艦用電磁發射技術研究綜述

騰 騰，譚大力，王擎宇，張曉谞

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

電磁發射系統（Electromagnetic Launch System,ELS）是一類以電能為能源，將電能轉化為發射負載動能的能量轉化設備[1-2]。根據不同的設計目標，電磁發射系統的發射能級從幾十千焦到幾十甚至上百兆焦不等，與化學能發射相比電磁發射系統對負載的發射過程通常能夠精確控制。人類對能源的利用經歷了最初的人力時代，到以弓弩為代表的機械能時代，再到以火藥武器為代表的化學能時代，每一次能源的變革都為人類帶來投射能量1～2 個數量級的飛躍[3-4]，而電磁發射技術必將成為下一次人類能源利用的革命。以綜合電力系統驅動的，全電武器艦船將成為大國海軍未來的發展方向之一。

1 電磁發射系統的典型組成與原理

從1822 年安培發現電的磁效應開始，科學家們一直致力于對電磁發射系統的研究[3]，1844 年Colonel 首次提出了“電磁炮”的概念[5]，直到近年來大容量儲能技術和大功率電力電子技術投入工程應用，電磁彈射、電磁軌道炮等實用化的電磁發射系統相繼被研制出來并投入試驗和使用[6-7]。

典型的電磁發射系統通常由儲能設備、電能變換設備、發射裝置和控制維護設備構成，如圖1 所示。電磁發射系統在工作時，儲能設備先以較小的功率從電網長時間地存儲能量，當存儲的能量滿足發射需求并接收到發射指令時，儲能設備向電能變換設備釋放電能，電能變換設備將電能變換為發射裝置所需的脈沖大功率交流或直流電，發射裝置利用電磁力推動發射負載運動，控制維護設備負責發射的作業流程控制，并對全系統進行健康監測和管理[8-9]。

2 電磁發射系統的分類與技術特點

根據電磁發射裝置利用電能的原理不同可以分為軌道式電磁發射裝置、線圈式電磁發射裝置和電機式電磁發射裝置。此處需要說明的是，李力毅等[3]認為電磁發射的分類中包含的重接式電磁發射裝置，從原理上和線圈式的電磁發射裝置并無本質的區別。

2.1 軌道式電磁發射裝置

軌道式電磁發射裝置是以電的磁效應為基本原理，是一種接觸式的電磁發射裝置。如圖2 所示，軌道式電磁發射裝置通常由軌道和電樞組成，2 根軌道相互絕緣，電樞在整個運動過程中保持與2 根軌道的接觸并導通。在軌道上施加一個電流，電流流過電樞，從無到有的電流將產生一個感應磁場，流過電樞的電流在這個磁場中會受到安培力的作用。精確地控制施加電流的變化，可以使電樞受力向預定的方向運動，從而使電樞推動發射負載實現發射動作。

圖2 軌道式電磁發射原理Fig.2 Rail-type electromagnetic launch principle

軌道式電磁發射裝置的典型代表是電磁軌道炮和電磁迫擊炮[10]。美國和英國BAE 公司合作研制的電磁軌道炮目前已經實現了32 MJ 炮口動能的發射試驗，能夠將10 kg 的彈丸加速到2 500 m/s。

目前，軌道式電磁發射裝置能夠實現較大能級、較高速度的負載發射能力，是各主要國家下一代火炮類武器的主要研發目標之一。但是，軌道式電磁發射裝置也面臨一些亟待解決的難題，例如發射速度已接近接觸式發射的極限，受制于材料、工藝等，目前軌道式電磁發射的發射速度難以進一步提高[11]。

2.2 線圈式電磁發射裝置

線圈式電磁發射裝置是一類非接觸式的電磁發射裝置，如圖3 所示。線圈式電磁發射裝置一般由多級按序排列的發射線圈、發射負載和相應的供電、控制部分組成，發射負載外側可以是多匝閉合線圈，也可以是金屬套筒[12]。當對發射負載所處的發射線圈施加脈沖電流時，在發射負載外側感應出一方向相反的環形電流，此環形電流與兩線圈間的磁場相互作用產生電磁力，驅動發射負載向前運動。當發射負載達到各級發射線圈的適當位置時，發射線圈逐級放電，實現負載的發射。

線圈式電磁發射裝置的典型代表是電磁線圈炮。美國桑迪亞實驗室研制的長0.8 m，直徑0.1 m，有6 級線圈的電磁線圈炮，可使5 kg 重的射彈的出口速度達到335 m/s，發射能級達到280 MJ[13]。

與軌道式電磁發射裝置相比，線圈式電磁發射系統由于是非接觸式發射方式，理論上具有更高的發射末速度。但是，由于發射線圈通電時機與發射負載相對位置有較精確的關系，隨著負載速度的提高，對發射負載位置的準確檢測、對發射線圈開通時機的把握以及對大功率電流供電品質控制等成為制約線圈式電磁發射裝置進一步提升發射末速度的主要技術難題。

圖3 線圈式電磁發射裝置Fig.3 Coil-type electromagnetic emission device

2.3 電機式電磁發射裝置

電機式電磁發射裝置是目前發展范圍最廣的一類電磁發射裝置，通常以直線電機作為發射裝置，以電力逆變器作為電能變換設備。根據驅動發射負載的方式不同，電機式電磁發射裝置又可以分為直驅式和間接驅動式2 種。直驅式是以電機的動子通過機械結構直接與發射負載連接，推動發射負載前進；間接驅動式是以電機的動子推動某種介質，后介質推動發射負載前進。

直驅電機式電磁發射裝置的典型代表是美“福特”號航母上裝備的電磁彈射裝置（EMALS）[6]，艦載機前輪的彈射桿通過與固定在直線電機動子上方的往復車掛接，拉拽艦載機彈射起飛。

此外，“福特”號的先進阻攔系統中，電磁阻攔部分可以說是一類特殊的電機式電磁發射裝置，其阻攔電機產生與負載運動方向相反的制動力矩，阻攔系統的基本構成與電磁發射系統類似[14]。

與前2 種方式相比，電機式電磁發射對發射負載末速度的控制最為精確，通?？梢赃_到±1 m/s[15]。同時，可以實現對發射負載發射過程運動軌跡的靈活設定，以適應多種類型發射負載不同的載荷特性需求。

對于電機式電磁發射系統來說，在動輒幾十上百兆焦的發射能級區間，電力電子器件更大的功率和更高的頻率本身是一對矛盾，電力電子器件的技術水平制約了電機式電磁發射裝置的發展。

3 電磁發射的關鍵技術

3.1 儲能技術

由于電磁發射系統工作電流和功率較高，瞬時功率可達幾百兆瓦，民用電網或艦船平臺難以直接提供電磁發射系統所需的電能。所以，需要儲能設備長時間以較小功率蓄積電能，發射時在較短時間內向電能變換設備提供大功率電能。目前，電磁發射用大功率儲能技術主要分為蓄電池、超級電容和機械能儲能3 類。

1）蓄電池儲能技術

蓄電池儲能技術發展歷史較長，目前已有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等多種技術路線。與其他儲能技術相比，蓄電池儲能技術具有能量密度高，存儲電能容量大，安全性相對較高等優勢。同時，蓄電池儲能通常難以提供電磁發射所需的脈沖功率峰值。在電磁發射系統中，蓄電池組通常作為混合儲能設備中的第一級儲能，用于保證系統能夠執行一定周期的連續工作同時，不會給平臺電網造成過大的壓力[16]。

2）超級電容儲能技術

超級電容器作為一種新型儲能元件，具有容量大、功率密度高、免維護、循環壽命長等優勢[17]。但是，超級電容的能量密度相對不高，存儲電能容量通常不能滿足相匹配的電磁發射裝置多次工作的需求。所以，在電磁發射系統中，超級電容器組通常作為第二級儲能，與蓄電池組共同構成電磁發射混合儲能系統。在這種混合儲能系統中，對超級電容充電的時間和電壓控制技術是其核心技術之一，充電速度越快、電壓控制精度越高，能夠大幅提升電磁發射系統性能[18-19]。

3）機械能儲能技術

機械能儲能技術，通常指飛輪儲能，與蓄電池和超級電容相比，飛輪儲能技術能夠兼顧能量密度和功率密度，使得兩級混合儲能系統具有簡化為單級儲能設備的可能，同時飛輪儲能技術輸出功率大，適用范圍廣，過充電與過放電的危害較小[20]。但是，飛輪儲能技術設備較復雜，至少需要包括儲能電機和用于控制電機的變頻器，且由于飛輪儲能存在摩擦損耗，其儲能損耗在幾種儲能技術中最大[21]。所以，飛輪儲能技術通常應用于對系統體積重量有較苛刻要求的電磁發射系統上，例如飛機電磁彈射系統。

3.2 電能變換技術

儲能設備存儲的電能不能直接提供給電磁發射裝置，必須通過電能變換設備，將電能進行電制、頻率、幅值以及相位等的變換[8]，使電磁發射裝置能夠按照設計向發射負載輸出載荷，使發射負載按照預定軌跡運動。

根據電磁發射系統發射裝置類別的不同采用不同的電能變換設備。對于軌道式和線圈式電磁發射裝置，通常采用開關類電能變換設備，例如以晶閘管為主要功率器件的開關設備[22]。對于電機式電磁發射裝置，通常需要整流設備和逆變設備實現對電機的控制[23]。

目前，在電磁發射技術領域，對電能變換技術的研究主要集中在對電力電子器件技術的研究和對電力電子器件應用技術的研究[24]。

1）電力電子器件

隨著當代電力電子器件技術的發展，超大功率晶閘管和大功率脈沖功率晶閘管的出現，使電磁發射系統中的開關類電力變換設備得以實現；新型大功率高響應頻率的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）的出現，使電磁發射用特種逆變裝置得以實現。

未來電力電子器件發展的技術路線是多樣的，但進步的目標始終未變，即在截止狀態時，能承受高電壓；在導通狀態時，能夠承受大電流并僅有較小的壓降；在開關轉換時，具有較短的暫態過程，并能承受高的di/dt 和du/dt；具有更好的可控性能[25]。

2）電力電子器件的應用

每一代電磁發射系統對電力電子器件的需求總會超過當時的器件技術，這就使對電力電子器件的靈活應用成為一種有效的工程實現手段。對電力電子器件的應用主要通過設計不同的功率器件拓撲結構，使整體設備達到更高電壓、更大容量和更好電磁兼容性的目的[26-27]。

3.3 發射裝置技術

電磁發射裝置是電磁發射系統的執行機構，接受電能變換設備按需提供的電能，并一次對發射負載施加電磁力。電磁發射裝置可以按原理分為軌道式、線圈式和電機式。

1）軌道式電磁發射裝置的關鍵技術

軌道式電磁發射裝置的關鍵技術主要包括：通電導軌材料的研制；導軌間絕緣材料的研制；軌道式發射裝置身管外壁材料的研制；發射裝置后座與固定裝置的研制；發射裝置熱管理技術[28]；軌道式發射裝置可靠性及壽命相關技術以及軌道式發射裝置全天候使用相關技術等。

2）線圈式電磁發射裝置的關鍵技術

線圈式電磁發射裝置的關鍵技術主要包括：發射線圈相關材料的研制；級聯線圈布置優化技術；發射負載實時位置精確檢測技術[29]；發射線圈大功率電流開通暫態過程仿真技術[30]等。

3）電機式電磁發射裝置的關鍵技術

電機式電磁發射裝置的關鍵技術主要包括：特種電機設計技術[31]；脈沖工作發射電機仿真技術[32]；直線電機分段供電技術[15]；發射電機模型參數精確整定技術以及適應多種發射負載的發射軌跡參數化設計技術等。

3.4 控制維護技術

與傳統發射技術相比，電磁發射具有能級范圍大、速度和載荷調節精確、能量轉化效率高等優勢。但不可回避的是，當前的各類電磁發射系統與其將要替代的化學能或機械能發射裝置相比，系統組成和原理都相對更復雜，而各類應用場景對發射裝置可靠性和可用性的要求并未降低，所以，需要在電磁發射系統電氣化的基礎上，通過控制維護技術，確保電磁發射系統狀態可知、過程可控、工作可靠。電磁發射控制維護技術主要分為：狀態監測、故障診斷和PHM（Prognostic and Health Management，故障預測與健康管理）3 個層次。

1）狀態監測

狀態監測技術是后續故障診斷和PHM 工作的基石。對于電磁發射這類復雜大系統，目前的技術手段尚不能實現對所有現場可替換單元（Line Replaceable Unit，LRU）完備的故障診斷和PHM，但是可以做到對所有LRU 的狀態監測。狀態監測的關鍵技術主要包括：先進傳感器技術[33]；高可靠性傳感器網絡技術；用于狀態監測的數據庫技術和適應各類應用場景的人機交互技術。

2）故障診斷

隨著電磁發射技術的發展，試驗次數不斷累積，試驗數據不斷增加，具備了對系統典型故障自動診斷的技術條件。對電磁發射系統的故障診斷主要針對易發的，高時效性故障，例如直線電機分段供電的相關故障，在電能變換設備的實時調節下，部分微小故障無法反應在負載的發射結果參數中，而這類發射任務往往需要連續執行，就需要系統根據每次發射的運行數據自動給出診斷結果[34-35]。

故障診斷技術目前主要有2 個發展方向：基于模型的診斷方法[36]和基于數據的診斷方法[37]，兩者各有優勢，適用于不同的故障情況。

3）PHM

電磁發射系統的PHM 與發動機這類旋轉機械或運動機械類設備不同，其中電子電氣部件的性能衰退特性通常具有劇烈變化的特點，難以直接應用成熟的PHM 方法。美國宇航局的故障預測研究中心（Prognostics Center，原PCoE）針對電力電子器件（小功率的電容器和IGBT）開展了一些PHM 相關的研究，國內在電磁發射PHM 領域，除與PCoE 類似的傳統PHM 方法之外，還出現了2 條技術路線：針對監測量的數值預測[9]和針對電氣設備結構的健康評估模型[38]。

3.5 與發射負載匹配適配技術

在飛機電磁彈射、電磁阻攔，電磁軌道炮等電磁發射已有應用領域的基礎上，電磁發射以其優異性能，逐漸向各個傳統發射領域拓展。目前艦用傳統發射技術主要包括3 種形式：1）以潛艇雷彈發射為代表的高壓氣機械能發射；2）以冷發射導彈/炮彈為代表的化學能發射；3）以導彈/火箭彈為代表的負載自帶化學能動力發射。其中，機械能發射存在能量效率較低，發射聲光效果較大，發生能級受限等劣勢；化學能發射存在發射藥及藥筒或火箭發動機占用空間和重量，綜合效能較低等劣勢。采用電磁發射技術后，以上典型發射負載都將簡化為任務負載+適配器的形式，在電磁發射技術本身優勢的基礎上大幅提升綜合效能。

電磁發射裝置與發射負載的匹配適配技術主要包括：基本外形和受力匹配、發射速度與能級匹配、發射過程載荷特性匹配以及電磁兼容等其他匹配技術。

4 電磁發射技術的發展與展望

1）電磁發射系統性能進一步提升

軌道式電磁發射系統將在保持最大發射速度的基礎上進一步提升發射能級，提高發射負載質量。線圈式電磁發射系統將進一步提高發射速度，可以作為未來微小衛星助推甚至直接發射的可能技術路線之一；電機式電磁發射系統將在進一步優化電機推力特性的同時開展負載懸浮的非接觸發射技術研究，進一步提升發射能級和發射速度。

2）電磁發射系統應用領域進一步拓展

電磁發射系統目前已在飛機彈射起飛、阻攔著艦、電磁軌道炮等領域實現了應用。隨著能源技術的不斷突破，未來電磁發射系統還會進一步拓展應用場景，在各類應用機械能和化學能發射的領域向傳統發射技術發起挑戰。

3）電磁發射系統可靠性可維修性進一步增強

在各類電磁發射系統不斷投入應用的同時，針對電磁發射系統特點的可靠性和可維修性研究會快速發展。與傳統發射裝置不同，未來，電磁發射系統會依托設計的冗余性和能量單元配置的靈活性，在可靠性上大大超過傳統發射裝置。同時，在電氣化信息化的大趨勢下，電磁發射系統的可維修性也將不斷增強。