电磁发射超高速制导炮弹国内外研究现状综述

马晓平，廖 欣，陈 兵

（上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引言

现代战争日益趋向信息化、智能化发展，战场环境愈加复杂多变，现代军事作战形态正悄然发生着深刻的变化，低成本、高精度、快速响应、超视距打击成为现代军事任务的几项重要指标。电磁发射技术在信息化武器领域的应用是对传统火炮发射方式的一项重大突破，可有效提高制导炮弹命中精度、作战半径、毁伤效果等关键战术指标，为传统火炮和制导武器的超高速发射开辟了新的发展道路，在远程精确打击、中近程防空反导、反临近空间目标等任务中具有广阔的应用前景。基于电磁发射的超高速制导炮弹由于具备初速高、隐蔽性好、反应迅速、成本低等优势，将成为未来末端防御体系中的关键武器装备［1-2］。

1 电磁轨道炮概述

电磁发射技术是指利用发射系统的电磁装置产生精确可控的电磁力加速携带电枢机构的弹丸，完成超高速发射任务，是区别于传统火炮发射装置的一种新兴直线推进技术，可以对导弹［3］、航母舰载机［4-5］、空间载荷［6-7］等装备进行高速发射，通常包括电磁线圈发射、直线电机发射和电磁轨道发射。相较于依靠火箭发动机或者辅助发射机构产生推力的传统发射方式，电磁发射技术具备推力精确可控、可满足多任务载荷发射需求等优点，可实现制导炮弹的超高速发射，符合现代化战场中复杂多变的作战任务需要。

1.1 电磁轨道炮的概念

电磁轨道炮又称磁轨炮（electromagnetic rail gun，EMRG），是指采用电磁轨道发射技术对制导炮弹进行无烧蚀加速的先进定向动能武器，不同于将火药燃气压力作用于弹丸的传统火炮发射过程，电磁轨道炮是利用发射系统产生精确可控的电磁力对携带电枢的弹丸进行加速，为了能达到打击目标所需的动能，其发射初速一般可达2～3 km/s，可有效提高制导炮弹的射程和毁伤效果［8］。

1.2 电磁轨道炮的系统组成

电磁轨道炮系统一般由平行滑轨、发射单元、脉冲功率电源、网络控制开关等机构组成，其中发射单元又由电枢、弹托和弹丸这3 部分组成［9］，图1所示为电磁轨道炮系统组成。其中，电枢通过纵臂分别与两条相当炮管长度的固定平行导轨表面建立电接触，在电磁推力的作用下沿着导轨轴向滑动；弹托主要用于支撑炮管内的弹丸，使其具备稳定的动力学特性和良好的电接触；弹丸一般是由钨球团填充的非爆炸性子弹，重量轻、体积小，是实现动能杀伤的“战斗部”［10］。

图1 电磁轨道炮系统组成Fig.1 Components of EMRG system

1.3 电磁轨道炮的工作原理

电磁轨道炮的工作原理如图2所示，发射系统中的平行滑轨、脉冲功率电源、置于弹托上的弹丸和电枢共同形成完整的闭合回路。当系统处于发射状态时，由电容器或旋转电机构成的脉冲功率电源向其中一条导轨供电并通过电枢流向另外一条导轨，流经两条平行导轨的巨大电流会产生方向相反的强线性磁场，进而与电枢磁场相互作用产生巨大电磁力，驱动电枢和弹托沿着滑轨轴向加速，瞬间获得极大的初速，弹丸出膛之后弹托脱落，而弹丸以极高的速度射向打击目标，实现毁伤的目的［11-12］。

图2 电磁轨道炮工作原理Fig.2 Operating principle of EMRG

2 超高速制导炮弹概述

随着诸多先进技术在防空、反导、反舰、反装甲等军事领域的广泛应用，现代地面火炮和精确制导武器的攻防对抗任务变得愈加艰巨，防御目标的机动能力不断提高、作战空域的范围大幅增加、远程毁伤的难度持续提升均对传统火炮及制导武器的性能提出了更高挑战。超高速电磁发射制导炮弹的应运而生无疑为传统火炮与导弹武器射速、射程、毁伤效果、命中精度、抗饱和攻击等性能的改善与提升提供了无限可能。

2.1 超高速制导炮弹的概念

超高速制导炮弹（hypervelocity projectile，HVP）作为电磁轨道炮发射系统的新型动能杀伤弹丸，一般采用超低阻力气动外形和精确电子制导系统，是集成了先进发射技术、高性能材料技术和鲁棒控制技术的精确高效毁伤武器，不仅要承载电磁发射系统强大的电流侵蚀，还要承载强电流和静态与交变磁场的相互作用，相较于传统火炮，其响应速度更快、飞行速度更高、命中精度更高、可有效打击超视距范围的目标威胁。为了提高通用化水平，超高速制导炮弹通常装配有不同的适配器，不仅适用于电磁轨道炮发射系统，也可用于常规海军舰炮或陆军榴弹炮发射。图3所示为超高速制导炮弹结构模型，主要应用于超高速制导炮弹的舰载火炮发射系统［13-14］。

图3 超高速制导炮弹结构模型Fig.3 Structure model of HVP

2.2 超高速制导炮弹的特点

超高速制导炮弹与传统火炮相比一般具有技术性能高、通用性强、效费比高等优点，具体表现在以下5个方面。

1）发射初速快、有效射程远。超高速制导炮弹采用了锥形体的超低阻力气动外形设计，具有较高的空气动力学性能。在当前的技术水平和发射条件下，通过电磁轨道炮发射其初速可达7Ma（约2 380 m/s），最大射程约为185 km，是传统火炮发射初速的2～3倍。

2）抗过载能力高。超高速制导炮弹的弹目交会速度是传统炮弹弹目交会速度的两倍以上，发射瞬间轴向过载峰值高达20 000g，因此需要弹体结构具备更强的抗过载能力，同时也对弹体结构的材料性能提出了更大的挑战。

3）射击精度高、毁伤效果大。超高速制导炮弹采用直线推进技术、精确制导技术和定向动能杀伤战斗部，因此具有很高的命中精度；通过高速撞击目标进行毁伤，破片动态飞散主要集中于弹体前方，毁伤效果一般优于采用近炸引信或接触引信进行爆破杀伤的传统炮弹的毁伤效果。

4）采用模块化设计理念和体系化发展模式，通用性强。超高速制导炮弹采用适配器可兼容不同口径、不同机理的发射模式，如传统火炮发射和电磁轨道炮发射等。

5）成本低、效费比高。相较于目前各国普遍装备使用的各类超远程制导弹药，超高速制导炮弹无需火箭弹系统昂贵的火箭推进装置作为动力来源，也无需精确制导导弹复杂的精确控制系统，其结构更简单、成本更低，单枚炮弹价格约为5～10 万美元，效费比高。

3 国内外研究现状

导弹通常需要大推重比火箭发动机作为其动力来源，而超高速制导炮弹由于自身结构简单，一般通过制导控制系统精确制导命中目标，可有效拦截无人机、巡航导弹、武装直升机、临近空间目标等在内的各类空中威胁，不仅可以满足远程打击的任务要求，而且能够保证更高的射击精度，成为各国军队精确制导弹药发展的重点方向。

3.1 美国研究现状

超高速制导炮弹作为美国海军提高舰艇防御能力的新概念武器，起初是为了实现“反介入、区域拒止”的战略目标，主要用于装备海军舰艇电磁轨道炮系统，经过多年演变，已由海军项目发展为国防部重点项目，成为战略能力办公室“超高速火炮武器系统”中的先进超高速制导炮弹计划的重要组成部分，旨在快速赋予美国现役大口径火炮反导能力［15］。

1986年，美国开始研制超高速导弹，德克萨斯LTV 公司的导弹公司和先进计划分部承担了相应的研制工作［16-17］，1989年完成超高速导弹样弹研制并进行了靶试，速度可达1.5 km/s。该型导弹采用被动前视红外雷达锁定目标，控制系统执行部件早期采用空气舵，后期主要采用结构简单、响应速度快的脉冲推力控制器。在制导体制方面，早期的超高速导弹采用激光传输指令的方式，后期高速动能弹采用激光驾束制导体制［18］。

2000年以来，美国致力于研制一型射速高达2.5 km/s、无需火箭发动机推进的GPS 制导炮弹，旨在精确命中超视距范围的目标。2005年美海军研究办公室启动了“电磁轨道炮创新性样机”项目，升级研制一种可快速、远程精确打击敌方目标的低成本颠覆性武器。2012年7月，美国海军研究实验室宣布，将该型炮弹的研究转为“超高速发射体”项目计划的一部分进行统筹规划，同时希望赋予在研超高速炮弹自主精确制导的性能，并能够与试验中的20～32 MJ 电磁轨道炮发射系统和常规舰炮发射系统良好兼容。该弹体长约610 mm，重约9～14 kg，射程覆盖48～320 km范围［19］。

2016年2月，继美国电磁轨道炮项目的工程样炮试验成功之后，美国国防部正式公开了超高速射弹项目，表明研制用于电磁轨道炮、海军舰炮和陆军榴弹炮的多平台通用化HVP，可有效防御巡航导弹、弹道导弹的威胁，并为美海军水面作战提供强大的火力支援［20-21］，如图4所示。

图4 美国127 mm舰炮发射HVP/155 mm榴弹炮发射HVP/电磁轨道炮发射HVPFig.4 HVP lunched by US 127mm Naval-Gun/155mm artillery system/electromagnetic rail gun

截止目前，美国BAE 公司牵头研制的HVP 采用次口径通用化弹体，弹长660.4 mm（包括投射装置），质量18.16 kg，炮口初速最大可达7Ma，弹体外部结构特征是尾部有4 片弹翼，其中2 片为固定弹翼，2 片活动弹翼则用于控制弹体飞行，主要特点是通用化、低风阻、多任务制导，通过配置直径不同的4 片铝制弹托，可由不同口径的平台发射。2018年的“环太平洋军演”中，美国海军在一艘“伯克”级驱逐舰上进行了超高速制导炮弹导弹防御演练，由舰载MK45 式127 mm 舰炮发射，其初速可达3Ma，使常规舰炮系统具备了反导能力。

3.2 俄罗斯、法国、德国、日本和印度研究现状

电磁轨道炮作为未来信息化战争中的新型武器装备，逐步吸引了俄罗斯、法国、德国、日本和印度等国家竞相角逐。

目前，俄罗斯主要致力于电磁轨道炮的空天防御技术，2018年完成了轻质弹丸的超高速发射试验。2017年，由法德圣路易斯研究所联合研制的PEGASUS电磁轨道发射器高调亮相法国国防局举办的“DGA创新”活动，标志着其电磁轨道炮技术装备化应用的进一步成熟［22］。近年来，随着日本军事战略的转移，日本开始着力加强军事装备发展的力度，加速电磁轨道炮的研发，于2018年实现了大质量弹丸的超高速发射试验，旨在强化现役舰艇的多任务作战能力。2017年11月，印度防务研究与发展组织宣布其自主研发的电磁轨道炮取得初步成功，具备了将弹径12 mm、质量3.5 g的弹丸以6Ma初速发射的能力。电磁轨道炮的相关研究在各国之间如火如荼地进行着，但以研究水平和试验规模来看，仍与美国存在较大差距［23］。

3.3 我国研究现状

相较于美国巨额的军费投入、长期的关键技术积累、成熟的专利技术布局以及深度的军民融合产业化发展模式，我国在电磁轨道炮研究领域起步较晚，关键技术储备和研发投入相对不足，但随着新材料技术及电源储能技术等领域的深入发展和应用，我国已经在海基舰载平台和陆基地面战车平台电磁轨道炮试验研究方面取得了关键性突破，新型集成化发电技术、高温超导材料、高能量密度储能电容器等关键项目课题成果相继成功转化落地［24-25］，逐步推动我国电磁能武器装备实现跨越式发展［26］。

20世纪80年代，我国开展了大量早期超高速动能导弹武器系统论证以及电磁轨道炮工程技术试验研究，1988年试射中国最早试验型电磁炮303EMG，采用电磁箍缩炮（前级）与电磁轨道炮（主炮）相串级的全电磁轨道炮方案，成功将质量30.2 g 的弹丸以3 km/s 的初速射出，技术指标达到美、俄等国的同期水平［27］。90年代初期开始系统概念的预先研究，并进行了一系列总体方案论证、关键技术攻关等工作，完成了中小口径（38 mm、10 mm）电磁炮样炮打靶试验。21世纪初，我国已经初步实现大口径（90 mm）电磁炮样炮的试验研制。经过30余年的积累，我国已经实现了大质量弹丸的超高速发射，在补偿型脉冲交流发电机、磁通压缩发生器、高储能密度电容器、超导发电机和大容量的超导储能装置等电磁轨道炮关键技术领域实现重大突破［28-29］，可以成功将质量为25 kg的弹丸以2.5 km/s的初速发射至250 km 处的预定区域，发射能量达32 MJ，但仍面临着电磁轨道炮系统集成度不高、发射系统体积较大、发射精度和射程不高、能量转化效率较低、热烧蚀严重等问题，在未来应用研究中需要进一步提高发射质量、命中精度、作战半径、弹丸射速以及能量转化效率［30-31］

此前我国基于122 mm 火炮平台开展了大量高速无控飞行试验，有效验证了导弹超高速飞行的可行性［18］。2018年，我国首款电磁轨道炮上舰测试成功，标志着我国电磁轨道炮装备应用研究取得突破［32］。由此可见，我国关于超高速制导炮弹的应用研究从未停止积极探索的步伐，并且随着国际竞争环境的日益严峻，我们毋庸置疑要加快创新的脚步，抢夺战略先机。

4 超高速制导炮弹关键技术

4.1 多模复合制导技术

随着智能化、集群化、协同化、体系化作战模式愈加成熟，反舰导弹的突防能力、抗干扰能力和精确打击能力日益增强，水面舰艇面临着巨大的生存压力，这对末端防御武器系统的拦截能力提出了更高要求［33］。电磁发射超高速制导炮弹作为新型精确制导武器装备，不仅具备传统导弹的精确制导控制能力，也具备了比传统火炮更高的发射初速，是未来末端防御武器系统的关键武器装备之一。

传统红外或激光制导体制中，由于光电式导引头和伺服框架跟踪系统受到元器件结构强度等条件限制，无法满足电磁轨道炮武器系统高发射过载、长时作用的力学环境和全天候作战的使用要求。指令制导体制中，被动雷达导引头受限于地面制导雷达探测性能约束，远程制导误差较大，不利于超高速制导炮弹远程精确毁伤。低频雷达导引头受限于超高速制导炮弹的舱内环境，面阵列可布置的阵元数少，导致测角精度低；主动雷达导引头受限于阵元数量及功率，作用距离有限。因此，必须采用多模复合制导体制提高超高速制导炮弹的制导控制精度［34］，充分发挥不同频段和不同探测体制的优性能势，高效提升超高速制导炮弹在复杂战场环境中对目标的探测、识别和跟踪能力。

4.2 电磁兼容技术

超高速制导炮弹在发射过程中面临着电磁轨道炮武器系统复杂的强磁场环境，发射瞬间强烈的交变磁场会直接通过孔缝穿透至弹体内部，并耦合到电线、电缆和设备附件上，从而导致系统瘫痪或失灵，因此要求弹上电缆等设备具备更高的电磁兼容性指标［35］，以保障在复杂电子战环境下超高速制导炮弹的安全性和可靠性指标满足要求。为此，对强磁场发射环境下的超高速制导炮弹，需要采取先进有效的电磁兼容技术。

传统上一般采用屏蔽、滤波、合理接地、合理布局等措施抑制电磁干扰，面对电磁发射超高速制导炮弹电子系统的集成化和综合化设计要求，这些措施往往会与制导炮弹的全寿命周期成本、产品质量和功能产生矛盾，亟待进一步研究更为合理的方案以满足超高速制导炮弹的电磁兼容性设计要求。随着复合材料技术与先进工艺方法的日渐成熟，可以通过全封闭一体化弹身的设计思路，采用具有良好吸磁特性的合金涂层包覆弹身表面，以此屏蔽电磁脉冲的巨流冲击。此外，可以有效利用传输通道抑制、空间分离、时间分隔、频率管理和电气隔离等成熟的电磁兼容性设计方法，实现弹上逐级能量分流和逐级分压的目的，使超高速制导炮弹的电磁兼容性控制技术得到新的发展，进一步提升弹体的可靠性和环境适应性。

4.3 抗高过载发射技术

基于电磁轨道炮的先进发射方式虽然能够大大提高制导炮弹的发射初速，但超高的发射过载会对包括导引装置、遥测设备、弹载计算机等弹上设备造成严重的破坏，给弹体结构与器件选型等带来诸多挑战。为了提升制导炮弹的抗高过载能力，仅依靠发射机构配置弹托的措施远不能满足系统设计要求，需要进一步从提高弹体结构自身强度和从结构外部降低作用力两方面综合考量，结合抗高过载冲击试验和火炮发射试验的经验积累，改善弹上部件的抗高过载性能。同时，采用精密加工制作的高强度材料电子元器件，比如抗高过载微机电系统惯性元器件、混合集成电路等，通过改善弹上各部件的连接关系对内部结构进行封装固化；或者改善弹上结构的受力环境，比如增加缓冲装置，利用缓震装置的能量储存和耗散机理，实现弹上部件能量分流和分级传输，以此提升超高速制导炮弹抗过载发射的性能。

大数据分析和云计算手段已经普遍应用于商业领域，通过部署先进的分析技术可以显著提高运营活动的生产力和生产效率。随着军民融合产业的深入发展，超高速制导炮弹全寿命周期管理可以利用先进数据科学与情报分析手段，为海量的试验数据建立动态数据库和数据管理平台，从研制设计、试验测试、鉴定定型、装备服役、在役维护直到退役服务形成完备的数据管理链路，有效监管产品在每个阶段的技术状态，不断攻克在研发管理中的各类关键技术，为超高速制导炮弹系列化发展提供技术储备。

5 结束语

超高速制导炮弹作为一型通用化武器装备，不仅可以满足电磁轨道炮超高速发射的要求，也能随着模块化、一体化、低成本的技术发展路线，逐步适配陆军传统火炮和海军舰炮等发射平台，并且随着信息融合与目标识别技术、弹间网络通讯技术、任务规划技术、协同制导技术的大规模成熟应用，进而实现战场态势智能识别与感知、多源信息实时融合与共享、作战任务在线规划与分配、作战效能快速分析与评估，向着智能化、网络化、协同化方向不断更新迭代，满足未来防空、反导、反临、反舰等作战需求，快速融入军事装备体系化发展需求。