電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1電磁發(fā)射國外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的化學(xué)能發(fā)射武器與冷兵器時(shí)代武器相比己經(jīng)具有儲(chǔ)能密度高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，然而隨著軍事科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，超高速、超高速動(dòng)能武器越來越受到重視，其中電磁發(fā)射技術(shù)是繼化學(xué)能武器發(fā)射之后出現(xiàn)的一種新型發(fā)射技術(shù)。1845年，查爾斯·惠斯通使用直流磁阻電動(dòng)機(jī)加速一根金屬棒，射程達(dá)到20m。1895年，第一個(gè)關(guān)于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的專利由梅厄(Mayor)獲得。1901年，奧斯陸大學(xué)教授首次提出電磁炮的概念并做了相關(guān)發(fā)射試驗(yàn)。1912年，法國埃米爾·巴徹勒特設(shè)計(jì)了交流激勵(lì)電磁推進(jìn)裝置。1937年，美國航空公司創(chuàng)始人諾斯拉普教授在其書籍中提及了電磁發(fā)射原理，之后，美國普林斯頓大學(xué)通過電磁推進(jìn)裝置進(jìn)行了載體發(fā)射試驗(yàn)。二次世界大戰(zhàn)前，關(guān)于電炮及電磁推進(jìn)方面的專利多達(dá)45項(xiàng)。但1957年美國空軍科學(xué)研究所經(jīng)論證得出電磁炮根本行不通的結(jié)論，這導(dǎo)致電磁炮的研究發(fā)展停滯不前。20世紀(jì)70年代開始電磁發(fā)射技術(shù)出現(xiàn)突破性進(jìn)展，究其原因主要有以下幾個(gè)方面：一是脈沖功率技術(shù)迅猛發(fā)展，二是材料科學(xué)及其工程技術(shù)有長足進(jìn)步，三是等離子體物理學(xué)的基本理論和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，四是有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)資源可利用，五是電磁發(fā)射技術(shù)在軍事技術(shù)方面具有重要的潛在應(yīng)用場景。1978年，澳大利亞國立大學(xué)馬歇爾教授團(tuán)隊(duì)使用550MJ單級(jí)發(fā)電機(jī)和等離子體電樞，把3g聚碳纖脂彈丸加速到5.9km/s，其中軌道長度為5m。這一試驗(yàn)結(jié)果證明電磁力可將較重的彈丸加速到高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為電磁炮的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而使得電磁炮的研究工作進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期[4]。馬歇爾教授這一革命性成就，引起各國軍方以及從事電磁發(fā)射科研人員的強(qiáng)烈關(guān)注，于是世界各地紛紛建立電磁炮研究機(jī)構(gòu)，并投入大量人力、財(cái)力、物力對電磁發(fā)射技術(shù)進(jìn)行深入研究。美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞、英國、法國、德國、日本、中國、韓國、以色列、荷蘭以及丹麥等十幾個(gè)國家競相試驗(yàn)研制[5]。1978年，美國國防部針對電磁發(fā)射技術(shù)專門成立電磁炮發(fā)展研究顧問委員會(huì)和技術(shù)工作小組，并對當(dāng)時(shí)電磁發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景做了評估預(yù)測。隨后美國全球戰(zhàn)略主動(dòng)防御委員會(huì)在其星球大戰(zhàn)計(jì)劃中提出了天基電磁炮研究計(jì)劃，嘗試用電磁發(fā)射技術(shù)加等離子體電樞技術(shù)攔截戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈。1985年，美國國防高級(jí)研究規(guī)劃局與美國陸軍聯(lián)合開展了以反裝甲為應(yīng)用前景的路基電磁炮項(xiàng)目。在20世紀(jì)末期，中大口徑電磁軌道炮中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題如“電弧燒蝕”、“高速刨削”相繼被攻克解決，目前美國電磁炮技術(shù)研究己進(jìn)入工程應(yīng)用階段[6-9]。美國針對電磁發(fā)射技術(shù)從全面技術(shù)研究到進(jìn)入工程化階段，經(jīng)歷將近30年的基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)研究。2008年1月31日，美國海軍水面作戰(zhàn)中心公布了其在弗吉尼亞州達(dá)爾格倫海軍水面作戰(zhàn)武器中心的電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，如圖1-1所示為其使用的試驗(yàn)型發(fā)射裝置。該裝置是針對出口動(dòng)能32MJ應(yīng)用背景的1：1研究裝置，其電流承載能力超過5MA，炮口動(dòng)能高達(dá)10.6MJ。為滿足遠(yuǎn)程動(dòng)能打擊的作戰(zhàn)需求，美國海軍委托美國波音公司、英國航空航天公司聯(lián)合研制了32MJ炮口動(dòng)能的工程化原型樣機(jī)[10]，如圖1-2所示。圖1-1達(dá)爾格倫試驗(yàn)性發(fā)射裝置圖1-2BAE公司32MJ炮口動(dòng)能電磁炮德克薩斯大學(xué)建立的InstituteforAdvancedTechnology(IAT)機(jī)構(gòu)專門進(jìn)行電磁軌道發(fā)射基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)研究。在此基礎(chǔ)上，IAT研究所設(shè)計(jì)了滿足MA級(jí)通流的軌道結(jié)構(gòu)，并對軌道材料和樞軌配合進(jìn)行了優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)了在炮口速度2000m/s時(shí)，軌道無燒蝕刨削現(xiàn)象，為美國海軍電磁炮實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)能打擊提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。經(jīng)過長期理論探索和工程實(shí)踐，IAT研究所在2013年基本完成其電磁軌道發(fā)射的基礎(chǔ)研究工作任務(wù)[11]。目前，美國海軍代表了當(dāng)今世界電磁軌道發(fā)射技術(shù)的最高水平，其在2008年進(jìn)行了10MJ電磁軌道炮試驗(yàn)，在2010年進(jìn)行了33MJ電磁軌道炮試驗(yàn)，在彈丸質(zhì)量為10kg的情況，其炮口速度可達(dá)到2.5km/s。2013年，美國解決了單次發(fā)射條件下的軌道抗燒蝕問題。根據(jù)現(xiàn)有資料估計(jì)，美國海軍將于2025年將不同能量等級(jí)的艦載電磁炮分別裝備在DDG1000，DDG51瀕海戰(zhàn)斗艦[12]。由法德國防部共同組建的法·德圣路易斯研究所(ISL)在1998年建成飛馬座(PEGASUS)電磁軌道發(fā)射器，并基于該裝置先后進(jìn)行了多次優(yōu)化與改進(jìn)，成為ISL發(fā)射研究的主要發(fā)射裝置。該發(fā)射器軌道長度為6m，能量饋送方式為分布式能量饋送，在采用銅刷電樞的實(shí)驗(yàn)條件下，通過10MJ電容型儲(chǔ)能脈沖電源進(jìn)行了大量試驗(yàn)，電容充電電壓高達(dá)10.75KV，系統(tǒng)電流承載能力為2MA。如圖1-3所示為ISL研究所早期的發(fā)射器裝置。其口徑為原型口徑尺寸為50mm，在電樞質(zhì)量為356.8g情況下，電樞出口速度可達(dá)2.24km/s，系統(tǒng)發(fā)射效率為29.9%。2002年，該試驗(yàn)型發(fā)射器由圓形口徑優(yōu)化為方形口徑，如圖1-4所示。圖1-3ISL圓口徑發(fā)射裝置圖1-4ISL方口徑軌道發(fā)射裝置優(yōu)化之后的發(fā)射器結(jié)構(gòu)更加有利于拆換組裝，在電樞質(zhì)量為300g的情況下，電樞出口速度可達(dá)2.4km/s，系統(tǒng)發(fā)射效率超過25%。ISL研究所關(guān)于電磁軌道發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自于這些發(fā)射裝置，基于該裝置重點(diǎn)研究了發(fā)射器口徑結(jié)構(gòu)，電樞結(jié)構(gòu)、分布式饋電和材料等因素對發(fā)射穩(wěn)定性和軌道壽命的關(guān)系[13-14].目前，除歐美國家以外，許多其他國家也在進(jìn)行電磁發(fā)射技術(shù)的相關(guān)研究，如德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)、澳大利亞國防部試驗(yàn)室、俄羅斯科學(xué)院、日本的工業(yè)技術(shù)院及其化學(xué)技術(shù)研究所等，但從試驗(yàn)發(fā)射裝置的規(guī)模和研究的連續(xù)性來看，與歐美的發(fā)展研究水平相距甚遠(yuǎn)。1.2電磁發(fā)射國內(nèi)研究進(jìn)展在我國，針對電磁發(fā)射技術(shù)的研究起步相對較晚。在理論研究和工程實(shí)踐方面與歐美國家存在一定的差距。20世紀(jì)80年代，電磁發(fā)射技術(shù)的探索研究工作開始在國內(nèi)展開。作為新概念武器，20世紀(jì)90年代，原國防科工委將將電磁發(fā)射技術(shù)列入跨行業(yè)重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目，并調(diào)動(dòng)國內(nèi)科研院校和研究機(jī)構(gòu)等資源開始進(jìn)行電磁發(fā)射技術(shù)的早期研制工作[15-17]。1986年，中國工程物理研究院流體物理研究所實(shí)施建造了國內(nèi)首個(gè)電磁發(fā)射系統(tǒng)，該發(fā)射裝置在彈丸質(zhì)量為0.34g時(shí)，彈丸出口速度可以達(dá)到1.68km/s。1988年，中科院等離子體物理研究所通過設(shè)計(jì)的電磁發(fā)射裝置將50g彈丸加速到了3km/s。中科院等離子體物理研究所通過設(shè)計(jì)的線圈型發(fā)射裝置將44kg的發(fā)射載荷加速到了14m/s的研究成果。2006-2010年，中科院電工研究所與北京特種機(jī)電技術(shù)研究所聯(lián)合設(shè)計(jì)制造了新型電磁軌道發(fā)射器，如圖1-5所示。該發(fā)射器所使用固體電樞為華中科技大學(xué)研制，電樞出口動(dòng)能達(dá)到2.2MJ，系統(tǒng)發(fā)射效率高達(dá)30%。圖1-5特種機(jī)電研究所4m試驗(yàn)性發(fā)射裝置我國科研機(jī)構(gòu)分工合作，主要包括哈爾濱工程大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、石家莊機(jī)械工程學(xué)院、燕山大學(xué)、清華大學(xué)等高等學(xué)校，還有一些科研院所，例如電工所、物理所、27所、鄭州機(jī)電研究所、208所等單位也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[18-23].2004年9月，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電磁發(fā)射技術(shù)專業(yè)委員會(huì)成立。專業(yè)領(lǐng)域包括高功率脈沖技術(shù)，電磁場與電磁波，控制、檢測技術(shù)，材料科學(xué)與技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等。定期舉辦“全國電磁發(fā)射技術(shù)研討會(huì)”，2018年，第八屆“全國電磁發(fā)射技術(shù)研討會(huì)”在鄭州舉行。2015年航天科工集團(tuán)進(jìn)軍電磁炮研制。中國航天科工集團(tuán)第二研究院206所目前己經(jīng)設(shè)計(jì)制成電磁發(fā)射裝置樣機(jī)，并進(jìn)入性能測試階段。206所“高能電磁發(fā)射技術(shù)”青創(chuàng)室依托集團(tuán)公司重大自主創(chuàng)新項(xiàng)目研究，將“導(dǎo)彈通用電磁發(fā)射技術(shù)”和“用于近程彈幕防空的電磁發(fā)射技術(shù)”作為重點(diǎn)研究方向[24].2017年，海軍工程大學(xué)，首次在招生專業(yè)中出現(xiàn)了電磁發(fā)射工程專業(yè)。海軍工程大學(xué)的電力集成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在馬偉明院士帶領(lǐng)下所研制的新型電磁發(fā)射系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并打破了我國導(dǎo)軌式電磁能武器技術(shù)始終徘徊不前的局面，取得重大進(jìn)展。海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室將為未來解決艦載電磁炮的能源供應(yīng)問題做出巨大貢獻(xiàn)[25-28]。參考文獻(xiàn)王瑩，肖峰．電磁炮原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1995：2-40．喬志明，雷彬，呂慶敖，向紅軍，邢彥昌。電磁軌道炮系統(tǒng)建模與分析[J]．火力與指揮控制，2017，42(04)：67-70．鮑志勇，軌道推射出口速度控制仿真與試驗(yàn)研究[D]．河北：燕山大學(xué)，2016：1-8．理查德·埃斯特里·馬歇爾，王瑩．電磁軌道炮的科學(xué)與技術(shù)[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，2006：5-10．蘇子舟，楊棟，王樂，等．韓國電磁軌道發(fā)射技術(shù)概述[J]．飛航導(dǎo)彈，2018，(9)：9-12．TSiaenen,MJLoffler.ComparisonbetweenLinearElectromagneticAccelerators[J].ActaPhysicaPolonica,2009,115(6):1089-1091.JBCornette,MWHeyseandJLBrown.Aninvestigationofelectromagneticlaunchrepeatability[J].IEEETransactionsonMagnetics,1993,01(29):379–384.周媛，李敏堂，王菁華．美國電磁軌道發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀及特點(diǎn)分析[J]．火力與指揮控制，2010，35(09)：1-4．HDFair.ElectromagneticlaunchscienceandtechnologyintheUnitedStatesentersanewera[J].IEEETransactionsonMagnetics,2005,41(1):158-164.張鳴宇，劉源，周鵬，等．從專利看美國電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展[J]．飛航導(dǎo)彈，2017，(9)：36-40，73．武曉龍，馮寒亮．美國電磁軌道炮技術(shù)探析[J]．飛航導(dǎo)彈，2019(02)：10-15．李軍，嚴(yán)萍，袁偉群．電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]．高電壓技術(shù)，2014，40(04)：1052-1064．蘇子舟，張濤，張博．歐洲電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展概述[J]．飛航導(dǎo)彈，2016，(9)：80-85．LehmannP.OverviewoftheelectriclaunchactivitiesattheFrench-Germanresearchinstituteofsaint-louis[J].IEEETransactionsonMagnetics,2003,39(1):24-28.YGao,HXiao,YNi,etal.SimulationandAnalysisoftheRailgunMuzzleFlowFieldConsideringtheArcPlasma[J].IEEETransactionsonPlasmaScience,2019,47(5):2242-2249.CYanjie,LWenbiao,LRuifeng,etal.StudyofDischargePositioninMulti-StageSynchronousInductiveCoilgun[J],inIEEETransactionsonMagnetics,2009,45(1):518-521.SuN,YanP.GuiY,etal.DesignandTestingofa10-MJElectromagneticLaunchFacility[J].IEEETransactionsonPlasmaScience,2011,39(4):1187-1191.關(guān)永超，鄒文康，何勇，等．串聯(lián)型雙軌增強(qiáng)電磁軌道炮電路模擬[J]．強(qiáng)激光與粒子束，2014，26(11)：220-224．陳曉陽．增強(qiáng)型電磁軌道炮性能仿真與優(yōu)化研究[D]．燕山大學(xué)，2017：20-36．王磊磊．電磁軌道炮電路暫態(tài)特性分析及發(fā)射組件優(yōu)化和解析計(jì)算[D]．燕山大學(xué)，2012：34-57．王振春，鮑志勇，曹海要，等．增強(qiáng)型電磁軌道炮電樞軌道接觸特性研究[J]．兵工學(xué)報(bào)，2018，39(3)：451-456．王磊磊，劉文，白象忠，等．電磁軌道炮二階欠阻尼電路的模型構(gòu)建與分析[J]．火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2012，(2)：5-8．王振春，何鎖純，劉福才．增強(qiáng)型軌道電磁炮電磁過程的仿真研究[C]．中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)．2011中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．2011：189-193．李艷明．電磁技術(shù)：看不見的科技如何影響戰(zhàn)爭[N]．中國航天報(bào)，2017，(03)：5-13．馬偉明，肖飛，聶世雄．電磁發(fā)射系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31(19)：1-10．李超，魯軍勇，馬偉明，等．電磁發(fā)射用多級(jí)混合儲(chǔ)能充電策略優(yōu)化[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32(13)：118-124．鄭宇鋒，魯軍勇，江漢紅，李超，