摘要：地空武器系统的发射系统都是通过燃料的燃烧将化学能转化为弹药的动能，使弹药离开发射装置飞向预定目标，但发射瞬间燃烧能量的不均衡很难实现对弹药初速的精确控制，同时发射瞬间的冲击对发射装置的过载能力要求很高，产生的烟雾和火光也容易暴露发射点目标。电磁轨道发射是利用电磁感应原理产生的推力使弹药离开发射装置，可根据需要实现弹药高初速精确控制、无烟、无火光、无噪音发射。
关键词：电磁轨道；发射装置；精确控制
I 引言
地空武器装备的发射分为热发射和冷弹发射，热发射就是弹药在发射装置上直接对发动机点火，将弹药送入预定目标，可以给弹药提供较高的初始度速，但发射过程会产生大量火焰、烟雾和噪音，产生的尾焰容易烧坏发射装备上的附属设备，因此对发射设备的防护要求较高，但发射结构简单、可靠性强；冷弹发射是发射装备向弹药提供弹射动能，使弹药离开发射装置后发动机再点火飞向预定目标。冷弹发射时高温很容易烧坏发射筒内的线缆和设备，发射时的振动冲击对发射筒的要求较高，很容易造成发射筒不可逆的损坏，且弹药出筒/箱的初始速度很难实现精确控制；电磁发射名义上也属于冷弹发射的一种，但从能量利用上它是利用电能代替化学能转化为动能将弹药从发射装置弹射升空，所需能量由发射装置提供，弹射过程中没有烟雾、火光、振动和噪音，对发射装置的要求相对较低。
电磁轨道发射技术是电磁发射技术的一个分支，应用较为成熟的就是电磁轨道炮技术，相对于电磁线圈发射技术和电磁电热发射技术，电磁轨道发射技术对发射装置的结构相对简单，且能使比较重的弹丸得到高初速，相对于炮弹类弹丸，在地空装备应用领域弹药相对重量较大，都为上百公斤级的重量。此外，使用电磁轨道发射技术更容易构建发射装置的通用化平台，实现多弹型共架发射和多频次循环发射。
2 电磁轨道发射的应用现状
目前有资料报道应用技术有航母电磁弹射器和电磁轨道炮技术。美国福特级航母装备的电磁弹射器，通过上百米的电磁轨道将飞机加速到几百公里每小时的起飞速度，使飞机在航母上能正常起飞。电磁轨道炮技术，利用电磁系统中运动电荷在磁场中所受到的洛仑兹力来对金属炮弹进行加速，加速时间比常规化学能加速时间长，从而增加火炮在初始速度和射程，使金属炮弹得到高加速来达到打击目标的作用[2]。
此外，美国桑迪亚国家实验室和洛马公司设计了一种导弹垂直发射装置，试验样机成功将649kg的导弹推进到12m/s的弹射速度，验证了电磁弹射器弹射导弹的可行性[3]。
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图1 电磁轨道发射原理图
3 电磁轨道发射系统的组成及原理
3.1 电磁轨道发射系统的组成
电磁轨道发射系统主要由动力源、储能装置、发射装置等组成[1]。动力源为整个发射系统提供动力，根据设计需求选择功率匹配的发动机；储能装置必须具有高能量密度，具备瞬间充放电能力，可以选择合适的超级电容器；发射装置包括控制系统、发射筒、金属导条、电枢、连接装置和缓冲装置等，在相关控制系统控制下实现弹药以精确初速弹射出筒/箱。
3.2 电磁轨道发射系统的原理
电磁轨道发射技术是利用电流产生强磁场，磁场中的电枢受到安培力作用加速载荷并发射的技术。比传统化学能发射加速更加平稳，根据需要可对速度和加速度进行调控[4]，图1为地空武器装备设定电磁轨道发射原理图。发射筒内弹药下方布置两条相互平行的刚性金属导条，金属导条之间是可运动的电枢，电枢上通过连接装置连接需要发射的弹药，超级电容可进行快速充放电，当控制系统控制超级电容向发射筒内的技术金属导条供电，金属导条与电枢形成电流回路，瞬间大电流从发射筒内一根轨道经电枢流向另一根轨道，在两根轨道之间形成强磁场，磁场与流经电枢的电流相互作用，产生强大的电磁力，使电枢带动连接装置及弹药向上运动，连接装置在缓冲装置的作用下缓慢停下，弹药与缓冲装置分离从发射筒发射出去。
4 电磁轨道发射的应用前景
4.1 传统化学能发射技术
化学能发射，不论是热发射还是冷弹发射，其弹药和发射燃料是前后布置，热发射时后部发射燃料燃烧直接产生推力将弹体发送至预定目标，冷弹发射时通过发射筒内底部的发射燃料燃烧使局部密闭空间内气体体积迅速膨胀，推动弹体在发射筒加速前进，弹射出发射筒。
化学能发射具有爆发力强、成本便宜等优点。但也存在一些问题，第一，热发射时弹体和发射燃料不能分离，增加了发射弹药的重量，降低弹药发射速度和飞行距离；第二，冷弹发射时受发射筒体结构强度性能等影响，安装大剂量的发射药受到限制，导致弹药弹射初速受限，在有限的遭遇时间内弹药机动末速度很难提高到最大值，毁伤力无法得到提高。第三，地空武器装备弹药发射的时候是处于静止状态，发射初始段发动机很大一部分能量被用来克服重力，限制了弹药的有效射程。第四，燃料的燃烧爆炸是瞬间发生，导致弹药发射加速的过程很难精确控制，而且后坐力也不可避免。
4.2 电磁轨道发射技术
随着新材料技术和电源技术的发展，发射轨道耐磨问题和大功率电源问题已得到解决，使用电磁轨道发射技术可实现发射弹药初速快，射程远。发射过程通过电能转化为弹药离开地面的动能，初速取决于通过电枢的电流，发射能量可调节。发射轨道可重复使用，发射成本低。发射瞬间没有燃料释放的盐雾和火光，具有很好的隐蔽性能。但是电磁轨道发射时瞬间的脉冲大电流，也给电子元器件的过载和电磁兼容问题带来一定的挑战[5]。
4.3 地空武器发射技术的发展趋势
地空武器装备的发射正朝着快速、隐身和精确控制技术方向发展，传统化学能发射有其自身的优势一直沿用至今，但存在的发射瞬间出现的烟雾、噪音、爆燃导致弹药初速的不稳定等问题必然被无光、无烟、无声、能量精确控制的新发射方式取代，电磁轨道发射技术也必将成为新发射技术的一个发展方向。
5 展望
电磁轨道发射技术以电能代替化学能，通过控制发射电流可以精确控制发射弹药的初速，发射时对发射装置不产生冲击，发射过程安全、隐蔽、能量精确可控，虽然目前在地空武器发射中未得到实际使用，但其潜在的应用价值和军事需求，未来地空武器发射必然朝着以电磁轨道发射技术类似的具备发射能量精确可控和高初速发射技术的方向发展。
参考文献
[1]贺翔，曹群生。电磁发射技术研究进展和关键技术[J]。中国电子科学研究院学报,2011,6(02):130-135
[2]杨世荣、王莹、徐海荣、骆颖。电磁发射器的原理与应用。物理学和高新技术，2003年32卷第4期
[3]王钊、金洪波、邹本贵、陈学慧。电磁线圈发射器垂直发射过程建模与仿真。海军航空工程大学学报，2013年第28卷3期
[4]刘旭，于歆杰，刘秀成，常馨月。电磁轨道炮运行阶段系统发射效率和电枢出膛动能研究。电工技术学报，2017年第3期
[5]王秋良，王厚生，李献等。同轴线圈电磁推进技术进展[J]。高电压技术，2015，41（8）：2489-2499
论文作者:龙军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/4/30