電磁軌道炮發展趨勢及其關鍵控制技術

李陽，秦濤，朱捷，曹月，張杰

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

與傳統火炮相比，電磁軌道炮既有高炮反應快、攔截精度高的優點，又比高炮初速高、威力大、射程遠、綜合毀傷能力強[1]，比導彈全壽命成本低，是一種極具潛力的新概念動能武器[2-4]，已成為美、英、德、法、俄等軍事大國競相研究的對象。適應電磁軌道炮發射的精確制導彈藥正逐步成為各國爭奪的重要戰場，電磁軌道炮制導控制技術面臨巨大挑戰。

1 國外電磁炮發展趨勢分析

1.1 電磁軌道炮發展歷程[5-13]

在電磁軌道炮研究方面，美國一直保持國際領先優勢，有關研究不斷取得新進展。2003年4月，美國海軍用90 mm口徑電磁炮樣機發射了初速達2 500 m/s以上的射彈，演示驗證試驗取得成功；2008年,海軍研究局在達爾格倫進行了一次電磁軌道炮10 MJ發射動能的發射試驗；2010年12月,美國海軍第2次完成實際尺寸的電磁炮試射，射程超過200 km，是美軍現有射程最遠的MK45型艦炮射程的近2倍。2016年11月美國海軍完成電磁軌道炮發射試驗，在尺寸和質量上已達到實戰標準。2017年，美國海軍完成電磁軌道炮樣機彈藥連續發射試驗，已實現充能、發射、裝彈、充能、再發射循環的自動裝填功能，表明美海軍電磁軌道炮武器系統已基本具備了武器的全部功能。

2010年12月，美國通用原子公司利用研制的防空型電磁軌道炮的樣炮首次成功試射了空氣動力學彈丸。2016年3月、2017年5月，先后完成了基于“閃電”電磁炮的高超聲速彈藥的多次試射。試驗搭載集成了制導、導航和控制等功能的增強型制導電子單元(guidance electronics unit,GEU)，炮口動能為3 MJ，炮彈及GEU均承受住了30 000過載、高超聲速和強磁場條件，飛行穩定受控，工作正常。試驗表明，美國陸軍電磁軌道炮、高超聲速制導彈藥和GEU的技術成熟度進一步提高。2018年3月，美GA-EMS公司宣布已獲得美國陸軍合同，將在3年內研制出電磁軌道炮的原型炮并開展工程化應用，以增強美陸軍應對敵方飛機、火箭彈和巡航導彈等氣動目標突襲以及其他類型威脅的能力。美國電磁軌道炮發射主要戰術技術指標見表1所示。

根據制訂的三步走戰略，美國正在開展炮彈15 kg質量、64 MJ炮口動能的電磁軌道炮型號樣機研制工作,并希望能在2020年～2026年正式列裝。這些表明，美國電磁炮的性能離實戰化要求越來越近，制約電磁軌道炮發展的關鍵技術已取得重大突破，已進入工程化應用研究階段。美國海、陸軍電磁炮演示系統和美國陸軍高超聲速制導彈藥發射試驗如圖1～3所示。

1.2 電磁軌道炮發展趨勢

順應軍事應用需求的不斷演進，持續跟蹤制導彈藥、導彈技術及作戰模式的發展趨勢，可預判電磁軌道炮將會在如下幾個方面有進一步的發展：

(1) 與現有武器裝備相結合，謀求生成顛覆性作戰手段

近幾十年來，國外大力發展電磁軌道炮動能武器，與現有武器裝備相結合，可充分發揮電磁軌道炮在遂行岸防/要地防御、防空、反裝甲、超遠程火力壓制、反導、反臨近空間飛艇作戰平臺等軍事任務中的巨大優勢[5,9-10]。但目前和今后一段時期內,電磁發射彈丸的主要任務仍然是反裝甲和防空。美國正在研制長7.5 m、發射速度為500發/min、射程達幾十km的電磁炮，準備替代艦上的“火神-方陣防空系統”，用它不僅能打擊臨空的各種飛機，還能在遠距離攔截空對艦導彈[9]。同時，美國打靶試驗證明,發射質量為50 g、速度為3 000 m/s的炮彈，可穿透25.4 mm厚的坦克裝甲，足以對付T-72,T-80等新型坦克裝甲。隨著電磁發射高速彈丸技術的日臻成熟，將加速構建顛覆性作戰手段，成為改寫未來戰爭的利器。

表1 美國電磁軌道炮主要戰術技術指標Table 1 Main technical index of the U.S. electromagnetic rail guns

圖1 美國海軍電磁軌道炮演示系統Fig.1 Demonstration system of the U.S. navy electromagnetic rail gun

圖2 美國陸軍電磁軌道炮演示系統Fig.2 Demonstration system of the U.S. army electromagnetic rail gun

圖3 美國陸軍高超聲速制導彈藥發射試驗Fig.3 Launching test of hypersonic guided ammunition in US army

(2) 電磁發射彈藥智能化進程加速，促進武器裝備跨越式發展

隨著電磁發射技術的快速突破，電磁軌道炮炮口動能由2.8 MJ(1984年)增加到33 MJ(2010年)，并將逐步延展至64 MJ(2020年)甚至更高，這意味著電磁炮射平臺能夠發射的彈藥有效載荷更大，也為彈藥搭載抗高過載制導組件、實現高精度控制能力創造了基本條件。瞄準充分發揮電磁發射高初速、強動能的優勢，研究重心也必將逐步從無控彈藥向發展具備敏捷快響應、高精度制導、高動能毀傷等能力的一體化制導智能化彈藥技術轉變，形成對現有武器裝備的高效補充。電磁發射彈丸技術的拓展應用，將大大提升現有裝備武器的作戰能力，引領未來裝備武器的跨越式發展。

(3) 微系統、一體化技術的高效應用，為電磁發射制導彈藥技術發展提供可能

作為一種顛覆性技術，微系統的應用促進了武器裝備向微小型化和智能化發展，以低成本精確制導武器對高價值目標精確打擊的作戰理念也逐步變為現實[14]。2009年、2015年，美國先后演示了“派克(Pike)”、“長釘(Spike)”2種微型導彈(如圖4，圖5所示)，質量均低于2.5 kg，采用MEMS(micro-electro-mechanical system)導航、半主動激光制導方式，可實現對慢速移動目標精確打擊能力。未來借助于結構與功能一體化、系統與分系統一體化、軟硬件互相滲透化等技術的廣泛應用，通過高效整合彈上軟硬件資源，從制導彈藥一體化、制導引信一體化(GIF)、制導控制一體化、輕質高強度復合材料應用等方面著手，實現高集成度一體化設計、結構緊湊型布局，必將為輕質一體化電磁發射制導彈藥的工程化實現奠定基礎。

圖4 微型制導彈藥PikeFig.4 Mini guided ammunition (Pike)

圖5 微型制導彈藥SpikeFig.5 Mini guided ammunition (Spike)

2 電磁炮控制系統關鍵技術分析

我國電磁軌道炮技術研究起步較晚，與歐美國家相比還有一定差距，研究的熱點主要集中在電磁發射技術方面，對超高速制導彈藥尤其對控制技術的研究相對較少。隨著從無控彈向有控彈藥過渡，電磁炮制導彈藥控制技術將逐漸成為瓶頸問題[15]。在控制技術領域主要面臨如下問題：

2.1 彈上控制設備高強度、一體化集成設計問題

在高強度和輕小型化彈藥外形的強約束下，須借助于一體化技術，通過高效整合彈上軟硬件資源可實現高集成度的一體化設計。如將電氣系統和控制軟件系統功能集成化；采用微型彈載設備及先進的敏感元件(如MEMS陀螺)實現結構模塊化；伺服機構采用高功質比的微型電動機構。未來需通過彈上設備高集成度一體化設計，為實現高精度控制能力創造基本條件。

2.2 彈上控制設備抗高過載、強電磁防護問題

這種高過載、強電磁特性主要體現在彈藥發射階段，且隨著未來遠射程、高發射初速的需求顯現，制導彈藥所需承受的抗過載能力、抗靜電磁能力也就更強。2017年美國通用原子公司所進行的飛行試驗，抗過載能力就高達30 000。目前，國內能夠承受數萬過載以上的微型舵機及慣性測量器件技術尚不成熟。未來需進一步解決抗高過載、強電磁防護能力，對易損零部件采取加固、緩沖、減震等技術措施，確保在高過載下可正常工作。

2.3 高速大動壓飛行條件下穩定控制技術

常規制導彈藥大多采用發射后加電、啟動方式。對于電磁軌道炮制導彈藥，發射初速高達每秒數千米，出筒后彈藥才開始加電工作，離軌、與電樞分離等初始擾動對彈藥穩定帶來很大影響。同時，高速大動壓飛行可能帶來快時變、強耦合、非線性和氣動不確定性等嚴重問題，穩定控制系統需要具有強魯棒、快響應能力，以實現自適應穩定控制。

2.4 高精度制導控制問題

為實現對目標的高效毀傷，要求高制導精度最好能實現零脫靶。在低成本、高精度、輕小型、抗高過載發射環境等強約束條件下，高超速飛行過程中還受到過載、動壓、防熱等多種約束條件的限制，多條件協同優化難度大。因此，在解決彈藥搭載抗高過載制導組件問題后，需進一步解決彈道設計及優化技術、制導控制引信一體化設計等技術難題，以實現高精度制導控制。

2.5 性能綜合驗證與評估問題

由于電磁軌道炮制導彈丸超高速飛行，在飛行過程中受到的干擾因素很多，制導控制系統設計過程中需要考慮的約束條件、滿足的指標種類復雜。因此，需開展全程飛行性能綜合驗證與評估技術研究，深入分析彈藥整體和各項性能，為未來電磁軌道炮武器系統提供研究基礎。

3 結束語

當前，為謀求顛覆性作戰手段生成，各軍事強國均在競相開展電磁軌道炮技術研究并不斷取得新的進展，適應電磁軌道炮發射的精確制導彈藥正逐步成為各國爭奪的重要戰場。電磁軌道炮制導控制技術存在許多重大基礎科學問題，關鍵技術面臨巨大挑戰。隨著電磁軌道炮制導控制系統關鍵技術的最終突破，必將極大推動電磁軌道炮武器實戰化應用，成為改寫未來戰爭的利器，還將進一步拓展提升現有裝備武器的作戰能力，引領未來裝備武器的跨越式發展。