电磁发射器是利用电能发射物体的发射装置。实质是把电能变换成发射物体所用的动能的一类能量变换器。电磁发射包括电磁轨道、电磁线圈、电磁重接等基于不同原理的多种发射方式,目前按其结构可分为导轨型、线圈型和重接型三种。
一、国外研究现状
1844年,由Colonel Dixonz首次提到“电磁炮”的概念,此后到二十世纪七十年代,美国、德国、法国、日本、奥地利、挪威等国家展开了相关研究工作。比较成功的有挪威奥斯陆大学的Birikeland教授在1901年制造了世界第一台电磁线圈炮。1936年,美国普林斯顿大学的Northrop教授研制了离散型机械同步发射线圈炮。但是由于当时科技发展水平不高,技术条件相对落后,电磁发射的研究进程中遇到了种种困难,研究工作也因此有些停滞。
电磁轨道发射研究工作进入了快速发展时期从1978年开始,澳大利亚国立大学研制了550 MJ的堪培拉单级发电机并投入实验运行,它能够提供1 MA以上的电流,在5 m长的导轨型电磁发射器上,把重量为3g的弹丸加速到5900 m/s的速度。这为电磁发射器的发展,做出了开拓性的贡献。随后,许多国家组织开始对轨道炮开展了研究,投入了大量研究资金,使得电磁发射技术在发射装置、发射重量、弹丸速度、大功率电源等方面取得了一系列成果。荷兰、英国、日本分别进行电磁发射、脉冲功率和材料等技术的研究。
80年代初美国的研究逐步走在世界的前列,美国国防部先后成立了电磁炮发展研究顾问委员会和技术工作组,对电磁炮技术现状及应用潜力进行了评估,并建议集中和协调国家的资金来发展电磁炮。新泽西州的皮卡汀尼兵工厂,威斯汀豪斯公司,德克萨斯州的奥斯汀德克萨斯大学机电研究中心和高技术研究所,加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,洛斯·阿拉莫斯实验室,通用原子公司,麦克斯韦实验室等均参加了电磁炮各分项目的研究。美国的苏伦斯·利弗莫尔国家实验室和洛斯·阿拉莫斯实验室协作,首次将2.2 g的弹丸加速到10km/s的高速;美国桑迪亚国家实验室在1986 -1993年进行了系列的基本实验,并编制WARP-10模拟计算程序,大大推动了电磁发射技术的发展;位于匹兹堡的威斯汀豪斯公司研发了EMACK和SUVAC项目;SUNNYVALE公司研发了“雷电”项目,虽然它是澳大利亚国立大学轨道炮的翻版,但它第一次建造了完整的轨道炮系统。1994年,美国建造的轨道炮系统可以把质量4.44 kg的物体加速到3 km/s.
进入21世纪,美国进一步加快了电磁轨道炮的研究进程。以美国先进技术研究所和位于马里兰州阿伯丁实验场的美国陆军研究室为代表的科研单位已将顺利开展了电磁轨道炮集成到现有的或未来的武器平台的相关研究,并取得重大进展。美国海军在2003年4月在苏格兰柯尔库布里郡成功完成了验证电磁轨道炮发射高超音速弹药的海上演示验证试验。2005年美国通用电子系统公司己经研制成储能密度为3MJ/ m3的脉冲电容器。2008年,美国己经研制成功脉冲交流发电机系统。该系统可以供炮口需求动能为2 ~5 MJ的电磁轨道炮使用。2010年12月10日,美国海军研究办公室的实验型电磁导轨炮样炮在位于达尔格伦的海军水面作战中心进行了射击试验,将10.4kg的弹加速到2500m/s。
其它国家也开展了电磁炮的相关研究。例如荷兰的TNO,德国慕尼黑技术大学、德国的莱茵金属公司和TZN、位于法国的法·德圣路易斯研究所,英国的BAE系统公司。位于澳大利亚墨尔本的澳大利亚国防部实验室、日本东京技术研究所等。其中,法·德圣路易斯研究所在1998年建成了“飞马”电磁轨道炮,身管长度为6m,可将1 kg的弹丸发射到2000 m/s以上的速度。2004年英国国防部牵头研制成了轻型电磁轨道炮演示样机,并开发了多种类型的脱壳穿甲弹。该炮在分别采用了矩形和圆形炮膛结构实验过程中,发射时的峰值电流达到了2 MA,将质量为2.5 kg的弹丸发射到2000 m/s的速度,但在实验检查电枢时,出现了轻微烧蚀的现象。
二、国内研究现状
由于国家科技经济实力较弱,又受时代发展阶段的制约,电磁发射技术在国内的研究起步较晚。1981年,军械工程学院王莹教授开始从事电磁发射技术和新概念武器的研究教学工作,他发起、组织、指导了中国电磁发射的研究,并出版了专著《电炮原理》、《高功率脉冲电源》、《新概念武器原理》、《电发射物理学》等,它与新西兰的理查德·马歇尔教授合著了《电磁轨道炮的科学与技术》。目前,在中国有几十家单位开展与电磁发射相关的研究工作,如中国工程物理研究院流体研究所、中科院等离子体研究所、北京特种机电研究所、哈尔滨理工大学等,并在电磁轨道发射的不同领域做出了相关贡献。
1986年,中国工程物理研究院流体物理所建造了我国第一台电磁导轨发射实验装置,将0.34 g的弹丸加速到1680 m/s的速度。随后又研究制造了一台线圈炮,将把直径为60 mm、质量为1 kg的弹丸加速到60m/s的速度。
1988年8月,中科院等离子体物理所也建成了一台导轨式电磁发射实验装置,把50 g的发射体加速到3000 m/s。之后,对旋转磁通压缩脉冲发电机理论和实验进行研究,并完成25MW被动旋转磁通压缩脉冲发电机的磁场设计和样机制造的工作,并在实验中以每秒钟4发的射速将10发弹丸加速到2000 m/s。
1998年,中国科学院等离子体物理研究所的吕庆敖等人提出了一种新型电磁轨道炮,该炮既能利用固体电枢的优势,又能避免电枢的烧蚀缺陷。
从90年代初开始,华中科技大学对电磁炮电源进行相关理论分析和实验研究,制造了多门轨道炮原理样机。对轨道炮的炮膛烧蚀]、电气负载特性、轨道炮电枢等方面进行了相应的机理分析和实验研究。中国电工技术学会电磁发射技术专委会于 2002 年 8 月成立,由专委会举办的首届电磁发射国际学术会议也于 2004 年 8 月在大连召开。
2010年,北京特种机电研究院联合中国科学院电工研究所、华中科技大学、南京大学等多家国内高校,建造了一门储能为10 MJ的电磁轨道发射装置,该发射装置长6m,发射时峰值电流达到了1.8 MA,将质量为1 kg的弹丸加速至2100 m/s。
南京理工大学也是开展电磁轨道炮技术研究的高校之一。主要开展了弹道、身管、脉冲电源和固态开关相关技术研究。郑州机电研究所先后制造了两门20层增强轨道炮分别将质量为5 kg和300 kg的物体分别加速到35 m/s。哈尔滨理工大学着重于同轴线圈炮的发射原理,建造了一台432 mm长度的三级电磁线圈发射装置,将27 g的钢制弹丸加速到接近75 m/s的速度。大连理工大学对电磁重接炮进行了相关理论和实验研究。研究工作包括电磁重接炮点火控制系统和测速系统以及重接级数、主控开关性能对发射效率的影响,设计并制造了三级重接炮实验系统,可以将质量为160 g的弹丸加速至27 m/s的速度。
三、结束语
电磁发射技术的优点和在各个领域的应用潜力不断凸现,特别随着脉冲功率技术、材料技术、超导技术等相关学科的发展,在近20年有很大的发展和众多突破。当今世界,很多国家都在研究电磁发射技术,可行性实验论证研究阶段已经过去,现正进行工程实用研究。在新的世纪里,电磁发射技术必将充分体现它的优势与不可估量的作用。