潛艇水平發射巡航導彈電磁發射方案研究?

車夢虎

（解放軍91550部隊91分隊 大連 116023）

1 引言

目前，潛射巡航導彈發射方式有自航式、氣動沖壓式和液壓平衡式。以外置液壓平衡式發射裝置為例，一般包括雷彈發射管（多具）、氣動發射系統、水壓平衡系統、液壓控制系統、注疏水系統和電控系統等。導彈發射時，貯存在氣動發射系統內的發射能源——壓縮空氣由程控發射閥控制，按預定規律注入氣缸，并在氣缸中膨脹做功，推動氣缸活塞和水缸活塞運動，通過水缸活塞轉換為海水的壓力勢能和動能，并在以海水為工作介質的水壓平衡系統中進行能量傳遞，最終在發射管內轉換成巡航導彈的動能，使導彈運動并以所要求的速度離管，完成導彈發射。

目前發射方式的優點是：在水壓平衡系統的作用下，在發射管內運動的導彈由于前后端均受到相同的海水靜壓力，不需要消耗能量，即發射導彈時所需的能量與潛艇下潛深度無關。但是，缺點也顯而易見。如這些發射裝置都存在依賴壓縮空氣提供發射能量，由于機械泵、渦輪、變速箱、發射氣瓶的存在，它們占用體積大，機械閥門多，可靠性差，維護成本高，并且在導彈發射時，會產生很大的瞬態噪聲，這對潛艇聲隱身非常不利。另外，未來潛艇平臺有可能發生重大變化，如全電力推動的潛艇，也對潛射導彈電磁發射技術提出新的要求。

2 潛射導彈電磁發射系統

電磁發射技術是指通過電磁感應原理，利用電流產生強磁場，進而利用安培力加速載荷并發射的技術。潛射導彈電磁發射技術是電磁發射技術在潛艇導彈發射領域的重要應用，一般要求發射導彈的質量從幾百千克到數十噸，出管速度從幾十m/s到幾百 m/s［1］。

2.1 基本組成

潛射導彈電磁發射系統是潛艇作戰系統的重要組成部分，由導彈武器控制系統、發射控制系統、能源存儲系統、能源控制調節系統和電磁發射器組成。如圖1所示［2］。

2.2 工作過程

潛射導彈發射時，電磁發射系統的工作過程為：根據導航信息、目指信息和指揮控制系統輸入的相關信息與參數，導彈武器控制系統進行信息綜合處理后，完成導彈的初始檢查和航路封裝，同時向能源控制調節系統發送輸送電源命令，能源控制調節系統通過潛艇母電源為儲能系統輸送電能。發射準備好后，導彈武器控制系統向發射控制系統發送發射命令，發射控制系統根據武器控制系統對導彈出管速度、彈道要求進行解算并形成控制信號，控制能源存儲系統按要求發送脈沖電源波形，電磁發射器將電能轉換為導彈動能，帶動導彈做直線運動，在一定距離內使導彈達到要求的出管速度。

2.3 技術優勢

與當前潛射導彈（包括魚雷、水聲對抗器材和UUV等）水下水平發射主要通過空氣渦輪泵的實現方式相比，采用電磁發射水下導彈的優勢包括：

1）電磁發射技術可將導彈加速至極高速度，加速過程更加平穩，且速度和加速度可任意調整，發射推力調節范圍大，適宜發射不同的負載；

2）用電力作為發射源，相較現在的發射系統，可以省去液壓系統和壓縮空氣供應系統，顯著縮小系統體積，減少在潛艇上的穿孔、維護成本更低；

3）當前潛艇水下發射使用壓縮空氣，會形成明顯的發射噪聲，采用電磁發射技術可以克服這個問題，易于確保潛艇的隱蔽性；

4）能量轉換效率高、結構簡單、安全性高，具有較強的軍事應用價值。

2.4 性能要求

潛艇平臺對導彈電磁發射系統主要有三個性能要求：

1）導彈出管速度滿足武器系統要求；

2）發射時能夠滿足導彈的制約條件。比如，要考慮彈上火工品的敏感性要求；

3）由于導彈和導彈武器控制系統對電磁比較敏感，因此電磁兼容性須符合要求。

3 水平電磁發射的基本方案

相關研究表明，在海軍平臺特別是核動力航母、核潛艇上使用全電推進和電磁發射系統會帶來很大好處。美國海軍已經提出全電力艦概念，正在為海軍平臺開發以電能為主的作戰系統，如電力發射裝置、高性能武器系統等。根據報道，我國潛艇永磁推進電機動車試驗已獲得成功。由于傳統核潛艇通過核反應堆驅動汽輪機，汽輪機又通過減速箱向螺旋槳輸出動力，一旦在核潛艇上采用永磁電機，不僅消除了核潛艇主要動力裝置（核反應堆、燃氣輪機以及柴油機）與其運動部分（螺旋槳、水炮等）之間的機械聯系產生的噪聲，有效地解決了平臺的能源供給問題，更合理地在核潛艇動力系統和其他系統之間分配能量，從而為平臺上安裝耗能較大的導彈電磁發射系統鋪平了道路。

3.1 所需的關鍵技術

3.1.1 直線電動機

全電力推進潛艇接口為導彈電磁發射技術提供了可能。而實現電磁發射功能的重點是直線電動機。直線電動機的工作原理和傳統的回轉電動機類似，都具有定子和轉子（反應盤），大體上可認為將回轉電動機“拆開”就形成了直線電動機構，如圖2。直線電動機有直線感應電動機和直線同步電動機兩個不同形式。兩者之間主要區別是直線同步電動機更小更輕，但是需要在轉子中使用永磁體，直線感應電動機則使用導電盤［3］。

圖2 回轉電動機和直線電動機結構簡圖

3.1.2 無桿氣缸

實現電磁發射的另一個關鍵技術是“無桿氣缸”。無桿氣缸是指利用活塞直接或間接方式連接執行機構，并使其跟隨活塞實現往復運動的氣缸。無桿氣缸和普通氣缸相比，同樣的行程可縮小一半的安裝位置要求，節省安裝空間。

“綜合電動發射管”方案是近年比較典型的水下電磁發射技術解決方案［4］。“綜合電動發射管”通過魚雷發射管發射導彈，采用直線感應電動機原理。直線感應電機的定子沿魚雷發射管管壁布置，反應盤位于導彈尾部，推動導彈前進。

綜合電動發射管只需在潛艇殼體上為能源和控制電纜保留穿孔，最大程度地減少潛艇殼體的穿孔。發射導彈時，速度和加速度能夠實現電子控制，類似于空氣渦輪泵和可編程開啟閥相結合的電子控制方式，所以能用同樣的發射管發射多種不同類型武器。

3.1.3 高功率脈沖電源

導彈電磁發射過程中最高功率能達到GW級，常規電源無法滿足這樣的瞬態功率需求，需要采用高功率脈沖電源。高功率脈沖電源是實現脈沖功率的能量壓縮裝置。在潛射導彈發射過程中，電磁發射所需電流幅值高、上升時間短，需要設計多個脈沖功率源模塊組成一個龐大的放電系統向電磁發射器提供電能。目前，研究的常規儲能形式有電容儲能、電感儲能、機械能、化學能和核能。但是，電容儲能密度低，有漏電風險，難以長期存儲；電感儲能斷開電感時將在斷路開關兩端產生高電壓并且能量傳輸效率較低；機械儲能電壓低，效率低；化學能和核能做初級能源時重量大、體積大、成本高［5］。

作為潛射導彈的電磁發射能源，必須具有儲能量大、密度高、發射功率大、體積小、質量輕和重復頻率高的特點。電源系統要解決能量的快速吸收與存儲、電流波形的形成與整形、強電流的監測與開關控制等技術。

3.1.4 電力調節控制技術［6］

脈沖電源釋放的強電流不能直接用于電磁發射，這是由于單脈沖電流產生的電磁推力會伴隨很強的振蕩，且能量轉化效率低。研究發現理想的發射電源電流外特性為梯形平頂脈沖。電流迅速上升，可使電樞在極短時間內獲得很高的電磁推力。在加速過程中，平頂電流提供恒推力，均勻加速對發射管沖擊較小，可有效減小磨損。當彈丸離開時，殘余電能可能會擊穿。因此，出射后軌道電流應迅速回落。

當前，普遍采用的方法是多個脈沖電源異步放電，合成近似的梯形波，如圖3所示。在連續發射的情形下，多個脈沖電源反復充電、放電和饋電的控制與調節是電力調節的核心。

圖3 脈沖序列合成電流特性圖

3.2 反應盤和導彈的集成方式

反應盤和導彈的集成方式將影響電磁發射系統的操作方式和工作效率。目前，有兩種不同的系統集成方案，一種是將反應盤和導彈集成在一起，另一種是兩者各自獨立［7］。如圖4所示。

圖4 反應盤和導彈的兩種集成方式

1）反應盤與導彈集成

如果從發射管的角度來考慮，最好的解決方案是將反應盤和導彈集成。這樣可以減少零件并簡化發射。但是，這種方法也有缺點：即反應盤是一種導電薄片，其特征要和導彈相匹配，要滿足導彈的作戰要求；發射時要在反應盤加載很大的力，這意味著反應盤會很大；可能會增加導彈的重量，從而限制了導彈的機動性；若要兼容發射多型導彈，則不同類型的導彈在和反應盤集成時要先定義接口標準，有可能降低導彈的性能。另外，由于導彈內部電子設備和火工品以及武器控制系統對電磁都比較敏感，需要對直線感應電機的電磁場加強管理。因此，要將反應盤和不同類型的導彈集成的方案面臨諸多工程挑戰。

2）反應盤與導彈相互獨立

如果分別從發射管和導彈兩個不同角度考慮，可將反應盤作為一個獨立裝置。這種方案的優點是：反應盤和導彈彼此獨立，雙方性能都不會因為對方而折衷；反應盤作為獨立裝置后，可在設計中將電磁場和導彈相互隔離，可確保不對電磁敏感裝置造成影響；對一次性反應盤，無需考慮能量回收，可簡化控制和能量系統方案，因此設計出的一次性反應盤更輕更小，也更容易將導彈裝填到魚雷管；而對多次反復使用的反應盤，因無需儲存和搬運多個反應部件，所以只需要考慮如何將導彈裝配到反應盤的前面。

缺點是在導彈設計上，需要專門考慮導彈后部承載發射力的問題。另外，因為電磁發射裝置控制系統和能源系統要確保反應盤剎車和恢復，所以需要設立剎車區，發射管的長度將會增大。

3.3 設計中要考慮的因素

與傳統方法相比，潛艇電磁發射系統發射力直接作用在導彈上，能量密集，效率更高，實現導彈同樣的離管速度，所需要的能量更小。在設計中，需要考慮以下問題［8］：

導彈齊射時電磁發射系統的冷卻問題。隨著潛艇載彈量增大，在現代戰爭中，導彈齊射逐漸成為大概率事件。考慮到典型發射管的熱質量以及潛艇密閉空間的熱擴散條件，在齊射時，需要設計專門的冷卻系統。

定子的集成問題。直線感應電動機的定子主要是由多相線圈纏繞的疊片鐵芯組成。定子在向發射管集成時，既不能影響發射管結構的整體性，同時也不能被海水環境所腐蝕。目前看，將定子裝入非磁材料是一種可行的防止海水腐蝕的方法。

定子和反應盤之間的“氣隙”問題。“氣隙”是磁路與磁路之間的空氣間隔。以電動機為例，定、轉子之間的空隙就是氣隙。氣隙是能量轉換的通路，氣隙的大小會影響電動機的性能。在集成發射管里，導彈發射時，導彈在注水的魚雷管內加速運動，隨之產生的水的高速流動可能會對“氣隙”的規格造成影響。

3.4 能量系統設計和控制

在圖5顯示的能源線路方案里，多個小型直線感應電動機通過能源開關連接到發射換流器。該結構為能量向反應部件轉化提供了最高效率的方法。這種結構已經在多個應用上得到驗證，比如英國的無人機發射演示系統便采用該線路。這種結構，可以確保在發射中對導彈的速度和加速度進行控制，可以讓不同類型的導彈通過同一個發射管發射。

圖5 直線感應電動機能源控制方案

由于導彈電磁發射是一種大能量、非連續作業，因此綜合電動發射管需要配置脈沖能源。發射裝置對電力的需求非常高，潛艇的電力系統無法直接提供所需電能。這樣就需要專門的能量儲能系統來提供脈沖能源。

水面艦艇已經開發了類似的能源存儲系統。美海軍“福特”級航母上采用12部飛輪儲能系統為4部電磁彈射器供電。每部儲能系統充電時長45s，放電時長 2s～3s，飛輪最大轉速6400轉/分鐘，每次可釋放121MJ能量，釋放能量后飛輪轉速降至5205轉/分鐘。該系統由通用原子公司研制，是一種雙定子、軸向場永磁發電/電動機，通過航母總線電源充電。相關儲能系統用于無人機發射，也用于飛行器、軌道炮和定向能武器等［9］。現有的一些技術，如超導技術和先進電池技術，也可能在潛艇能量存儲系統中得到應用。

3.5 技術實現圖

電力發射裝置首先要解決負載驅動問題。在電力發射裝置中，驅動負載的是電動機而不是壓縮空氣泵，即電力發射泵。電力發射泵由壓縮殼體內部電動機驅動，具有和空氣渦輪泵同樣的作戰性能和負載適應性。同時，電力發射泵采取全電力接口，可以利用更多商業技術，加快技術向系統植入，減少平臺全壽期成本。

電力發射泵需要采取能量存儲裝備來滿足負載發射對脈沖能量的需求。民用工業和海軍水面艦部門對能量存儲技術的開發有助于加快該技術向裝備的轉化。一旦技術成熟，同樣的能量存儲就可以在后期的技術開發中得到應用［10］。電力發射泵還需要電子和控制系統，相關的拓撲技術（類似于標準電機驅動）已經由民間企業和海軍進行了充分的論證。

下一步需要改進的是電動機，使其能夠安置在壓力殼體外面。像綜合電動發射管一樣，外置的電力發射泵為布置能源與控制電纜，只需要在壓力殼體上開一個穿孔，穿孔數少于在潛艇殼體內布置的電力發射泵。電力發射泵在壓力殼體內布置時，需要在殼體上為泵軸穿孔留孔。

在電力發射泵開發的同時，還需要開發無軸氣缸以及替代壓縮空氣源，并與發射管集成。開發的最終階段是發射管的集成［11］。在這個階段，直線感應電動機將集成進綜合電動發射管。綜合電動發射管必需的能源和控制系統布局技術也將得到論證，確保其能夠適應潛艇作戰環境要求。綜合電動發射管的進一步開發是成為真正的外置發射管，成為潛艇“任務模塊”之一，讓潛艇能夠根據任務需求來選擇負載合適的發射能力。

以上就是綜合電動發射管技術實現圖，該圖以漸進的方式達到綜合電動發射管的發展目標，降低研制風險，最終產生小體積、高性能的全電力系統，降低平臺的全壽命成本［12］。如圖6所示。

圖6 潛射導彈綜合電動發射管技術實現圖

4 結語

導彈電磁發射的出現是導彈發射理論和工程實踐的一次飛躍，特別是在核潛艇平臺上采用電磁發射技術，幾乎實現了導彈發射過程的靜默，極大地減少了導彈發射過程中的瞬態噪音，使核潛艇成為真正的“大洋黑洞”，提高了平臺的生存能力［12］。作為一種正在研發的潛射導彈電磁發射系統解決方案，綜合電力發射管主要用于未來全電力潛艇平臺。因為綜合電動發射管僅需要電力作為發射能源，可以除去當前發射系統對液壓系統和壓縮空氣供應系統的需求，降低全壽期成本。

電磁發射技術已在電磁軌道炮、航母艦載機電磁彈射等領域完全工程化實現，在潛艇平臺，目前還處于研究試驗階段［13］。未來根據不同潛艇平臺電力發射結構和能量存儲方式的不同，綜合電動發射管既能夠發射和回收大尺寸的UUV，也可發射“長條”形狀的導彈、魚雷，還可發射小尺寸水聲對抗器材和水聲通信裝置，具有廣闊的軍事應用前景。