文|大驴有话讲

编辑|大驴有话讲

随着科技的不断进步和人类对于战争形态的不断探索，*器武**的发展已经走过了漫长的历程。而在这个信息时代，电磁炮作为一种新兴的*器武**系统备受瞩目。

电磁炮凭借其 高能量、高速度 和 高精度 的特点，成为了当今军事领域中备受关注的焦点之一。不过，电磁炮的发射过程中存在着一系列关键问题，其中包括电源系统、电磁特性和抗干扰技术。

一些概述

电磁炮作为新型*器武**的前景非常广阔，但目前在研究与试验方面，还存在着许多亟待解决的问题。电磁炮的发射全靠电力驱动，对射程、精度、发射效能等要求较高的动力装置和较强的操纵能力。

在电磁炮击发时，其所形成的磁场以及强烈的电磁辐射，将对电力、控制等方面带来极大的影响。因此，在电磁炮的发展过程中，如何有效地减少电磁干扰，以及对动力和控制系统进行抗干扰保护，成为一个迫切需要解决的问题。

通过对电磁炮的磁场特征进行分析，基于磁扩散理论构建并进行了数值模拟。随后，在电磁炮动态负荷的基础上，建立了电磁炮动态负荷电源电路模型，并分析了电源系统的一般工作特征以及在过电压和过电流状态下的冲击特征。

根据模拟结果和实验研究，得出结论：储能为 50 kJ 的分布式脉冲功率电源单个模块在正常状态下，可承受峰值为 10 kV 的电压和 65 kA 的电流。

当电力系统处于过电压和过电流状态时，电力系统会受到5千伏-6千伏左右的过电压或120 kA的正向过电流的影响。电磁炮的优点很多，它与普通火炮有很大的区别，没有浓烟，因此具有很强的隐蔽能力。

利用微机对电磁炮进行控制，并利用软件对所需能源进行合理调节和选取，实现了对弹丸射程、射击精度和发射效能的有效调控；电磁炮的发射稳定性、初速度和射程都比普通大炮要好得多。

此外， 电磁炮的造价也比普通大炮低得多 ，正是由于这些优势，当今世界各国都在积极推动电磁炮的研发。

一些理论

电磁炮的发射需要消耗大量电力，因此在发射时常会产生强烈的高电压和高电流。这些高电压和高电流使得对电磁炮进行高强度的电磁性能分析和保护成为当前该领域亟待解决的难题。

当电磁炮发射时，产生的脉冲电流会在轨道上产生高达数十特斯拉的强烈低频磁场（主要频率在10 kHz以下，通常被认定为低频磁场）。在电力系统中，由于大电流的存在，会引起较大的电磁辐射，这种干扰极大地影响了周边电子器件的工作性能。

尽管目前国际上已有不少专家和学者对其进行了各种程度的分析，但对于其在发射时形成的强大电磁场鲜有报道，对于其动力装置的电磁性能和基于其电磁性能进行的线路保护方面的研究也鲜有报道。

高能脉冲源是一种能够产生高强度脉冲电能的能量放大器件。一般情况下，能在 10-9-10-3 秒内产生 10-109焦耳 或更大能量的电子脉冲设备被称为高功率脉冲电源。

电磁炮所采用的脉冲功率电源系统通常是一种分布式的脉冲功率电源系统，由脉冲储能电容器、开关、调波电感器、续流电路和负荷组成。作为动力装置的重要组成部分，脉冲电容蓄能性能的优劣对电磁炮发射体的动能产生较大影响。

开关电路是一个非常关键的电路，其性能将直接影响脉冲电流的上升时刻和上升幅度。在分布的脉动电力系统中，由于开关经常会受到很大的正负电压影响，因此选择和保护开关是一个值得关注的问题。

调波电感是一种能够调节电力系统输出波形的中介能量存储装置，主要用于调节电力系统中的电压衰减时刻和电压波峰幅值。续流电路是分布式脉动电力系统中的一个关键部件，它可以有效防护脉动储能电容器，避免逆向过电流或逆向过电压对脉动储能电容器造成损伤。

在真实的发射过程中，电磁炮的负荷会因电枢的移动而变化，因此在进行分布式脉冲功率电源的研究时，应对负荷部分进行合理假设并进行分析，以确保分析结果的可靠性。

趋肤效应

在电磁炮射弹时，由于电枢与轨道之间存在着电气连接，并沿轨道快速滑移，产生了一种快速趋肤效应 ，导致了轨道内部的磁场、电流向轨道内部聚集，从而导致了电枢尾端的磁场、电流等向轨道内部聚集。

在电磁炮出膛时，由于电枢绕着轨道作轴线移动，会在其周围形成一个移动磁力场，同时，电枢与轨道磁力场发生碰撞，会引起逆向电势场。因此，确定移动磁力场是一个非常困难的问题。

为此，本项目将电枢静止不动，轨道反向移动，以此为基础对其进行建模，并进行仿真分析。电磁炮开关时，由于其产生的速率趋肤性，使得电流在轨道内部及电枢尾端聚集。计算结果显示，电磁炮开关时，轨道表面的趋肤深度为 2 mm ，电枢表面的趋肤深度为 4 mm 。

在炮管运行时，炮管外部的磁场很弱，炮管轴线方向5米范围内的磁场强度约为8e-30T到6e-28T；在距离炮管10毫米的距离上，磁力枪直径为0.0004-0.0005T。

根据电磁枪膛外磁场的频域特征，可以看出电磁枪膛外磁场的频率主要集中在3000 Hz以下，因此，电磁枪膛外磁场属于低频强磁场。从上述结论可以看出，在电磁炮工作时，由于轨道和电枢引起的电磁辐射对电磁炮系统中其他线路的影响非常小，几乎可以忽略。

当然，在真实的试验中，线路（尤其是控制线路）往往会受到各种形式的干扰和破坏。在电磁炮中，除了过负荷端的电磁特征比较显著之外，供电线路的电磁特征也很显著。

因此，对供电线路的电磁特征对其他线路的影响进行深入分析是非常必要的，这也是目前电磁炮研究中亟需解决的问题。

磁场特性分析

在分布式脉冲电力系统中，蓄能电容和调频电感是非常关键的能量存储组件。它们会因为大电压或大电流而产生强电磁辐射，对电源系统之外的电路系统造成很大的影响。

根据蓄电电容和调波电感的工作原理，我们知道当电力系统运行时，蓄电电容表现出电场的辐射特性，而调波电感则表现出电场的辐射特性。在目前应用的电磁炮动力源中，常用的调波电感大多是平面螺旋型。

如果按照真实的结构进行建模，会使得模型变得非常复杂，而目前的计算水平难以快速得出高效的数值结果，如何合理简化模型变得尤为关键。

由于采用了基于铜线圈的对称结构，在简化模型时，可以将其转化为两个平面的轴对称模型，这样可以极大地节约计算时间，同时也可以得到更精确的数值结果。

本项目使用COMSOL作为工具，利用COMSOL对调波电感进行数值仿真，根据电感方程，构建了高20微米的调波电感数学模型。

所构建的调波电感数学模型以10个铜层为研究对象（最里面的铜层直径为50毫米，最外面的铜层直径为110毫米，每个铜层的厚度为3毫米），在外围采用了无穷大单元进行数值仿真。

在各层板上施加了一个纵向方向的电流，该电流为65 kA的双指数脉冲式，并且其输出电压为65 kA。

屏蔽防护方法

调波电感的磁化强度在其内部和两端均有明显的变化。在现实生活中，通常的电路（以功率控制为主）都不会设置在电感中，或者直接设置在电感的末端。

但是，在连接过程中，要尽可能地减少杂散电感、杂散电阻等，因此在模拟过程中，需要计算控制箱的尺寸以及与调波电感之间的间距。目前，实现低频、高强度的电磁防护的关键是合理的防护材料和磁路设计。

在调波电感的磁场分布区，选取屏蔽层内的若干计算节点，分别计算添加屏蔽层前后各节点处的场强。采用屏蔽效率评价法，获得屏蔽层的平均值。在选择计算点时，要尽可能地将计算点分布在罩内的各个部位，以确定罩内的最优屏蔽效应和平均屏蔽效率。

电磁炮电源控制系统是电磁炮系统中重要的电路系统，其主要功能是根据发射要求对电源系统进行控制，对充电机开关和电源模块启动时序进行控制。

当存在小孔时，小孔会导致整体的电磁性能下降，而小孔的出现会进一步减弱其性能。当功率控制装置在屏蔽体内开孔的尺寸为d=10毫米时，其截止频率为17.6 GHz。

晶闸管防护

根据电力系统的工作特点和冲击特点，保护电力系统中的核心元件采用可控硅，并提出了可控硅的均压、均流保护。

经过模拟分析可知，采取可控硅保护措施后，可以确保可控硅两端的正向电压不超过额定电压，并保留20%的预留电量，同时正向过电流达到总电流的50%。这样可以有效地抑制可控硅的过压和过流，实现可控硅的保护。

在此基础上，结合电力电子设备中的调波电感在磁场分布特点，研究了电磁炮控制回路中的磁场屏蔽保护方法，采用模拟与试验相结合的方法，研究了该方法的有效性。

根据模拟结果可以看出，在控制回路中采用屏蔽防护，可以使得屏蔽体中的磁场的平均屏蔽效率达到41 dB，从而有效地保护屏蔽体中的线路。实验结果表明，在较低频率和较高的磁场强度下，该屏蔽器可以确保该控制系统的正常工作。

结尾

电磁炮作为一种新兴的*器武**系统，在*器武**发展的历史长河中崭露头角。通过对电磁炮发射过程中的电源系统、电磁特性和抗干扰技术进行深入观察和探讨，我们可以看到电磁炮的潜力和前景。

当然，电磁炮仍然面临着一系列挑战和难题，需要进一步地研究和发展。相信随着科技的不断进步，电磁炮将在未来的战争中发挥更加重要的作用，为人类的和平与安全作出更大的贡献。

参考资料

1、王莹。电炮原理[M]。北京：国防工业出版社。1995．

2、罗季．脉冲强磁场装置本地测控系统的研究与设计[D]．华中科技大学，2009.

3、高攸纲。屏蔽与接地[M]。北京：北京邮电学院出版社。2004.

4、张芳，蔡金燕，朱艳辉．电磁环境中电子器件的失效分析(英文)[J]．电子器件，2009，02：368-371.