磁通飽和而無法再提高速度，因此感應(yīng)炮就應(yīng)運(yùn)而生了。

線圈電磁炮基本原理

電磁線圈感應(yīng)炮的基本原理是交流電升壓、整流后變?yōu)橹绷麟妼﹄娙莩潆姡竭_(dá)指定電壓后，放電晶閘管控制放電回路導(dǎo)通，此時(shí)電容瞬間釋放的大脈沖電流流經(jīng)加載線圈形成脈沖磁場，變化的磁感線穿過感應(yīng)線圈產(chǎn)生變化的磁通量，使感應(yīng)線圈中產(chǎn)生與加載線圈同軸反向的渦流，瞬時(shí)磁場和渦流相互作用產(chǎn)生安培電磁力發(fā)射炮彈。

電磁線圈感應(yīng)炮由發(fā)射系統(tǒng)（多級(jí)按序排列的發(fā)射線圈、發(fā)射負(fù)載和相應(yīng)的供電）、控制系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等組成，發(fā)射系統(tǒng)為炮體的主要結(jié)構(gòu)，用于安放加載線圈實(shí)現(xiàn)對炮彈的電磁加載，同時(shí)在平行炮筒軸線上安放紅外激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)用于對儲(chǔ)能電容充電后對加載線圈輸出大脈沖電流，控制系統(tǒng)主體安裝在電氣柜中。

線圈電磁炮結(jié)構(gòu)示意圖

大口徑電磁線圈炮體積巨大，為了能夠滿足其能源需求和設(shè)備需求有許多技術(shù)瓶頸需要克服，比如其所需要的抗高溫材料、抗電腐蝕材料，能快速充放電的大電容，各種抗強(qiáng)電流、高電壓的電子元器件的制造等。

海軍工程大學(xué)于 2017 年首次設(shè)立電磁發(fā)射工程專業(yè)，在發(fā)射裝置、儲(chǔ)能、電樞、超高速彈丸方面開展了全面深入的研究。

四、我國電磁線圈發(fā)射技術(shù)突破

1）提供足夠電能突破儲(chǔ)能技術(shù)

電磁發(fā)射武器在低電流時(shí)其實(shí)沒啥用，只有在兆安級(jí)電流產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)速度才能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，但在這種模式下，對電源的要求極高，儲(chǔ)能是電磁發(fā)射系統(tǒng)的能量源泉。

為滿足直線電機(jī)在短距加速過程中需要的瞬時(shí)大電流，需通過中高壓大容量電力電子變換技術(shù)將儲(chǔ)能輸出的直流電調(diào)制成頻率和幅值協(xié)調(diào)變換的交流電，從而實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)加速所需的瞬時(shí)功率。

官方公開的儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)畫面

海軍工程大學(xué)提出了直流可控并聯(lián)、多相混合多電平逆變、分布式切換供電的脈沖大功率電能變換系統(tǒng)方案，解決了電磁彈射系統(tǒng)能量源共享、多具彈射器相互隔離和超大功率長初級(jí)直線電機(jī)供電的難題 ，成功研制出數(shù)百M(fèi)V·A級(jí)電能變換系統(tǒng)，具有高功率密度、高可靠性的特點(diǎn)。

2）保證發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定，脈沖直線電機(jī)技術(shù)

直線電機(jī)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電磁線圈發(fā)射器是特殊的圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)，取消了鐵心和繞組槽結(jié)構(gòu)以削弱磁飽和及齒諧波，從而提高能效，采用高壓電容器驅(qū)動(dòng)而不是多相交流電，以盡可能地提升單位長度的出力。

由于發(fā)射線圈通電時(shí)機(jī)與發(fā)射負(fù)載相對位置有較精確的關(guān)系，隨著負(fù)載速度的提高，對發(fā)射負(fù)載位置的準(zhǔn)確檢測、對發(fā)射線圈開通時(shí)機(jī)的把握以及對大功率電流供電品質(zhì)控制等成為制約線圈式電磁發(fā)射裝置進(jìn)一步提升發(fā)射末速度的主要技術(shù)難題。

華中科技大學(xué)研發(fā)的超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能器

為突破適用于高初速發(fā)射的電磁線圈發(fā)射器的關(guān)鍵技術(shù)，西北機(jī)電工程研究所與華中科技大學(xué)合作，研制了口徑為 120 mm、 長度為 2.5 m 的電磁線圈發(fā)射裝置。

海軍工程大學(xué)提出了直線感應(yīng)電機(jī)多目標(biāo)約束下彈射軌跡精確控制方法，研制出綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務(wù)的角度實(shí)現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。保證多種電磁發(fā)射系統(tǒng)高效協(xié)同工作，研究綜合控制系統(tǒng)，從完成多種作戰(zhàn)任務(wù)的角度實(shí)現(xiàn)各電磁發(fā)射系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3）制導(dǎo)技術(shù)射程精度仍需提高

相對于傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)射，電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境更為復(fù)雜，呈現(xiàn)出多物理場強(qiáng)耦合、發(fā)射過載量級(jí)大以及過載持續(xù)時(shí)間長（10 ms）的新特點(diǎn)。常規(guī)導(dǎo)彈一般過載較小，且導(dǎo)航器件體積較大，無法直接應(yīng)用到電磁發(fā)射領(lǐng)域。

所以現(xiàn)在各國使用的電磁炮彈完全就是一個(gè)實(shí)心金屬彈丸，無需另外增加多余的電子設(shè)備，因此可以承受極高的速度。

美軍研制的電磁炮彈，實(shí)心金屬結(jié)構(gòu)

軌道式電磁炮發(fā)射時(shí)炮膛環(huán)境非常極端，難以安裝制導(dǎo)設(shè)備，并且彈丸質(zhì)量上限受到限制，而線圈炮可以使用常規(guī)圓柱體炮彈，因此非常適合設(shè)計(jì)成制導(dǎo)炮彈類型。

海軍工程大學(xué)依據(jù)器件工作環(huán)境及可靠性提出了無纜化、綜合集成和功能復(fù)用的研制思路，將傳統(tǒng)的多型部件進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，使得制導(dǎo)器件的線纜減少 90%、器件抗高過載能力提升 50%。

后期再進(jìn)行小型化和抗高過載能力設(shè)計(jì)，器部件小型化耐沖擊設(shè)計(jì)、高過載組合導(dǎo)航和超高速制導(dǎo)控制等還有很多技術(shù)難題需要突破。

結(jié)語：

電磁發(fā)射技術(shù)是人類運(yùn)用能量的又一次飛躍，必將成為未來發(fā)射方式的必然趨勢，近些年來，我國在電磁技術(shù)已形成外溢趨勢，接連在電磁彈射與電磁炮等推出新式電磁技術(shù)創(chuàng)新，未來將在軍事民用航天航空等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

以上文章內(nèi)容均基于對外公開資料文獻(xiàn)整理編輯，不涉及任何核心機(jī)密

參考文獻(xiàn)：

[1]線圈式電磁炮放電回路參數(shù)研究，張銘豪、曹增強(qiáng)、鄭國、袁昕宇、李想、杜蒙，火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)

[2]艦用電磁發(fā)射技術(shù)研究綜述，騰騰、譚大力、王擎宇、張曉謂，艦船科學(xué)技術(shù)

[3]車載電磁炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，曹靖偉、張珂、毛桂平、蔡冬如、張鵬

[4]電磁發(fā)射技術(shù)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，馬偉明 魯軍勇，DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230470，電工技術(shù)學(xué)報(bào)