陸戰(zhàn)平臺全電化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

李嘉麒， 魏曙光， 廖自力， 臧克茂

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系， 北京 100072)

0 引言

為滿足“機動作戰(zhàn)，立體攻防”的戰(zhàn)略要求，陸戰(zhàn)平臺應(yīng)具備體系作戰(zhàn)能力、全譜作戰(zhàn)能力、精確打擊能力、快速機動能力、高效防護能力以及自主作戰(zhàn)能力，而陸戰(zhàn)平臺的全電化技術(shù)是實現(xiàn)陸戰(zhàn)平臺體系作戰(zhàn)能力躍升的重要支撐。隨著電機驅(qū)動及其控制、綜合電力系統(tǒng)、電磁、人工智能等各項關(guān)鍵技術(shù)的不斷進步，陸戰(zhàn)平臺全電化也迎來了新的機遇與挑戰(zhàn)[1-2]。

傳統(tǒng)的陸戰(zhàn)平臺主要是指地面戰(zhàn)斗平臺，包括坦克、履帶或輪式裝甲車、自行火炮等。近年來，隨著導(dǎo)航定位技術(shù)、人工智能科技的快速發(fā)展，新型陸戰(zhàn)無人平臺正快速走入人們的視野，其高度的自動化與智能化均對陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。

陸戰(zhàn)平臺全電化是指以電能作為基本能源，通過對電能的傳輸、變換、控制、分配等技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)變成另一種形式的能量，或是對電能進行高效運用，實現(xiàn)陸戰(zhàn)平臺各系統(tǒng)的最優(yōu)化運行，以及陸戰(zhàn)平臺整體性能的全面提升，尤其是在動力驅(qū)動、武器系統(tǒng)、防護系統(tǒng)上的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能提升。全電化陸戰(zhàn)平臺相對于傳統(tǒng)的陸戰(zhàn)平臺，具備更大的精確火力打擊范圍、更全面的綜合防護能力、更快速的機動突擊能力以及更高效的戰(zhàn)場感知能力，在操控性、隱蔽性和人機環(huán)等方面也有很大的改善，且便于機動部署和后勤保障[6]。因此，全電化陸戰(zhàn)平臺憑借其優(yōu)于傳統(tǒng)陸戰(zhàn)平臺的綜合性能和作戰(zhàn)能力，已經(jīng)成為世界各軍事強國爭相投入和研究的重點，也必將成為未來陸軍裝備的發(fā)展方向和未來陸戰(zhàn)平臺的研究熱點[7]。

陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)的涵蓋范圍較為廣泛，本文重點討論其驅(qū)動電機及控制技術(shù)、車載綜合電力系統(tǒng)、電磁彈射技術(shù)和電磁防護技術(shù)的全電化問題。

1 全電化陸戰(zhàn)平臺驅(qū)動電機技術(shù)

受電池技術(shù)發(fā)展水平和能源補給條件的限制，全電化陸戰(zhàn)平臺目前仍采用發(fā)動機- 發(fā)電機組作為主要能源，搭配電池組作為輔助能源[8]。以我國某型自主研發(fā)的全電化裝甲車動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例(見圖1)，該車由發(fā)電機、整流器、逆變器、電動機等組合而成的電傳動系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)陸戰(zhàn)平臺中的機械傳動裝置[9]。此外，受作戰(zhàn)時域和地域的影響，全電化陸戰(zhàn)平臺驅(qū)動電機需具備耐高溫、強魯棒性、結(jié)構(gòu)簡單等特點。同時，受限于全電化陸戰(zhàn)平臺內(nèi)部空間的局限性，要求發(fā)動機和驅(qū)動電機需具備小體積、高功率的特點。然而，目前電傳動系統(tǒng)的體積和質(zhì)量仍然很大，阻礙了電傳動系統(tǒng)的進一步發(fā)展，為解決這一問題，需要進行以下3方面的研究。

圖1 某型全電化裝甲車動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of drive system of an all-electric armored vehicle

1.1 高功率密度電機

在保證功率需求的前提下，為盡可能地減小電機尺寸、體積和質(zhì)量，全電化陸戰(zhàn)平臺用電機一般采用高功率密度永磁同步電機。相比于其他類型的電機，永磁同步電機具有更高的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度、功率因數(shù)、效率，以及更小的體積、質(zhì)量，然而由于在轉(zhuǎn)子中使用了稀有金屬永磁體，其成本相對其他類型的電機更高。

目前常用的永磁體包括釤鈷、釹鐵硼、鋁鎳鈷、鐵氧體等。其中，釹鐵硼的最大磁能積可達54.2 MGOe，相同功率等級下，釹鐵硼永磁電機的體積可為電勵磁電機的40%左右，效率和功率因數(shù)卻更高。但是，釹鐵硼的居里溫度較低、溫度系數(shù)較高、較易銹蝕，不適于陸戰(zhàn)平臺惡劣復(fù)雜的行駛和作戰(zhàn)環(huán)境，且長時間遠距離機動過程中，易出現(xiàn)電機高溫導(dǎo)致的永磁體失磁。釤鈷的最大磁能積可達32.5 MGOe，較之釹鐵硼稍低，但其物理性能更為穩(wěn)定，具有較高的可靠性，缺點是價格較高，其單價可為釹鐵硼的2倍左右[10]。在軍事應(yīng)用中，常選用釤鈷等稀土鈷永磁材料制造電機。圖2所示為某型高功率密度永磁同步電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1所示為常見高性能永磁體常溫下屬性。

圖2 某型高功率密度永磁同步電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of a PMSM with high power density

表1 部分永磁體屬性(溫度20 ℃)Tab.1 Properties of some permanent magnets (20 ℃)

近年來，為應(yīng)對稀有金屬的不可再生且產(chǎn)量有限，國外開始大量研究區(qū)別于永磁電機和感應(yīng)電機的同步磁阻電機，圖3所示為某同步磁阻電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同步磁阻電機的輸出轉(zhuǎn)矩完全由磁阻轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，其轉(zhuǎn)矩大小取決于電機凸極比，即d、q軸電感比值，同步磁阻電機凸極比一般為8～12[11]. 因此，同步磁阻電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，每極轉(zhuǎn)子鐵芯中均有數(shù)層磁障(一般為3～4層)，以減小q軸電感、增大凸極比。美國、英國和意大利學(xué)者通過將轉(zhuǎn)子外置，形成外轉(zhuǎn)子同步磁阻電機，其凸極比甚至可達20以上[12]。此外，Bianchi等[13]通過在轉(zhuǎn)子磁障中添加鐵氧體來改善電機磁路飽和，增大電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，并提高電機功率因數(shù)。

圖3 某典型同步磁阻電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of a typical synchronous reluctance motor

相比于永磁電機，同步磁阻電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度稍低，但具有更寬的調(diào)速范圍、更簡單穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及更低的成本。相比于感應(yīng)電機，由于同步磁阻電機轉(zhuǎn)子中沒有銅耗，其電機效率更高，控制更為簡單[10]。由此可見，同步磁阻電機具備更好的綜合性能，且考慮到稀有金屬為不可再生資源，同步磁阻電機和鐵氧體輔助的同步磁阻電機必將成為未來的研究熱點。

1.2 電機熱管理及冷卻方式

在高溫和過載情況下，電機繞組溫升較大，繞組老化變形，從而導(dǎo)致永磁體性能下降甚至失磁，影響車輛整體性能。因此，電機的熱管理技術(shù)及其冷卻方式是電機研究的重點之一，直接關(guān)系到電機能否安全可靠地長期保持高效運行。部分學(xué)者通過熱導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和先進優(yōu)化算法有效提高現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的散熱效率[14-16]。目前在坦克用重載荷電機及其控制方面相關(guān)熱導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)研究較少，不同冷卻介質(zhì)下概略散熱效果比較分析如表2所示。

表2 常見電機冷卻方式效果對比Tab.2 Comparison of different regular motor cooling systems

1.3 特殊結(jié)構(gòu)的永磁電機

永磁電機的優(yōu)點包括高效率、小體積、保養(yǎng)簡單等，但其氣隙磁場波形往往非正弦波且調(diào)節(jié)較難，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動較大并存在一定損耗。傳統(tǒng)方法可通過特殊結(jié)構(gòu)的永磁電機達到控制磁場的目的，包括具有復(fù)勵特性的永磁電機和磁場可控的永磁電機。具有復(fù)勵特性的永磁電機主磁極由永磁材料制成，輔助磁極由導(dǎo)磁材料制成；磁場可控的永磁電機則同時存在永磁材料制成的磁極和電勵磁磁極，但此種電機的比功率值將大大減小。

此外，通過對單極永磁體的磁體單元進行排列，將徑向式與平行式磁鐵通過一定方式組合在一起，將會形成Halbach永磁體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 Halbach永磁體陣列Fig.4 Halbach permanent magnet array

采用Halbach永磁體結(jié)構(gòu)的永磁電機氣隙磁場將極大地趨向于正弦波，其優(yōu)點有：高功率密度、高永磁體利用率、低轉(zhuǎn)矩脈動、轉(zhuǎn)子可采用非鐵芯材料等。

由于繞組損耗在電機整體損耗中占比較大，降低繞組損耗將有助于提高電機效率，從而間接減小電機尺寸、提高電機功率密度。近年來，隨著電傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，全電化陸戰(zhàn)平臺對高功率、小體積、高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機的要求也越來越高。同時，伴隨著電機工藝及設(shè)備的不斷成熟，電機繞組由傳統(tǒng)的圓銅線設(shè)計逐漸向發(fā)卡(扁銅線)繞組設(shè)計進步。傳統(tǒng)的單層繞組分布式圓銅線電機的槽滿率一般為65%～70%，而發(fā)卡電機一般可達75%～80%左右。相比于分布式繞組，發(fā)卡電機的單個定子槽中的有效銅面積可提高20%以上，并可以通過成型繞組的多層結(jié)構(gòu)顯著降低高頻下的交流損耗。同時，由于發(fā)卡繞組的表面積大，則其散熱面積更大；各匝繞組間接觸面積更大，空隙更小則其熱傳導(dǎo)更好。此外，發(fā)卡電機繞組結(jié)構(gòu)緊湊，可減小電機體積，從而提高電機功率密度。圖5所示為發(fā)卡電機繞組示意圖。

圖5 發(fā)卡電機繞組示意圖Fig.5 Windings of hairpin motor

2 全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)

全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)是指利用發(fā)動機- 發(fā)電機組、動力電池、超級電容等為驅(qū)動電機、電磁裝甲、電磁武器等提供電能的車載綜合電力系統(tǒng)，其優(yōu)點為高能量利用率、高機動性能、多樣化的供電能力、靈活的布局以及隱蔽作戰(zhàn)的能力。

全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)可單車孤島運行，也可與其他全電化陸戰(zhàn)平臺并網(wǎng)，實現(xiàn)交互和能量共享。在并網(wǎng)模式下，單個平臺可作為能量保障節(jié)點：既是戰(zhàn)場能量消耗單元，亦是戰(zhàn)場能量存儲單元，從而組成戰(zhàn)場智能電網(wǎng)。圖6所示為全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)原型結(jié)構(gòu)。

圖6 全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)原型結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of integrated power system of all-electricland warfare platform

全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括供配電(電能生產(chǎn)與存儲分系統(tǒng))、電能轉(zhuǎn)化(電能變換分系統(tǒng))、電能管理(管理控制分系統(tǒng))等。

2.1 電能生產(chǎn)與存儲分系統(tǒng)

全電化陸戰(zhàn)平臺電驅(qū)動系統(tǒng)性能包括高速行駛性能、爬坡性能、加速性能、轉(zhuǎn)向性能以及靜默行駛性能[17]。根據(jù)陸戰(zhàn)平臺在不同工況下的行駛特性和路面情況，可求解陸戰(zhàn)平臺在對應(yīng)工況下的功率需求，并將功率需求作為目標(biāo)進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。

系統(tǒng)基本參數(shù)、電能生產(chǎn)與存儲分系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(tǒng)供電電壓、發(fā)動機- 發(fā)電機組匹配計算、動力電池參數(shù)設(shè)計、超級電容參數(shù)計算等[18]。

根據(jù)全電化陸戰(zhàn)平臺在不同行駛狀態(tài)下的功率需求，綜合分析電機制造、電力電子器件以及絕緣水平等技術(shù)條件，結(jié)合民用產(chǎn)品電壓等級以確保深入推進軍民融合，可綜合選擇確定全電化陸戰(zhàn)平臺系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓等級和電壓工作范圍。

動力電池參數(shù)計算考慮兩方面需求：一是作為全電化陸戰(zhàn)平臺需求功率的補充，以確保陸戰(zhàn)平臺的機動性能；二是滿足靜默行駛工況下的功率需求?？紤]動力電池放電深度、輔助電氣設(shè)備功率需求、動力電池與雙向DC/DC變換器工作效率、電池荷電狀態(tài)等因素，可綜合確定動力電池的需求容量。

超級電容的主要功能是在負(fù)載突變時提供瞬時能量補償或吸收，以緩解發(fā)電機和動力電池的瞬時能量供應(yīng)負(fù)擔(dān)。此外，超級電容器組也是電磁武器系統(tǒng)和電磁防護系統(tǒng)的重要組成部件。當(dāng)計入電磁武器和電磁裝甲的功率需求時，需要綜合考慮陸戰(zhàn)平臺機動性能與其他系統(tǒng)的能量需求。當(dāng)無法滿足陸戰(zhàn)平臺的各項技術(shù)指標(biāo)時，則必須增大各能量源容量或在脈沖電源前端加裝二級電能緩存裝置，抑制瞬時大功率負(fù)載沖擊[19]。

2.2 電能變換分系統(tǒng)

電能變換分系統(tǒng)可實現(xiàn)全電化陸戰(zhàn)平臺系統(tǒng)的能量變換與能量管理。作為系統(tǒng)能量變換的核心單元和系統(tǒng)能量管理的重要執(zhí)行部件，雙向DC/DC變換器和脈沖寬度調(diào)制(PWM)整流器是電能變換分系統(tǒng)的研究重點。

2.2.1 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器可實現(xiàn)兩個方向的功率變換，即正向升壓與反向降壓。同時，雙向DC/DC變換器還可根據(jù)綜合管理控制單元發(fā)出的指令，在恒流或恒壓模式下工作[20]。在全電化陸戰(zhàn)平臺用雙向DC/DC變換器的設(shè)計中，為提高功率密度和工作效率，同時減小變換器體積和電流紋波，改善供電質(zhì)量，可采用交錯并聯(lián)雙向軟開關(guān)DC/DC變換結(jié)構(gòu)，如圖7所示。圖7中，T1～T4為絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，D1～D4為反向續(xù)流二極管，LEMV為電壓傳感器，LEMI為電流傳感器，C為直流濾波電容，L0為儲能電感，L1、L2為飽和電感，整個變換器結(jié)構(gòu)由相同的兩個雙向DC/DC變換電路并聯(lián)組成，VL、VH分別為低壓側(cè)電壓和高壓側(cè)電壓。由圖7可見：在正向升壓工作模式下，T2與T4依次導(dǎo)通，相位相差1/2個開關(guān)周期；在反向降壓工作模式下，T1與T3依次導(dǎo)通，相位相差1/2個開關(guān)周期。

圖7 交錯并聯(lián)雙向軟開關(guān)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of parallel-interleaved soft-switching bidirectional DC/DC converter

2.2.2 PWM整流器

PWM整流器可實現(xiàn)能量的雙向流動，并具有功率因數(shù)高、動態(tài)響應(yīng)快、電網(wǎng)污染小等優(yōu)點，因此可作為主電路拓?fù)?，以設(shè)計啟動/發(fā)電一體機的控制器[21]，如圖8所示。圖8中，T5～T6為IGBT，D5～D6為反向續(xù)流二極管，L為輸入電感，VDC為直流側(cè)電壓。

圖8 PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topological structure of PWM rectifier

2.3 管理控制分系統(tǒng)

2.3.1 綜合管理控制單元

綜合管理控制單元可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息，向發(fā)動機控制器、PWM整流器、動力電池管理系統(tǒng)、雙向DC/DC變換器等部件裝置以及系統(tǒng)內(nèi)部各高壓接觸器發(fā)送控制指令，以控制它們協(xié)調(diào)工作。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定、健康運行，綜合管理控制單元的控制邏輯復(fù)雜、運算量較大，同時對實時性、抗干擾能力和容錯能力要求高，可采用數(shù)字信號處理器與可編程邏輯門陣列多核并行的綜合管理控制單元[22]。

2.3.2 系統(tǒng)能量管理

系統(tǒng)能量管理可實現(xiàn)各能量源之間的協(xié)調(diào)控制，使其與負(fù)載特性相適應(yīng)，最大限度滿足各分系統(tǒng)的用電需求。同時，在實現(xiàn)上述功能的前提下，系統(tǒng)能量管理還可控制各能量源運行在最優(yōu)或次優(yōu)工作模式下，以提高系統(tǒng)工作效率和延長使用壽命[23]。如控制發(fā)動機工作在燃油效率高效區(qū)、維持動力電池SOC在充放電高效區(qū)并合理控制充放電過程、合理規(guī)劃母線電壓以提高超級電容利用率等。

系統(tǒng)能量管理的關(guān)鍵技術(shù)還包括系統(tǒng)需求功率高頻暫態(tài)分量和低頻分量的功率分頻、低頻功率分配、母線電壓的狀態(tài)規(guī)劃與分配功率修正等。

2.3.3 電能質(zhì)量分析與管理

全電化陸戰(zhàn)平臺綜合電力系統(tǒng)的各任務(wù)負(fù)載中存在大量功率變換裝置，易造成電網(wǎng)波動，影響供電質(zhì)量。因此，系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)電流諧波的頻譜計算、諧波抑制以及電網(wǎng)質(zhì)量分析對于提升供電質(zhì)量、保持系統(tǒng)穩(wěn)定、增強平臺性能有重要的作用。

諧波抑制一般有兩種方法，即無源濾波和有源濾波。無源濾波是通過直流母線并聯(lián)支撐電容濾波，電容容量越大，其抑制能力越強，但會大幅增加濾波裝置的體積和成本；有源濾波是通過實時監(jiān)測補償對象中的諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生的補償電流改善電網(wǎng)特性，其抑制效果好，可跟蹤諧波頻率和幅值的變化，但是需要加裝額外的補償裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性降低。此外，還可利用超級電容的暫態(tài)快速加載能力，構(gòu)建基于超級電容的母線諧波抑制結(jié)構(gòu)。但是，由于線路電感的存在，超級電容與功率變換裝置濾波電容之間可能會出現(xiàn)電流諧振，且多個電機驅(qū)動器濾波電容也可能出現(xiàn)諧振，影響供電質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，實際系統(tǒng)中必須考慮線路電感的設(shè)計。

3 全電化陸戰(zhàn)平臺電磁武器

電磁武器是通過將電磁能轉(zhuǎn)換為彈體或戰(zhàn)斗部的動能，利用電磁力驅(qū)動彈體或戰(zhàn)斗部，對敵目標(biāo)造成毀傷的新概念武器[24]。

3.1 電磁發(fā)射技術(shù)

常規(guī)火炮中，彈丸離開炮口的初速最大約為2.0～2.3 km/s，為突破彈丸初速極限，科研工作者開始將目光轉(zhuǎn)向電磁發(fā)射技術(shù)。20世紀(jì)70年代，澳大利亞國立大學(xué)的學(xué)者通過一臺單極發(fā)電機，成功試射了1發(fā)3 g的聚碳酸酯彈丸，其初速達到了5.9 km/s，驗證了電磁發(fā)射技術(shù)在火炮發(fā)射領(lǐng)域的可行性。按照彈丸初速和電磁發(fā)射的長度來分類，電磁發(fā)射技術(shù)可分為電磁彈射技術(shù)、電磁軌道炮技術(shù)和電磁推射技術(shù)，其具體指標(biāo)如表3所示。

表3 3種電磁發(fā)射技術(shù)的具體指標(biāo)Tab.3 Specific indicators of three kinds of electromagnetic launch technologies

以電磁軌道炮技術(shù)為例，國外研究開展較早，相關(guān)技術(shù)也較為成熟。文獻[24-25]詳細(xì)介紹了美軍電磁發(fā)射技術(shù)、電磁軌道炮技術(shù)的發(fā)展：2001年美國德克薩斯大學(xué)高新技術(shù)研究所就舉辦了電磁發(fā)射研討會，協(xié)助美國海軍研究局論證了電磁軌道炮，評估了美國海軍關(guān)于電磁軌道炮的研究現(xiàn)狀和技術(shù)需求；2005年，美國國會正式撥款美國海軍進行電磁軌道炮、激光炮等新型電磁武器的研制。然而，經(jīng)過16年的發(fā)展，美國尚未取得實質(zhì)性突破進展，已完成的試驗基本以陸上模擬樣機測試為主。

我國電磁軌道炮的相關(guān)研究起步雖晚于美國，但經(jīng)過國內(nèi)廣大專家學(xué)者長期不懈的努力，我國的電磁軌道炮相關(guān)技術(shù)已取得長足進步，部分關(guān)鍵技術(shù)甚至已達到國際領(lǐng)先的水平[26-27]。

相比于傳統(tǒng)的火炮發(fā)射技術(shù)，電磁發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點包括更高的發(fā)射初速、更快的啟動時間、更短的發(fā)射間隔、更大的發(fā)射動能。電磁發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)包括直線電機技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、彈丸技術(shù)等。

3.1.1 直線電機技術(shù)

直線電機可產(chǎn)生行波磁場，能夠?qū)⒁欢ㄙ|(zhì)量的物體加速至一定的速度。美國福特號航空母艦的電磁彈射器上就安裝有288個直線電機模塊單元，這些直線電機單元模塊完全相同，可任意對調(diào)更換，因此具有檢修方便、維護簡易的優(yōu)點。

在電磁發(fā)射技術(shù)中，直線電機承載的電流可由數(shù)萬安培至數(shù)兆安培；根據(jù)推射彈體的質(zhì)量，彈體的出口速度范圍由每秒幾十米至每秒十千米?？紤]全電化陸戰(zhàn)平臺的工作環(huán)境與作戰(zhàn)需求，電磁發(fā)射用直線電機的關(guān)鍵技術(shù)還包括電機冷卻技術(shù)、軌道抗燒蝕技術(shù)、多物理場強耦合建模仿真技術(shù)、強磁場與應(yīng)力沖擊條件下的定子線圈成形技術(shù)等。

3.1.2 脈沖電源技術(shù)

由于直線電機工作時需要瞬間的大電流與能量，則要求脈沖電源必須具備高功率、大電流連續(xù)脈沖輸出，能夠提供適應(yīng)直線電機驅(qū)動磁場的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)電流的能力，其具體指標(biāo)要求：電流幅值為104～106A，電壓為1～10 kV，脈沖寬度為10 μs～0.3 s，能量為10～103MJ，脈沖功率為107～109kW[28].

3.1.3 彈丸技術(shù)

彈丸即電磁發(fā)射的加速推射對象，需能夠承載大電流，質(zhì)量可為10-3～104kg. 由于彈體出口初速高、動能極大，通常不裝配炸藥，而是完全依靠動能摧毀敵目標(biāo)。彈丸的關(guān)鍵技術(shù)包括超高速一體化制導(dǎo)彈丸技術(shù)、一體化彈丸集成與分離技術(shù)、高效動能毀傷技術(shù)、強感應(yīng)電流及輕量化動子線圈技術(shù)、彈托技術(shù)、發(fā)射器內(nèi)壁燒蝕技術(shù)等。

3.2 武器的全電化控制

傳統(tǒng)的陸戰(zhàn)平臺武器控制方式包括全液、電液或直流全電驅(qū)動，相比之下，全電化陸戰(zhàn)平臺采用的交流全電控制武器系統(tǒng)能夠減少平臺整體40%質(zhì)量、30%體積、提升35%效率，同時大幅提高平臺的安全性、可靠性和維修性[6]。

目前，隨著全電化技術(shù)的普及，以及陸戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的進步，陸戰(zhàn)平臺的機動性大幅增加，戰(zhàn)斗激烈程度大幅加劇，全電化陸戰(zhàn)平臺將要面對更多的高機動條件下的戰(zhàn)斗或戰(zhàn)爭。為了提高全電化陸戰(zhàn)平臺在高機動條件下的動態(tài)響應(yīng)速度和自適應(yīng)能力，保證武器系統(tǒng)的快速隨動和炮口穩(wěn)定，提高射擊命中率，則需要加大對高機動條件下全電化陸戰(zhàn)平臺武器控制系統(tǒng)的控制策略研究和智能化技術(shù)探索，以提高全電化陸戰(zhàn)平臺武器系統(tǒng)自動化程度，減少乘員操作，逐步實現(xiàn)智能武器控制，簡化武器控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

武器的全電化控制關(guān)鍵技術(shù)包括高機動條件下武器系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析、狀態(tài)估計、參數(shù)辨識及智能化控制等[29]。

4 全電化陸戰(zhàn)平臺電磁裝甲防護技術(shù)

全電化陸戰(zhàn)平臺的電磁防護技術(shù)是指依靠電磁能主動攔截來襲炮彈，或使來襲炮彈降低、失去侵徹能力，從而保護陸戰(zhàn)平臺[30]。

全電化陸戰(zhàn)平臺的電磁裝甲防護技術(shù)主要是指電磁裝甲技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的其他類型裝甲，電磁裝甲的應(yīng)用降低了全電化陸戰(zhàn)平臺的質(zhì)量，從而提高了平臺的機動性，并提高平臺防御能力。

電磁裝甲的設(shè)想最早是由美國Walker在20世紀(jì)70年代提出的[31]，隨后，美國在電磁裝甲的理論研究上迅速推進：文獻[32]利用2種通用商業(yè)化數(shù)值模擬軟件對電磁裝甲中的破甲彈射流進行了仿真；文獻[33]對銅線脈沖電流的磁流體動力學(xué)進行了三維ALEG-RA-MHD仿真；文獻[34]實現(xiàn)了電磁裝甲復(fù)雜物理場的仿真還原，得到了電磁裝甲的仿真圖。試驗方面，從20世紀(jì)80年代開始，美國陸軍研究實驗室的武器技術(shù)指導(dǎo)委員會分別利用30 mm和50 mm直徑的破甲彈對電磁裝甲進行了原理試驗，對于標(biāo)準(zhǔn)裝甲鋼，30 mm破甲彈的破甲深度從140 mm降至40 mm，50 mm破甲彈的破甲深度從220 mm降至80 mm[35]. 進入21世紀(jì)后，美國陸軍研究實驗室和陸軍坦克動力研究發(fā)展與工程中心相繼研發(fā)了緊湊型高功率脈沖電源和電磁裝甲試驗設(shè)備；荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院彈道研究實驗室深入研究了電磁裝甲對于金屬射流不穩(wěn)定性的影響[36]。

我國關(guān)于電磁裝甲的研究起步較晚，國內(nèi)首次電磁裝甲原理試驗是由兵器工業(yè)某研究所于1999年進行的。21世紀(jì)以來，中國兵器工業(yè)集團公司、軍械工程學(xué)院等單位均不同程度地開展了電磁裝甲理論、仿真、試驗的相關(guān)研究，掌握了電磁裝甲電參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則和優(yōu)化方法[37-38]。

按照電磁裝甲的工作模式，可分為主動電磁裝甲與被動電磁裝甲兩類。

4.1 主動電磁裝甲

主動電磁裝甲可分為線圈感應(yīng)式和磁場重接式，由儲能電容器、開關(guān)、高功率脈沖電源、發(fā)射線圈和攔截板組成[39]。其工作原理為：感知系統(tǒng)及時探測發(fā)現(xiàn)來襲炮彈，并精確識別其質(zhì)量、射速等物理特性，并發(fā)送給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)通過計算得到來襲炮彈的彈道軌跡，并在最佳時機向攔截系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號；攔截系統(tǒng)接收觸發(fā)信號后，閉合開關(guān)，儲能電容器通過高功率脈沖電源和發(fā)射線圈，產(chǎn)生高強度磁場，推射攔截板；攔截板在電磁力的作用下發(fā)射，并在空中與來襲炮彈相撞，削弱甚至摧毀來襲炮彈的侵徹能力，從而減小或避免全電化陸戰(zhàn)平臺所受到的攻擊[40]。

線圈感應(yīng)式主動電磁裝甲的工作原理為：平面螺旋發(fā)射線圈中產(chǎn)生陡上升前沿的大電流，并產(chǎn)生垂直于環(huán)面的感應(yīng)強磁場，同時在攔截板中感應(yīng)產(chǎn)生渦流。平面螺旋發(fā)射線圈產(chǎn)生的感應(yīng)強磁場與攔截板中產(chǎn)生的感應(yīng)渦流相互作用，產(chǎn)生強大的電磁力，推射攔截板撞擊來襲炮彈，從而保護陸戰(zhàn)平臺。

磁場重接式電磁裝甲工作原理為：螺旋式環(huán)形繞制的發(fā)射線圈中產(chǎn)生感應(yīng)強磁場，在啟動瞬間該感應(yīng)強磁場被攔截板分割為上下兩部分，當(dāng)感應(yīng)有渦流的攔截板產(chǎn)生一點位移時，其另一端隔開的磁場便重接起來，對攔截板產(chǎn)生極大的電磁推力。隨著分隔開的磁場不斷重接，攔截板不斷被加速直至推射出去。

4.2 被動電磁裝甲

被動電磁裝甲是指以被動方式保護陸戰(zhàn)平臺的電磁裝甲，主要包括接觸式電磁裝甲、電熱裝甲以及可儲能電磁裝甲3種類型。

4.2.1 接觸式電磁裝甲

圖9所示為接觸式電磁裝甲的基本結(jié)構(gòu)。圖9中，I表示流經(jīng)金屬板電極的電流。

圖9 接觸式電磁裝甲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural sketch of contacted electromagnetic armor

電磁裝甲由陸戰(zhàn)平臺主裝甲外相距一定距離的2塊鋼板、電源和電容器組共同組成，其中一塊鋼板接地，另一塊鋼板與電容器組高壓端相連，其基本工作原理為：當(dāng)來襲炮彈穿透兩鋼板時，2塊鋼板短路，此時來襲炮彈、2塊鋼板、電容器組之間構(gòu)成回路，電容器組開始放電；大電流放電形成的強磁場和放電爆炸沖擊波與帶電的來襲炮彈相互作用，使來襲炮彈射流產(chǎn)生不穩(wěn)定的磁流體動力學(xué)現(xiàn)象，導(dǎo)致來襲炮彈的射流分散或偏轉(zhuǎn)，從而避免主裝甲被擊穿或擊毀。

4.2.2 電熱裝甲

電熱裝甲的結(jié)構(gòu)與電磁裝甲類似，也是由2塊金屬板、電源以及電容器組共同組成。2塊金屬板間的距離非常小，并以一層很薄的絕緣材料隔離。當(dāng)來襲炮彈穿透2塊金屬板時，電源或電容器組通過來襲炮彈進行大電流放電，此時2塊金屬板間的絕緣材料被加熱氣化并迅速膨脹，將2塊金屬板分別向兩側(cè)推開，從而干擾了來襲炮彈對陸戰(zhàn)平臺主裝甲的侵徹。

4.2.3 可儲能電磁裝甲

可儲能電磁裝甲是結(jié)合了電磁裝甲與電熱裝甲特點的一種新概念裝甲防護技術(shù)?？蓛δ茈姶叛b甲單元由面板、防護板、底板、高儲能密度脈沖電容器、正負(fù)電極引出線、爆炸導(dǎo)體開關(guān)等組成，既是儲能裝置，也是防護裝置。每一個可儲能電磁裝甲單元皆由螺栓固定于主裝甲上，并聯(lián)連接后總接于高壓電纜，由全電化陸戰(zhàn)平臺的充電裝置為其充電。

當(dāng)破甲彈的射流或穿甲彈的動能桿撞擊任一可儲能電磁裝甲單元，破壞電容器兩電極間的絕緣層，造成正負(fù)極板間短路，所有并聯(lián)的電容器通過該短路處放電，放電產(chǎn)生的大電流首先將電容器內(nèi)較薄的金屬箔電極汽化，繼而產(chǎn)生高溫等離子體。此時，電容器中的其他物質(zhì)也在高溫作用下汽化、膨脹、爆炸并產(chǎn)生沖擊波壓力，推動防護板沿外法線方向運動并撞擊來襲炮彈，使來襲炮彈偏轉(zhuǎn)甚至斷裂，從而保護陸戰(zhàn)平臺主裝甲。

4.3 電磁裝甲關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 高壓電容器組技術(shù)

電磁裝甲工作時所需的能量較大，需要較多數(shù)量的車載電容器組，從而增加了全電化陸戰(zhàn)平臺的整體質(zhì)量和體積，并進而影響其行駛性能與機動靈活性。為此，高比能量儲能裝置技術(shù)的研究十分必要，以提高儲能裝置的比能量，降低其對陸戰(zhàn)平臺機動性的影響。

4.3.2 脈沖電源技術(shù)

與全電化陸戰(zhàn)平臺電磁武器系統(tǒng)一樣，高功率脈沖電源技術(shù)也是全電化陸戰(zhàn)平臺電磁裝甲防護系統(tǒng)的主要部件，要求儲能密度高、儲能量大、能夠?qū)Ω邏弘娙萜鹘M快速充電。高功率脈沖電源的技術(shù)難點在于有限空間或有限質(zhì)量條件下為全電化陸戰(zhàn)平臺提供足夠的電能。

4.3.3 發(fā)射控制技術(shù)

如前所述，在主動電磁裝甲的防護過程中，控制系統(tǒng)需要迅速判斷來襲炮彈的速度、距離、方向以及彈丸的類型、特性等，然后精確計算攔截裝置所需的電壓、電流、來襲炮彈彈道軌跡、攔截時間、攔截位置等，從而調(diào)節(jié)輸入功率，確定攔截板推射方向、位置、發(fā)射時間、發(fā)射方向。為解決這一難題，需要構(gòu)建來襲炮彈與陸戰(zhàn)平臺的相對參照系，建立數(shù)學(xué)模型，確定運動目標(biāo)的運動規(guī)律與運動軌跡，求解運動參數(shù)，從而控制發(fā)射器推射攔截板。

5 總結(jié)與展望

本文從全電化陸戰(zhàn)平臺的驅(qū)動電機及其控制技術(shù)、車載綜合電力系統(tǒng)、電磁武器、電磁裝甲防護4個方面詳細(xì)剖析了陸戰(zhàn)平臺全電化的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，探究了以上關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，揭示了全電化陸戰(zhàn)平臺持續(xù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸：

1) 在陸戰(zhàn)平臺驅(qū)動電機方面，重點和難點在于高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機的設(shè)計，及其配套驅(qū)動器、控制器的研制。在現(xiàn)有內(nèi)嵌式永磁同步電機的基礎(chǔ)上，可加大對永磁體材料、電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、新型散熱技術(shù)的研究。同時，受永磁體材料不可再生的限制，可適當(dāng)儲備相關(guān)無永磁體材料驅(qū)動電機的相關(guān)技術(shù)，如同步磁阻電機、開關(guān)磁阻電機等驅(qū)動電機新的設(shè)計與控制技術(shù)。

2) 全電化陸戰(zhàn)平臺各電能源裝置的供電特性和各用電設(shè)備的負(fù)載特性具有多樣化的特點，需要實現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息互通，對各電能源裝置、各用電裝置進行整合，提高用電安全性和可靠性，保證供電質(zhì)量。系統(tǒng)包含多個不同特性的電能源裝置和脈沖功率裝置，需要快速而頻繁地閉合、斷開大功率電力傳動裝置和高功率密度電力電子變換器等，易產(chǎn)生較強的電磁干擾。同時，受限于陸戰(zhàn)平臺有限的內(nèi)部空間，不同裝置間的相互傳導(dǎo)干擾和輻射干擾幾率大大增加。因此，平臺的設(shè)備故障檢測和健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)需要關(guān)注。同時，高性能的電力電子器件(如SiC電力電子器件的推廣和普及)和電磁兼容的分析與控制也是陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)必須考慮和研究的關(guān)鍵課題。

3) 在電磁武器和電磁裝甲防護領(lǐng)域，需要加大對高功率脈沖電源、直線電機技術(shù)、超級電容技術(shù)的投入和研發(fā)，以確保能夠滿足全電化陸戰(zhàn)平臺的空間限制和各系統(tǒng)的功率需求。

總之，以電驅(qū)動、電磁武器、電磁裝甲防護等為關(guān)鍵技術(shù)的陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)突破了傳統(tǒng)陸戰(zhàn)平臺的性能瓶頸，提高了陸戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)能力，增強了陸戰(zhàn)平臺的防護系統(tǒng)，促進了陸戰(zhàn)平臺無人化、智能化、信息化的發(fā)展。尤其是未來無人陸戰(zhàn)平臺的研制，更加強調(diào)全電化技術(shù)的穩(wěn)定可靠。

綜上所述，陸戰(zhàn)平臺全電化是必然的發(fā)展方向，其涵蓋技術(shù)范圍廣，研發(fā)難度大。然而，受限于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，還不能很好地發(fā)揮全電化陸戰(zhàn)平臺的綜合性能，需要進一步深入研究。