電磁發射超高速制導炮彈國內外研究現狀綜述

馬曉平，廖 欣，陳 兵

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

現代戰爭日益趨向信息化、智能化發展，戰場環境愈加復雜多變，現代軍事作戰形態正悄然發生著深刻的變化，低成本、高精度、快速響應、超視距打擊成為現代軍事任務的幾項重要指標。電磁發射技術在信息化武器領域的應用是對傳統火炮發射方式的一項重大突破，可有效提高制導炮彈命中精度、作戰半徑、毀傷效果等關鍵戰術指標，為傳統火炮和制導武器的超高速發射開辟了新的發展道路，在遠程精確打擊、中近程防空反導、反臨近空間目標等任務中具有廣闊的應用前景。基于電磁發射的超高速制導炮彈由于具備初速高、隱蔽性好、反應迅速、成本低等優勢，將成為未來末端防御體系中的關鍵武器裝備［1-2］。

1 電磁軌道炮概述

電磁發射技術是指利用發射系統的電磁裝置產生精確可控的電磁力加速攜帶電樞機構的彈丸，完成超高速發射任務，是區別于傳統火炮發射裝置的一種新興直線推進技術，可以對導彈［3］、航母艦載機［4-5］、空間載荷［6-7］等裝備進行高速發射，通常包括電磁線圈發射、直線電機發射和電磁軌道發射。相較于依靠火箭發動機或者輔助發射機構產生推力的傳統發射方式，電磁發射技術具備推力精確可控、可滿足多任務載荷發射需求等優點，可實現制導炮彈的超高速發射，符合現代化戰場中復雜多變的作戰任務需要。

1.1 電磁軌道炮的概念

電磁軌道炮又稱磁軌炮（electromagnetic rail gun，EMRG），是指采用電磁軌道發射技術對制導炮彈進行無燒蝕加速的先進定向動能武器，不同于將火藥燃氣壓力作用于彈丸的傳統火炮發射過程，電磁軌道炮是利用發射系統產生精確可控的電磁力對攜帶電樞的彈丸進行加速，為了能達到打擊目標所需的動能，其發射初速一般可達2～3 km/s，可有效提高制導炮彈的射程和毀傷效果［8］。

1.2 電磁軌道炮的系統組成

電磁軌道炮系統一般由平行滑軌、發射單元、脈沖功率電源、網絡控制開關等機構組成，其中發射單元又由電樞、彈托和彈丸這3 部分組成［9］，圖1所示為電磁軌道炮系統組成。其中，電樞通過縱臂分別與兩條相當炮管長度的固定平行導軌表面建立電接觸，在電磁推力的作用下沿著導軌軸向滑動；彈托主要用于支撐炮管內的彈丸，使其具備穩定的動力學特性和良好的電接觸；彈丸一般是由鎢球團填充的非爆炸性子彈，重量輕、體積小，是實現動能殺傷的“戰斗部”［10］。

圖1 電磁軌道炮系統組成Fig.1 Components of EMRG system

1.3 電磁軌道炮的工作原理

電磁軌道炮的工作原理如圖2所示，發射系統中的平行滑軌、脈沖功率電源、置于彈托上的彈丸和電樞共同形成完整的閉合回路。當系統處于發射狀態時，由電容器或旋轉電機構成的脈沖功率電源向其中一條導軌供電并通過電樞流向另外一條導軌，流經兩條平行導軌的巨大電流會產生方向相反的強線性磁場，進而與電樞磁場相互作用產生巨大電磁力，驅動電樞和彈托沿著滑軌軸向加速，瞬間獲得極大的初速，彈丸出膛之后彈托脫落，而彈丸以極高的速度射向打擊目標，實現毀傷的目的［11-12］。

圖2 電磁軌道炮工作原理Fig.2 Operating principle of EMRG

2 超高速制導炮彈概述

隨著諸多先進技術在防空、反導、反艦、反裝甲等軍事領域的廣泛應用，現代地面火炮和精確制導武器的攻防對抗任務變得愈加艱巨，防御目標的機動能力不斷提高、作戰空域的范圍大幅增加、遠程毀傷的難度持續提升均對傳統火炮及制導武器的性能提出了更高挑戰。超高速電磁發射制導炮彈的應運而生無疑為傳統火炮與導彈武器射速、射程、毀傷效果、命中精度、抗飽和攻擊等性能的改善與提升提供了無限可能。

2.1 超高速制導炮彈的概念

超高速制導炮彈（hypervelocity projectile，HVP）作為電磁軌道炮發射系統的新型動能殺傷彈丸，一般采用超低阻力氣動外形和精確電子制導系統，是集成了先進發射技術、高性能材料技術和魯棒控制技術的精確高效毀傷武器，不僅要承載電磁發射系統強大的電流侵蝕，還要承載強電流和靜態與交變磁場的相互作用，相較于傳統火炮，其響應速度更快、飛行速度更高、命中精度更高、可有效打擊超視距范圍的目標威脅。為了提高通用化水平，超高速制導炮彈通常裝配有不同的適配器，不僅適用于電磁軌道炮發射系統，也可用于常規海軍艦炮或陸軍榴彈炮發射。圖3所示為超高速制導炮彈結構模型，主要應用于超高速制導炮彈的艦載火炮發射系統［13-14］。

圖3 超高速制導炮彈結構模型Fig.3 Structure model of HVP

2.2 超高速制導炮彈的特點

超高速制導炮彈與傳統火炮相比一般具有技術性能高、通用性強、效費比高等優點，具體表現在以下5個方面。

1）發射初速快、有效射程遠。超高速制導炮彈采用了錐形體的超低阻力氣動外形設計，具有較高的空氣動力學性能。在當前的技術水平和發射條件下，通過電磁軌道炮發射其初速可達7Ma（約2 380 m/s），最大射程約為185 km，是傳統火炮發射初速的2～3倍。

2）抗過載能力高。超高速制導炮彈的彈目交會速度是傳統炮彈彈目交會速度的兩倍以上，發射瞬間軸向過載峰值高達20 000g，因此需要彈體結構具備更強的抗過載能力，同時也對彈體結構的材料性能提出了更大的挑戰。

3）射擊精度高、毀傷效果大。超高速制導炮彈采用直線推進技術、精確制導技術和定向動能殺傷戰斗部，因此具有很高的命中精度；通過高速撞擊目標進行毀傷，破片動態飛散主要集中于彈體前方，毀傷效果一般優于采用近炸引信或接觸引信進行爆破殺傷的傳統炮彈的毀傷效果。

4）采用模塊化設計理念和體系化發展模式，通用性強。超高速制導炮彈采用適配器可兼容不同口徑、不同機理的發射模式，如傳統火炮發射和電磁軌道炮發射等。

5）成本低、效費比高。相較于目前各國普遍裝備使用的各類超遠程制導彈藥，超高速制導炮彈無需火箭彈系統昂貴的火箭推進裝置作為動力來源，也無需精確制導導彈復雜的精確控制系統，其結構更簡單、成本更低，單枚炮彈價格約為5～10 萬美元，效費比高。

3 國內外研究現狀

導彈通常需要大推重比火箭發動機作為其動力來源，而超高速制導炮彈由于自身結構簡單，一般通過制導控制系統精確制導命中目標，可有效攔截無人機、巡航導彈、武裝直升機、臨近空間目標等在內的各類空中威脅，不僅可以滿足遠程打擊的任務要求，而且能夠保證更高的射擊精度，成為各國軍隊精確制導彈藥發展的重點方向。

3.1 美國研究現狀

超高速制導炮彈作為美國海軍提高艦艇防御能力的新概念武器，起初是為了實現“反介入、區域拒止”的戰略目標，主要用于裝備海軍艦艇電磁軌道炮系統，經過多年演變，已由海軍項目發展為國防部重點項目，成為戰略能力辦公室“超高速火炮武器系統”中的先進超高速制導炮彈計劃的重要組成部分，旨在快速賦予美國現役大口徑火炮反導能力［15］。

1986年，美國開始研制超高速導彈，德克薩斯LTV 公司的導彈公司和先進計劃分部承擔了相應的研制工作［16-17］，1989年完成超高速導彈樣彈研制并進行了靶試，速度可達1.5 km/s。該型導彈采用被動前視紅外雷達鎖定目標，控制系統執行部件早期采用空氣舵，后期主要采用結構簡單、響應速度快的脈沖推力控制器。在制導體制方面，早期的超高速導彈采用激光傳輸指令的方式，后期高速動能彈采用激光駕束制導體制［18］。

2000年以來，美國致力于研制一型射速高達2.5 km/s、無需火箭發動機推進的GPS 制導炮彈，旨在精確命中超視距范圍的目標。2005年美海軍研究辦公室啟動了“電磁軌道炮創新性樣機”項目，升級研制一種可快速、遠程精確打擊敵方目標的低成本顛覆性武器。2012年7月，美國海軍研究實驗室宣布，將該型炮彈的研究轉為“超高速發射體”項目計劃的一部分進行統籌規劃，同時希望賦予在研超高速炮彈自主精確制導的性能，并能夠與試驗中的20～32 MJ 電磁軌道炮發射系統和常規艦炮發射系統良好兼容。該彈體長約610 mm，重約9～14 kg，射程覆蓋48～320 km范圍［19］。

2016年2月，繼美國電磁軌道炮項目的工程樣炮試驗成功之后，美國國防部正式公開了超高速射彈項目，表明研制用于電磁軌道炮、海軍艦炮和陸軍榴彈炮的多平臺通用化HVP，可有效防御巡航導彈、彈道導彈的威脅，并為美海軍水面作戰提供強大的火力支援［20-21］，如圖4所示。

圖4 美國127 mm艦炮發射HVP/155 mm榴彈炮發射HVP/電磁軌道炮發射HVPFig.4 HVP lunched by US 127mm Naval-Gun/155mm artillery system/electromagnetic rail gun

截止目前，美國BAE 公司牽頭研制的HVP 采用次口徑通用化彈體，彈長660.4 mm（包括投射裝置），質量18.16 kg，炮口初速最大可達7Ma，彈體外部結構特征是尾部有4 片彈翼，其中2 片為固定彈翼，2 片活動彈翼則用于控制彈體飛行，主要特點是通用化、低風阻、多任務制導，通過配置直徑不同的4 片鋁制彈托，可由不同口徑的平臺發射。2018年的“環太平洋軍演”中，美國海軍在一艘“伯克”級驅逐艦上進行了超高速制導炮彈導彈防御演練，由艦載MK45 式127 mm 艦炮發射，其初速可達3Ma，使常規艦炮系統具備了反導能力。

3.2 俄羅斯、法國、德國、日本和印度研究現狀

電磁軌道炮作為未來信息化戰爭中的新型武器裝備，逐步吸引了俄羅斯、法國、德國、日本和印度等國家競相角逐。

目前，俄羅斯主要致力于電磁軌道炮的空天防御技術，2018年完成了輕質彈丸的超高速發射試驗。2017年，由法德圣路易斯研究所聯合研制的PEGASUS電磁軌道發射器高調亮相法國國防局舉辦的“DGA創新”活動，標志著其電磁軌道炮技術裝備化應用的進一步成熟［22］。近年來，隨著日本軍事戰略的轉移，日本開始著力加強軍事裝備發展的力度，加速電磁軌道炮的研發，于2018年實現了大質量彈丸的超高速發射試驗，旨在強化現役艦艇的多任務作戰能力。2017年11月，印度防務研究與發展組織宣布其自主研發的電磁軌道炮取得初步成功，具備了將彈徑12 mm、質量3.5 g的彈丸以6Ma初速發射的能力。電磁軌道炮的相關研究在各國之間如火如荼地進行著，但以研究水平和試驗規模來看，仍與美國存在較大差距［23］。

3.3 我國研究現狀

相較于美國巨額的軍費投入、長期的關鍵技術積累、成熟的專利技術布局以及深度的軍民融合產業化發展模式，我國在電磁軌道炮研究領域起步較晚，關鍵技術儲備和研發投入相對不足，但隨著新材料技術及電源儲能技術等領域的深入發展和應用，我國已經在海基艦載平臺和陸基地面戰車平臺電磁軌道炮試驗研究方面取得了關鍵性突破，新型集成化發電技術、高溫超導材料、高能量密度儲能電容器等關鍵項目課題成果相繼成功轉化落地［24-25］，逐步推動我國電磁能武器裝備實現跨越式發展［26］。

20世紀80年代，我國開展了大量早期超高速動能導彈武器系統論證以及電磁軌道炮工程技術試驗研究，1988年試射中國最早試驗型電磁炮303EMG，采用電磁箍縮炮（前級）與電磁軌道炮（主炮）相串級的全電磁軌道炮方案，成功將質量30.2 g 的彈丸以3 km/s 的初速射出，技術指標達到美、俄等國的同期水平［27］。90年代初期開始系統概念的預先研究，并進行了一系列總體方案論證、關鍵技術攻關等工作，完成了中小口徑（38 mm、10 mm）電磁炮樣炮打靶試驗。21世紀初，我國已經初步實現大口徑（90 mm）電磁炮樣炮的試驗研制。經過30余年的積累，我國已經實現了大質量彈丸的超高速發射，在補償型脈沖交流發電機、磁通壓縮發生器、高儲能密度電容器、超導發電機和大容量的超導儲能裝置等電磁軌道炮關鍵技術領域實現重大突破［28-29］，可以成功將質量為25 kg的彈丸以2.5 km/s的初速發射至250 km 處的預定區域，發射能量達32 MJ，但仍面臨著電磁軌道炮系統集成度不高、發射系統體積較大、發射精度和射程不高、能量轉化效率較低、熱燒蝕嚴重等問題，在未來應用研究中需要進一步提高發射質量、命中精度、作戰半徑、彈丸射速以及能量轉化效率［30-31］

此前我國基于122 mm 火炮平臺開展了大量高速無控飛行試驗，有效驗證了導彈超高速飛行的可行性［18］。2018年，我國首款電磁軌道炮上艦測試成功，標志著我國電磁軌道炮裝備應用研究取得突破［32］。由此可見，我國關于超高速制導炮彈的應用研究從未停止積極探索的步伐，并且隨著國際競爭環境的日益嚴峻，我們毋庸置疑要加快創新的腳步，搶奪戰略先機。

4 超高速制導炮彈關鍵技術

4.1 多模復合制導技術

隨著智能化、集群化、協同化、體系化作戰模式愈加成熟，反艦導彈的突防能力、抗干擾能力和精確打擊能力日益增強，水面艦艇面臨著巨大的生存壓力，這對末端防御武器系統的攔截能力提出了更高要求［33］。電磁發射超高速制導炮彈作為新型精確制導武器裝備，不僅具備傳統導彈的精確制導控制能力，也具備了比傳統火炮更高的發射初速，是未來末端防御武器系統的關鍵武器裝備之一。

傳統紅外或激光制導體制中，由于光電式導引頭和伺服框架跟蹤系統受到元器件結構強度等條件限制，無法滿足電磁軌道炮武器系統高發射過載、長時作用的力學環境和全天候作戰的使用要求。指令制導體制中，被動雷達導引頭受限于地面制導雷達探測性能約束，遠程制導誤差較大，不利于超高速制導炮彈遠程精確毀傷。低頻雷達導引頭受限于超高速制導炮彈的艙內環境，面陣列可布置的陣元數少，導致測角精度低；主動雷達導引頭受限于陣元數量及功率，作用距離有限。因此，必須采用多模復合制導體制提高超高速制導炮彈的制導控制精度［34］，充分發揮不同頻段和不同探測體制的優性能勢，高效提升超高速制導炮彈在復雜戰場環境中對目標的探測、識別和跟蹤能力。

4.2 電磁兼容技術

超高速制導炮彈在發射過程中面臨著電磁軌道炮武器系統復雜的強磁場環境，發射瞬間強烈的交變磁場會直接通過孔縫穿透至彈體內部，并耦合到電線、電纜和設備附件上，從而導致系統癱瘓或失靈，因此要求彈上電纜等設備具備更高的電磁兼容性指標［35］，以保障在復雜電子戰環境下超高速制導炮彈的安全性和可靠性指標滿足要求。為此，對強磁場發射環境下的超高速制導炮彈，需要采取先進有效的電磁兼容技術。

傳統上一般采用屏蔽、濾波、合理接地、合理布局等措施抑制電磁干擾，面對電磁發射超高速制導炮彈電子系統的集成化和綜合化設計要求，這些措施往往會與制導炮彈的全壽命周期成本、產品質量和功能產生矛盾，亟待進一步研究更為合理的方案以滿足超高速制導炮彈的電磁兼容性設計要求。隨著復合材料技術與先進工藝方法的日漸成熟，可以通過全封閉一體化彈身的設計思路，采用具有良好吸磁特性的合金涂層包覆彈身表面，以此屏蔽電磁脈沖的巨流沖擊。此外，可以有效利用傳輸通道抑制、空間分離、時間分隔、頻率管理和電氣隔離等成熟的電磁兼容性設計方法，實現彈上逐級能量分流和逐級分壓的目的，使超高速制導炮彈的電磁兼容性控制技術得到新的發展，進一步提升彈體的可靠性和環境適應性。

4.3 抗高過載發射技術

基于電磁軌道炮的先進發射方式雖然能夠大大提高制導炮彈的發射初速，但超高的發射過載會對包括導引裝置、遙測設備、彈載計算機等彈上設備造成嚴重的破壞，給彈體結構與器件選型等帶來諸多挑戰。為了提升制導炮彈的抗高過載能力，僅依靠發射機構配置彈托的措施遠不能滿足系統設計要求，需要進一步從提高彈體結構自身強度和從結構外部降低作用力兩方面綜合考量，結合抗高過載沖擊試驗和火炮發射試驗的經驗積累，改善彈上部件的抗高過載性能。同時，采用精密加工制作的高強度材料電子元器件，比如抗高過載微機電系統慣性元器件、混合集成電路等，通過改善彈上各部件的連接關系對內部結構進行封裝固化；或者改善彈上結構的受力環境，比如增加緩沖裝置，利用緩震裝置的能量儲存和耗散機理，實現彈上部件能量分流和分級傳輸，以此提升超高速制導炮彈抗過載發射的性能。

大數據分析和云計算手段已經普遍應用于商業領域，通過部署先進的分析技術可以顯著提高運營活動的生產力和生產效率。隨著軍民融合產業的深入發展，超高速制導炮彈全壽命周期管理可以利用先進數據科學與情報分析手段，為海量的試驗數據建立動態數據庫和數據管理平臺，從研制設計、試驗測試、鑒定定型、裝備服役、在役維護直到退役服務形成完備的數據管理鏈路，有效監管產品在每個階段的技術狀態，不斷攻克在研發管理中的各類關鍵技術，為超高速制導炮彈系列化發展提供技術儲備。

5 結束語

超高速制導炮彈作為一型通用化武器裝備，不僅可以滿足電磁軌道炮超高速發射的要求，也能隨著模塊化、一體化、低成本的技術發展路線，逐步適配陸軍傳統火炮和海軍艦炮等發射平臺，并且隨著信息融合與目標識別技術、彈間網絡通訊技術、任務規劃技術、協同制導技術的大規模成熟應用，進而實現戰場態勢智能識別與感知、多源信息實時融合與共享、作戰任務在線規劃與分配、作戰效能快速分析與評估，向著智能化、網絡化、協同化方向不斷更新迭代，滿足未來防空、反導、反臨、反艦等作戰需求，快速融入軍事裝備體系化發展需求。