電磁軌道炮發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵控制技術(shù)

李陽(yáng)，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(tǒng)火炮相比，電磁軌道炮既有高炮反應(yīng)快、攔截精度高的優(yōu)點(diǎn)，又比高炮初速高、威力大、射程遠(yuǎn)、綜合毀傷能力強(qiáng)[1]，比導(dǎo)彈全壽命成本低，是一種極具潛力的新概念動(dòng)能武器[2-4]，已成為美、英、德、法、俄等軍事大國(guó)競(jìng)相研究的對(duì)象。適應(yīng)電磁軌道炮發(fā)射的精確制導(dǎo)彈藥正逐步成為各國(guó)爭(zhēng)奪的重要戰(zhàn)場(chǎng)，電磁軌道炮制導(dǎo)控制技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 國(guó)外電磁炮發(fā)展趨勢(shì)分析

1.1 電磁軌道炮發(fā)展歷程[5-13]

在電磁軌道炮研究方面，美國(guó)一直保持國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，有關(guān)研究不斷取得新進(jìn)展。2003年4月，美國(guó)海軍用90 mm口徑電磁炮樣機(jī)發(fā)射了初速達(dá)2 500 m/s以上的射彈，演示驗(yàn)證試驗(yàn)取得成功；2008年,海軍研究局在達(dá)爾格倫進(jìn)行了一次電磁軌道炮10 MJ發(fā)射動(dòng)能的發(fā)射試驗(yàn)；2010年12月,美國(guó)海軍第2次完成實(shí)際尺寸的電磁炮試射，射程超過(guò)200 km，是美軍現(xiàn)有射程最遠(yuǎn)的MK45型艦炮射程的近2倍。2016年11月美國(guó)海軍完成電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)，在尺寸和質(zhì)量上已達(dá)到實(shí)戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)。2017年，美國(guó)海軍完成電磁軌道炮樣機(jī)彈藥連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)充能、發(fā)射、裝彈、充能、再發(fā)射循環(huán)的自動(dòng)裝填功能，表明美海軍電磁軌道炮武器系統(tǒng)已基本具備了武器的全部功能。

2010年12月，美國(guó)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(dòng)力學(xué)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?gòu)椝幍亩啻卧嚿洹Ｔ囼?yàn)搭載集成了制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制等功能的增強(qiáng)型制導(dǎo)電子單元(guidance electronics unit,GEU)，炮口動(dòng)能為3 MJ，炮彈及GEU均承受住了30 000過(guò)載、高超聲速和強(qiáng)磁場(chǎng)條件，飛行穩(wěn)定受控，工作正常。試驗(yàn)表明，美國(guó)陸軍電磁軌道炮、高超聲速制導(dǎo)彈藥和GEU的技術(shù)成熟度進(jìn)一步提高。2018年3月，美GA-EMS公司宣布已獲得美國(guó)陸軍合同，將在3年內(nèi)研制出電磁軌道炮的原型炮并開(kāi)展工程化應(yīng)用，以增強(qiáng)美陸軍應(yīng)對(duì)敵方飛機(jī)、火箭彈和巡航導(dǎo)彈等氣動(dòng)目標(biāo)突襲以及其他類(lèi)型威脅的能力。美國(guó)電磁軌道炮發(fā)射主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

根據(jù)制訂的三步走戰(zhàn)略，美國(guó)正在開(kāi)展炮彈15 kg質(zhì)量、64 MJ炮口動(dòng)能的電磁軌道炮型號(hào)樣機(jī)研制工作,并希望能在2020年～2026年正式列裝。這些表明，美國(guó)電磁炮的性能離實(shí)戰(zhàn)化要求越來(lái)越近，制約電磁軌道炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)已取得重大突破，已進(jìn)入工程化應(yīng)用研究階段。美國(guó)海、陸軍電磁炮演示系統(tǒng)和美國(guó)陸軍高超聲速制導(dǎo)彈藥發(fā)射試驗(yàn)如圖1～3所示。

1.2 電磁軌道炮發(fā)展趨勢(shì)

順應(yīng)軍事應(yīng)用需求的不斷演進(jìn)，持續(xù)跟蹤制導(dǎo)彈藥、導(dǎo)彈技術(shù)及作戰(zhàn)模式的發(fā)展趨勢(shì)，可預(yù)判電磁軌道炮將會(huì)在如下幾個(gè)方面有進(jìn)一步的發(fā)展：

(1) 與現(xiàn)有武器裝備相結(jié)合，謀求生成顛覆性作戰(zhàn)手段

近幾十年來(lái)，國(guó)外大力發(fā)展電磁軌道炮動(dòng)能武器，與現(xiàn)有武器裝備相結(jié)合，可充分發(fā)揮電磁軌道炮在遂行岸防/要地防御、防空、反裝甲、超遠(yuǎn)程火力壓制、反導(dǎo)、反臨近空間飛艇作戰(zhàn)平臺(tái)等軍事任務(wù)中的巨大優(yōu)勢(shì)[5,9-10]。但目前和今后一段時(shí)期內(nèi),電磁發(fā)射彈丸的主要任務(wù)仍然是反裝甲和防空。美國(guó)正在研制長(zhǎng)7.5 m、發(fā)射速度為500發(fā)/min、射程達(dá)幾十km的電磁炮，準(zhǔn)備替代艦上的“火神-方陣防空系統(tǒng)”，用它不僅能打擊臨空的各種飛機(jī)，還能在遠(yuǎn)距離攔截空對(duì)艦導(dǎo)彈[9]。同時(shí)，美國(guó)打靶試驗(yàn)證明,發(fā)射質(zhì)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(duì)付T-72,T-80等新型坦克裝甲。隨著電磁發(fā)射高速?gòu)椡杓夹g(shù)的日臻成熟，將加速構(gòu)建顛覆性作戰(zhàn)手段，成為改寫(xiě)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的利器。

表1 美國(guó)電磁軌道炮主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index of the U.S. electromagnetic rail guns

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

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

圖3 美國(guó)陸軍高超聲速制導(dǎo)彈藥發(fā)射試驗(yàn)Fig.3 Launching test of hypersonic guided ammunition in US army

(2) 電磁發(fā)射彈藥智能化進(jìn)程加速，促進(jìn)武器裝備跨越式發(fā)展

隨著電磁發(fā)射技術(shù)的快速突破，電磁軌道炮炮口動(dòng)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(tái)能夠發(fā)射的彈藥有效載荷更大，也為彈藥搭載抗高過(guò)載制導(dǎo)組件、實(shí)現(xiàn)高精度控制能力創(chuàng)造了基本條件。瞄準(zhǔn)充分發(fā)揮電磁發(fā)射高初速、強(qiáng)動(dòng)能的優(yōu)勢(shì)，研究重心也必將逐步從無(wú)控彈藥向發(fā)展具備敏捷快響應(yīng)、高精度制導(dǎo)、高動(dòng)能毀傷等能力的一體化制導(dǎo)智能化彈藥技術(shù)轉(zhuǎn)變，形成對(duì)現(xiàn)有武器裝備的高效補(bǔ)充。電磁發(fā)射彈丸技術(shù)的拓展應(yīng)用，將大大提升現(xiàn)有裝備武器的作戰(zhàn)能力，引領(lǐng)未來(lái)裝備武器的跨越式發(fā)展。

(3) 微系統(tǒng)、一體化技術(shù)的高效應(yīng)用，為電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥技術(shù)發(fā)展提供可能

作為一種顛覆性技術(shù)，微系統(tǒng)的應(yīng)用促進(jìn)了武器裝備向微小型化和智能化發(fā)展，以低成本精確制導(dǎo)武器對(duì)高價(jià)值目標(biāo)精確打擊的作戰(zhàn)理念也逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[14]。2009年、2015年，美國(guó)先后演示了“派克(Pike)”、“長(zhǎng)釘(Spike)”2種微型導(dǎo)彈(如圖4，圖5所示)，質(zhì)量均低于2.5 kg，采用MEMS(micro-electro-mechanical system)導(dǎo)航、半主動(dòng)激光制導(dǎo)方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)慢速移動(dòng)目標(biāo)精確打擊能力。未來(lái)借助于結(jié)構(gòu)與功能一體化、系統(tǒng)與分系統(tǒng)一體化、軟硬件互相滲透化等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)高效整合彈上軟硬件資源，從制導(dǎo)彈藥一體化、制導(dǎo)引信一體化(GIF)、制導(dǎo)控制一體化、輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料應(yīng)用等方面著手，實(shí)現(xiàn)高集成度一體化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊型布局，必將為輕質(zhì)一體化電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥的工程化實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

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

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

2 電磁炮控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

我國(guó)電磁軌道炮技術(shù)研究起步較晚，與歐美國(guó)家相比還有一定差距，研究的熱點(diǎn)主要集中在電磁發(fā)射技術(shù)方面，對(duì)超高速制導(dǎo)彈藥尤其對(duì)控制技術(shù)的研究相對(duì)較少。隨著從無(wú)控彈向有控彈藥過(guò)渡，電磁炮制導(dǎo)彈藥控制技術(shù)將逐漸成為瓶頸問(wèn)題[15]。在控制技術(shù)領(lǐng)域主要面臨如下問(wèn)題：

2.1 彈上控制設(shè)備高強(qiáng)度、一體化集成設(shè)計(jì)問(wèn)題

在高強(qiáng)度和輕小型化彈藥外形的強(qiáng)約束下，須借助于一體化技術(shù)，通過(guò)高效整合彈上軟硬件資源可實(shí)現(xiàn)高集成度的一體化設(shè)計(jì)。如將電氣系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)功能集成化；采用微型彈載設(shè)備及先進(jìn)的敏感元件(如MEMS陀螺)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化；伺服機(jī)構(gòu)采用高功質(zhì)比的微型電動(dòng)機(jī)構(gòu)。未來(lái)需通過(guò)彈上設(shè)備高集成度一體化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高精度控制能力創(chuàng)造基本條件。

2.2 彈上控制設(shè)備抗高過(guò)載、強(qiáng)電磁防護(hù)問(wèn)題

這種高過(guò)載、強(qiáng)電磁特性主要體現(xiàn)在彈藥發(fā)射階段，且隨著未來(lái)遠(yuǎn)射程、高發(fā)射初速的需求顯現(xiàn)，制導(dǎo)彈藥所需承受的抗過(guò)載能力、抗靜電磁能力也就更強(qiáng)。2017年美國(guó)通用原子公司所進(jìn)行的飛行試驗(yàn)，抗過(guò)載能力就高達(dá)30 000。目前，國(guó)內(nèi)能夠承受數(shù)萬(wàn)過(guò)載以上的微型舵機(jī)及慣性測(cè)量器件技術(shù)尚不成熟。未來(lái)需進(jìn)一步解決抗高過(guò)載、強(qiáng)電磁防護(hù)能力，對(duì)易損零部件采取加固、緩沖、減震等技術(shù)措施，確保在高過(guò)載下可正常工作。

2.3 高速大動(dòng)壓飛行條件下穩(wěn)定控制技術(shù)

常規(guī)制導(dǎo)彈藥大多采用發(fā)射后加電、啟動(dòng)方式。對(duì)于電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥，發(fā)射初速高達(dá)每秒數(shù)千米，出筒后彈藥才開(kāi)始加電工作，離軌、與電樞分離等初始擾動(dòng)對(duì)彈藥穩(wěn)定帶來(lái)很大影響。同時(shí)，高速大動(dòng)壓飛行可能帶來(lái)快時(shí)變、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性和氣動(dòng)不確定性等嚴(yán)重問(wèn)題，穩(wěn)定控制系統(tǒng)需要具有強(qiáng)魯棒、快響應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)定控制。

2.4 高精度制導(dǎo)控制問(wèn)題

為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷，要求高制導(dǎo)精度最好能實(shí)現(xiàn)零脫靶。在低成本、高精度、輕小型、抗高過(guò)載發(fā)射環(huán)境等強(qiáng)約束條件下，高超速飛行過(guò)程中還受到過(guò)載、動(dòng)壓、防熱等多種約束條件的限制，多條件協(xié)同優(yōu)化難度大。因此，在解決彈藥搭載抗高過(guò)載制導(dǎo)組件問(wèn)題后，需進(jìn)一步解決彈道設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)、制導(dǎo)控制引信一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)難題，以實(shí)現(xiàn)高精度制導(dǎo)控制。

2.5 性能綜合驗(yàn)證與評(píng)估問(wèn)題

由于電磁軌道炮制導(dǎo)彈丸超高速飛行，在飛行過(guò)程中受到的干擾因素很多，制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的約束條件、滿(mǎn)足的指標(biāo)種類(lèi)復(fù)雜。因此，需開(kāi)展全程飛行性能綜合驗(yàn)證與評(píng)估技術(shù)研究，深入分析彈藥整體和各項(xiàng)性能，為未來(lái)電磁軌道炮武器系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，為謀求顛覆性作戰(zhàn)手段生成，各軍事強(qiáng)國(guó)均在競(jìng)相開(kāi)展電磁軌道炮技術(shù)研究并不斷取得新的進(jìn)展，適應(yīng)電磁軌道炮發(fā)射的精確制導(dǎo)彈藥正逐步成為各國(guó)爭(zhēng)奪的重要戰(zhàn)場(chǎng)。電磁軌道炮制導(dǎo)控制技術(shù)存在許多重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，關(guān)鍵技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著電磁軌道炮制導(dǎo)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的最終突破，必將極大推動(dòng)電磁軌道炮武器實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用，成為改寫(xiě)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的利器，還將進(jìn)一步拓展提升現(xiàn)有裝備武器的作戰(zhàn)能力，引領(lǐng)未來(lái)裝備武器的跨越式發(fā)展。