潜艇水平发射巡航导弹电磁发射方案研究∗

车梦虎

（解放军91550部队91分队 大连 116023）

1 引言

目前，潜射巡航导弹发射方式有自航式、气动冲压式和液压平衡式。以外置液压平衡式发射装置为例，一般包括雷弹发射管（多具）、气动发射系统、水压平衡系统、液压控制系统、注疏水系统和电控系统等。导弹发射时，贮存在气动发射系统内的发射能源——压缩空气由程控发射阀控制，按预定规律注入气缸，并在气缸中膨胀做功，推动气缸活塞和水缸活塞运动，通过水缸活塞转换为海水的压力势能和动能，并在以海水为工作介质的水压平衡系统中进行能量传递，最终在发射管内转换成巡航导弹的动能，使导弹运动并以所要求的速度离管，完成导弹发射。

目前发射方式的优点是：在水压平衡系统的作用下，在发射管内运动的导弹由于前后端均受到相同的海水静压力，不需要消耗能量，即发射导弹时所需的能量与潜艇下潜深度无关。但是，缺点也显而易见。如这些发射装置都存在依赖压缩空气提供发射能量，由于机械泵、涡轮、变速箱、发射气瓶的存在，它们占用体积大，机械阀门多，可靠性差，维护成本高，并且在导弹发射时，会产生很大的瞬态噪声，这对潜艇声隐身非常不利。另外，未来潜艇平台有可能发生重大变化，如全电力推动的潜艇，也对潜射导弹电磁发射技术提出新的要求。

2 潜射导弹电磁发射系统

电磁发射技术是指通过电磁感应原理，利用电流产生强磁场，进而利用安培力加速载荷并发射的技术。潜射导弹电磁发射技术是电磁发射技术在潜艇导弹发射领域的重要应用，一般要求发射导弹的质量从几百千克到数十吨，出管速度从几十m/s到几百 m/s［1］。

2.1 基本组成

潜射导弹电磁发射系统是潜艇作战系统的重要组成部分，由导弹武器控制系统、发射控制系统、能源存储系统、能源控制调节系统和电磁发射器组成。如图1所示［2］。

2.2 工作过程

潜射导弹发射时，电磁发射系统的工作过程为：根据导航信息、目指信息和指挥控制系统输入的相关信息与参数，导弹武器控制系统进行信息综合处理后，完成导弹的初始检查和航路封装，同时向能源控制调节系统发送输送电源命令，能源控制调节系统通过潜艇母电源为储能系统输送电能。发射准备好后，导弹武器控制系统向发射控制系统发送发射命令，发射控制系统根据武器控制系统对导弹出管速度、弹道要求进行解算并形成控制信号，控制能源存储系统按要求发送脉冲电源波形，电磁发射器将电能转换为导弹动能，带动导弹做直线运动，在一定距离内使导弹达到要求的出管速度。

2.3 技术优势

与当前潜射导弹（包括鱼雷、水声对抗器材和UUV等）水下水平发射主要通过空气涡轮泵的实现方式相比，采用电磁发射水下导弹的优势包括：

1）电磁发射技术可将导弹加速至极高速度，加速过程更加平稳，且速度和加速度可任意调整，发射推力调节范围大，适宜发射不同的负载；

2）用电力作为发射源，相较现在的发射系统，可以省去液压系统和压缩空气供应系统，显著缩小系统体积，减少在潜艇上的穿孔、维护成本更低；

3）当前潜艇水下发射使用压缩空气，会形成明显的发射噪声，采用电磁发射技术可以克服这个问题，易于确保潜艇的隐蔽性；

4）能量转换效率高、结构简单、安全性高，具有较强的军事应用价值。

2.4 性能要求

潜艇平台对导弹电磁发射系统主要有三个性能要求：

1）导弹出管速度满足武器系统要求；

2）发射时能够满足导弹的制约条件。比如，要考虑弹上火工品的敏感性要求；

3）由于导弹和导弹武器控制系统对电磁比较敏感，因此电磁兼容性须符合要求。

3 水平电磁发射的基本方案

相关研究表明，在海军平台特别是核动力航母、核潜艇上使用全电推进和电磁发射系统会带来很大好处。美国海军已经提出全电力舰概念，正在为海军平台开发以电能为主的作战系统，如电力发射装置、高性能武器系统等。根据报道，我国潜艇永磁推进电机动车试验已获得成功。由于传统核潜艇通过核反应堆驱动汽轮机，汽轮机又通过减速箱向螺旋桨输出动力，一旦在核潜艇上采用永磁电机，不仅消除了核潜艇主要动力装置（核反应堆、燃气轮机以及柴油机）与其运动部分（螺旋桨、水炮等）之间的机械联系产生的噪声，有效地解决了平台的能源供给问题，更合理地在核潜艇动力系统和其他系统之间分配能量，从而为平台上安装耗能较大的导弹电磁发射系统铺平了道路。

3.1 所需的关键技术

3.1.1 直线电动机

全电力推进潜艇接口为导弹电磁发射技术提供了可能。而实现电磁发射功能的重点是直线电动机。直线电动机的工作原理和传统的回转电动机类似，都具有定子和转子（反应盘），大体上可认为将回转电动机“拆开”就形成了直线电动机构，如图2。直线电动机有直线感应电动机和直线同步电动机两个不同形式。两者之间主要区别是直线同步电动机更小更轻，但是需要在转子中使用永磁体，直线感应电动机则使用导电盘［3］。

图2 回转电动机和直线电动机结构简图

3.1.2 无杆气缸

实现电磁发射的另一个关键技术是“无杆气缸”。无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接执行机构，并使其跟随活塞实现往复运动的气缸。无杆气缸和普通气缸相比，同样的行程可缩小一半的安装位置要求，节省安装空间。

“综合电动发射管”方案是近年比较典型的水下电磁发射技术解决方案［4］。“综合电动发射管”通过鱼雷发射管发射导弹，采用直线感应电动机原理。直线感应电机的定子沿鱼雷发射管管壁布置，反应盘位于导弹尾部，推动导弹前进。

综合电动发射管只需在潜艇壳体上为能源和控制电缆保留穿孔，最大程度地减少潜艇壳体的穿孔。发射导弹时，速度和加速度能够实现电子控制，类似于空气涡轮泵和可编程开启阀相结合的电子控制方式，所以能用同样的发射管发射多种不同类型武器。

3.1.3 高功率脉冲电源

导弹电磁发射过程中最高功率能达到GW级，常规电源无法满足这样的瞬态功率需求，需要采用高功率脉冲电源。高功率脉冲电源是实现脉冲功率的能量压缩装置。在潜射导弹发射过程中，电磁发射所需电流幅值高、上升时间短，需要设计多个脉冲功率源模块组成一个庞大的放电系统向电磁发射器提供电能。目前，研究的常规储能形式有电容储能、电感储能、机械能、化学能和核能。但是，电容储能密度低，有漏电风险，难以长期存储；电感储能断开电感时将在断路开关两端产生高电压并且能量传输效率较低；机械储能电压低，效率低；化学能和核能做初级能源时重量大、体积大、成本高［5］。

作为潜射导弹的电磁发射能源，必须具有储能量大、密度高、发射功率大、体积小、质量轻和重复频率高的特点。电源系统要解决能量的快速吸收与存储、电流波形的形成与整形、强电流的监测与开关控制等技术。

3.1.4 电力调节控制技术［6］

脉冲电源释放的强电流不能直接用于电磁发射，这是由于单脉冲电流产生的电磁推力会伴随很强的振荡，且能量转化效率低。研究发现理想的发射电源电流外特性为梯形平顶脉冲。电流迅速上升，可使电枢在极短时间内获得很高的电磁推力。在加速过程中，平顶电流提供恒推力，均匀加速对发射管冲击较小，可有效减小磨损。当弹丸离开时，残余电能可能会击穿。因此，出射后轨道电流应迅速回落。

当前，普遍采用的方法是多个脉冲电源异步放电，合成近似的梯形波，如图3所示。在连续发射的情形下，多个脉冲电源反复充电、放电和馈电的控制与调节是电力调节的核心。

图3 脉冲序列合成电流特性图

3.2 反应盘和导弹的集成方式

反应盘和导弹的集成方式将影响电磁发射系统的操作方式和工作效率。目前，有两种不同的系统集成方案，一种是将反应盘和导弹集成在一起，另一种是两者各自独立［7］。如图4所示。

图4 反应盘和导弹的两种集成方式

1）反应盘与导弹集成

如果从发射管的角度来考虑，最好的解决方案是将反应盘和导弹集成。这样可以减少零件并简化发射。但是，这种方法也有缺点：即反应盘是一种导电薄片，其特征要和导弹相匹配，要满足导弹的作战要求；发射时要在反应盘加载很大的力，这意味着反应盘会很大；可能会增加导弹的重量，从而限制了导弹的机动性；若要兼容发射多型导弹，则不同类型的导弹在和反应盘集成时要先定义接口标准，有可能降低导弹的性能。另外，由于导弹内部电子设备和火工品以及武器控制系统对电磁都比较敏感，需要对直线感应电机的电磁场加强管理。因此，要将反应盘和不同类型的导弹集成的方案面临诸多工程挑战。

2）反应盘与导弹相互独立

如果分别从发射管和导弹两个不同角度考虑，可将反应盘作为一个独立装置。这种方案的优点是：反应盘和导弹彼此独立，双方性能都不会因为对方而折衷；反应盘作为独立装置后，可在设计中将电磁场和导弹相互隔离，可确保不对电磁敏感装置造成影响；对一次性反应盘，无需考虑能量回收，可简化控制和能量系统方案，因此设计出的一次性反应盘更轻更小，也更容易将导弹装填到鱼雷管；而对多次反复使用的反应盘，因无需储存和搬运多个反应部件，所以只需要考虑如何将导弹装配到反应盘的前面。

缺点是在导弹设计上，需要专门考虑导弹后部承载发射力的问题。另外，因为电磁发射装置控制系统和能源系统要确保反应盘刹车和恢复，所以需要设立刹车区，发射管的长度将会增大。

3.3 设计中要考虑的因素

与传统方法相比，潜艇电磁发射系统发射力直接作用在导弹上，能量密集，效率更高，实现导弹同样的离管速度，所需要的能量更小。在设计中，需要考虑以下问题［8］：

导弹齐射时电磁发射系统的冷却问题。随着潜艇载弹量增大，在现代战争中，导弹齐射逐渐成为大概率事件。考虑到典型发射管的热质量以及潜艇密闭空间的热扩散条件，在齐射时，需要设计专门的冷却系统。

定子的集成问题。直线感应电动机的定子主要是由多相线圈缠绕的叠片铁芯组成。定子在向发射管集成时，既不能影响发射管结构的整体性，同时也不能被海水环境所腐蚀。目前看，将定子装入非磁材料是一种可行的防止海水腐蚀的方法。

定子和反应盘之间的“气隙”问题。“气隙”是磁路与磁路之间的空气间隔。以电动机为例，定、转子之间的空隙就是气隙。气隙是能量转换的通路，气隙的大小会影响电动机的性能。在集成发射管里，导弹发射时，导弹在注水的鱼雷管内加速运动，随之产生的水的高速流动可能会对“气隙”的规格造成影响。

3.4 能量系统设计和控制

在图5显示的能源线路方案里，多个小型直线感应电动机通过能源开关连接到发射换流器。该结构为能量向反应部件转化提供了最高效率的方法。这种结构已经在多个应用上得到验证，比如英国的无人机发射演示系统便采用该线路。这种结构，可以确保在发射中对导弹的速度和加速度进行控制，可以让不同类型的导弹通过同一个发射管发射。

图5 直线感应电动机能源控制方案

由于导弹电磁发射是一种大能量、非连续作业，因此综合电动发射管需要配置脉冲能源。发射装置对电力的需求非常高，潜艇的电力系统无法直接提供所需电能。这样就需要专门的能量储能系统来提供脉冲能源。

水面舰艇已经开发了类似的能源存储系统。美海军“福特”级航母上采用12部飞轮储能系统为4部电磁弹射器供电。每部储能系统充电时长45s，放电时长 2s～3s，飞轮最大转速6400转/分钟，每次可释放121MJ能量，释放能量后飞轮转速降至5205转/分钟。该系统由通用原子公司研制，是一种双定子、轴向场永磁发电/电动机，通过航母总线电源充电。相关储能系统用于无人机发射，也用于飞行器、轨道炮和定向能武器等［9］。现有的一些技术，如超导技术和先进电池技术，也可能在潜艇能量存储系统中得到应用。

3.5 技术实现图

电力发射装置首先要解决负载驱动问题。在电力发射装置中，驱动负载的是电动机而不是压缩空气泵，即电力发射泵。电力发射泵由压缩壳体内部电动机驱动，具有和空气涡轮泵同样的作战性能和负载适应性。同时，电力发射泵采取全电力接口，可以利用更多商业技术，加快技术向系统植入，减少平台全寿期成本。

电力发射泵需要采取能量存储装备来满足负载发射对脉冲能量的需求。民用工业和海军水面舰部门对能量存储技术的开发有助于加快该技术向装备的转化。一旦技术成熟，同样的能量存储就可以在后期的技术开发中得到应用［10］。电力发射泵还需要电子和控制系统，相关的拓扑技术（类似于标准电机驱动）已经由民间企业和海军进行了充分的论证。

下一步需要改进的是电动机，使其能够安置在压力壳体外面。像综合电动发射管一样，外置的电力发射泵为布置能源与控制电缆，只需要在压力壳体上开一个穿孔，穿孔数少于在潜艇壳体内布置的电力发射泵。电力发射泵在压力壳体内布置时，需要在壳体上为泵轴穿孔留孔。

在电力发射泵开发的同时，还需要开发无轴气缸以及替代压缩空气源，并与发射管集成。开发的最终阶段是发射管的集成［11］。在这个阶段，直线感应电动机将集成进综合电动发射管。综合电动发射管必需的能源和控制系统布局技术也将得到论证，确保其能够适应潜艇作战环境要求。综合电动发射管的进一步开发是成为真正的外置发射管，成为潜艇“任务模块”之一，让潜艇能够根据任务需求来选择负载合适的发射能力。

以上就是综合电动发射管技术实现图，该图以渐进的方式达到综合电动发射管的发展目标，降低研制风险，最终产生小体积、高性能的全电力系统，降低平台的全寿命成本［12］。如图6所示。

图6 潜射导弹综合电动发射管技术实现图

4 结语

导弹电磁发射的出现是导弹发射理论和工程实践的一次飞跃，特别是在核潜艇平台上采用电磁发射技术，几乎实现了导弹发射过程的静默，极大地减少了导弹发射过程中的瞬态噪音，使核潜艇成为真正的“大洋黑洞”，提高了平台的生存能力［12］。作为一种正在研发的潜射导弹电磁发射系统解决方案，综合电力发射管主要用于未来全电力潜艇平台。因为综合电动发射管仅需要电力作为发射能源，可以除去当前发射系统对液压系统和压缩空气供应系统的需求，降低全寿期成本。

电磁发射技术已在电磁轨道炮、航母舰载机电磁弹射等领域完全工程化实现，在潜艇平台，目前还处于研究试验阶段［13］。未来根据不同潜艇平台电力发射结构和能量存储方式的不同，综合电动发射管既能够发射和回收大尺寸的UUV，也可发射“长条”形状的导弹、鱼雷，还可发射小尺寸水声对抗器材和水声通信装置，具有广阔的军事应用前景。