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海军工程大学马伟明院士:电磁发射技术的研究现状与挑
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-02-25 06:01:41 浏览:5

  电磁能技术全国重点实验室(海军工程大学)的马伟明院士、鲁军勇教授,在2023年第15期《电工技术学报》上撰文,介绍了电磁发射的技术特点和技术分支,归纳了电磁发射系统包含的脉冲储能、脉冲电能变换、脉冲直线电机、检测与控制、高速高过载制导五项共性技术,综述了电磁发射在军事平台和武器领域、民用及航天领域的发展现状及应用情况,指出了目前面临的挑战及对策,提出了电力电子系统无缆化、高性能材料复合化、全系统感知控制智能化的发展趋势,旨在为电磁发射技术的后续研究提供参考。

  发射是人类最原始的社会活动之一,目的是获得发射体的末端动能。从发射能量来源的角度,目前为止人类社会经历了机械能发射、化学能发射和电磁(复合)能发射三个阶段。电磁发射(Electromagnetic Launch, EML)是指包含电磁能的发射方式,它的出现是电气化集成与电能变革的必然结果。

  电磁发射可以突破传统发射方式的能量和速度极限,是一种新型发射方式。它具有发射动能高、系统效率高、发射频次高、启动时间快、持续发射能力强和负载可调节性强等显著优势,必将成为替代传统机械能发射和化学能发射的新型发射技术。

  电磁发射技术以电能为基本的组织形态,以信息流来实现对能量流的精准控制,涉及电气、材料、信息、控制等多个学科和领域的深度交叉融合。近年来,随着综合电力技术、新型复合材料、高压大功率开关和人工智能的快速发展,电磁发射技术掀起新一轮的研究热潮,在军事民用领域均有颠覆现有格局的重大意义。海军工程大学于2017年首次设立电磁发射工程专业,旨在培养从事电磁发射装备技术设计、生产监造、全寿命周期运维管理的人才,这标志着电磁能装备真正从理论研制阶段迈向工程实用阶段。

  本文总结近20年来在电磁发射领域的研究成果,归纳了电磁发射的五项共性技术,综述了其研究现状及应用进展,指出了目前面临的挑战及对策,展望了未来的发展趋势和前景,旨在为电磁发射技术的后续研究提供参考。

  电磁发射技术是一种将电磁能直接变换为发射负载所需瞬时动能的能量变换技术。电磁发射系统由脉冲储能系统、脉冲电能变换系统、脉冲直线电机和控制系统四个部分组成,如图1所示。发射前通过脉冲储能系统将能量在较长时间内蓄积起来,发射时通过脉冲电能变换系统调节输出瞬时超大功率电能给脉冲直线电机,产生电磁力推动负载至发射速度,控制系统实现信息流对能量流的精准控制。

  1)更高:首先指的是发射速度高,可超越化学能发射的速度极限,速度从每秒几十米到数十千米,传统火药仅1km/s左右;其次是发射效率可高达50%,而传统发射方式如蒸汽弹射发射效率仅有4%~6%;有效载荷比大,推动负载的动子一般为铝制结构,如电磁弹射的动子采用铝板,电磁轨道发射的电枢采用铝块,电磁线为电磁发射的载荷。

  2)更快:首先指的是启动时间短,从冷态到发射仅需几分钟;其次是发射间隔短,可以在数秒内实现重复发射。此外,对辅助配套设施要求低,通过脉冲储能系统可在十几分钟内蓄积数十发的发射能量,大大削减了对电网的功率需求。图3为非周期循环脉冲工作模式。

  3)更强:首先指的是发射动能大,电磁炮可达数十兆焦,电磁弹射可达百兆焦,航天推射可达数十千兆焦;其次发射负载可变,可灵活调节电流实现不同载荷发射;最后,持续作战能力强,可靠性高,可维护性好,维护操作人员少。图4为电磁弹射与其他弹射能级对比示意图。

  1)电机式电磁发射技术,指发射装置为传统交流直线电机的电磁发射技术,如电磁弹射、电磁阻拦、武器载荷通用电磁发射等,如图5所示。

  2)轨道式电磁发射技术,指依靠直线导轨进行接触式馈电的电磁发射技术,如电磁轨道炮、电磁枪等,如图6所示。

  3)线圈式电磁发射技术,指通过高压电容器对驱动线圈逐级放电产生脉冲电磁行波,驱动弹丸进行电磁悬浮发射的技术,如电磁线圈炮、电磁重接炮等,如图7所示。

  按照推进能量不同,可以分为纯电磁能发射和电磁能复合化学能发射。一般纯电磁能发射的电磁推进能级大,末速度高,比如电磁弹射和电磁轨道炮,能级分别达到了100 MJ和32 MJ。电磁能复合化学能发射一般电磁推进部分提供的能量较小,初始速度低,比如导弹电磁助推等,一般能级在几兆焦左右。

  按照发射长度和末速度不同,电磁发射技术可分为电磁轨道发射技术(距离十米级、速度每秒千米级)、电磁弹射技术(距离百米级、速度每秒百米级)、电磁推射技术(距离千米级、速度十千米级),如图8所示。

  电磁发射系统为跨学科复杂大系统工程,技术复杂、指标要求高,面临诸多瓶颈技术难题。不同的电磁发射类型涉及的具体关键技术有一定差别,但总的来说可概括为脉冲储能技术、脉冲电能变换技术、脉冲直线电机技术、检测与控制技术和高速高过载制导技术五项共性技术。

  储能是电磁发射系统的能量源泉,占据了全系统的大部分体积和重量,是制约电磁发射工程化及集成小型化设计的关键。目前,几种典型的应用于电磁发射领域的储能技术有电机储能、脉冲电容器储能、超级电容器储能、磁场储能和锂电池储能,如图9所示。其中寿命最长的是电机储能,能量密度最大的是锂电池储能,功率密度最大的是脉冲电容储能。本文重点讨论电机储能、锂电池储能和脉冲电容器储能三种技术。

  电机储能技术通过电动机加速电机转子或飞轮盘,从电网吸取电能转换成机械能存储起来,放电时通过发电机将大容量机械能转换成电能释放给负载。一般由储能电机、拖动变流器和输出变流器等组成,具有技术成熟度高、释能范围宽、能量转换效率高和寿命长的显著优点。

  现有的飞轮储能技术主要有两大子类。第一类是以传统滚动和滑动轴承为代表的大容量中速飞轮储能技术,其主要特点是单机储存动能和释放功率大,一般用于短时大功率放电和电力调峰场合;第二类是以磁悬浮轴承为代表的高速飞轮储能技术,其主要特点是结构紧凑、长时工作效率更高。

  涉及的主要关键技术有:适配飞轮储能的电动/发电机分析设计技术、大惯量飞轮设计分析及制造成型技术、飞轮储能转子轴系支撑及动力学分析技术、机械能与电能间的输入输出转换及控制技术、飞轮本体与电机集成化设计技术。

  美国“福特”号航母的电磁弹射系统采用了飞轮储能,它可在2s内提供200 MJ的瞬时能量而不对航母的电力系统产生影响。日本原子能研究所的核聚变试验装置采用了容量为215 MV·A的惯性储能元件,可在30 s内提供峰值为160 MW的电能。2022年4月份,由湖北东湖实验室参与的青岛地铁3号线 MJ飞轮储能项目顺利并网运行,采用了具有完全自主知识产权的磁悬浮飞轮技术。目前,磁悬浮飞轮储能系统的功率等级已经从原来的中小功率逐渐向大功率的方向发展,高速化和大功率是目前飞轮储能的重点发展方向之一。

  锂离子电池通过锂离子在电池正负电极之间往返嵌入和脱嵌,实现能量存储和传递,具有储能密度高、功率性能好、循环寿命长等特点。应用于电磁发射的锂电池除了需要满足热安全性、使用寿命、电压平台、输出阻抗等方面的苛刻条件外,还要尽可能地提升放电倍率至50 C以上。普通的功率型电池工作在电磁发射的极端工况下,往往会造成一系列问题,如电压平台过低、发热严重、寿命快速衰减等,还存在潜在的热失控与燃烧风险。因此,必须合理进行结构、材料与工艺匹配设计,以满足功率密度、储能密度、寿命与安全性指标的需求。

  根据电磁发射系统短时功率需求大和长时能量需求高的双重要求,基本储能单元需要兼顾能量密度和功率密度,高倍率锂电池是目前实现这一目标的最佳技术路线之一。涉及的关键技术有:电芯材料、结构、工艺的综合协同优化技术,高倍率锂电池充放电特性与老化机理研究,高倍率锂电池储能系统安全管理技术等。

  考虑到大规模锂电池应用的安全性,海军工程大学开展了从大倍率铅酸电池到超大倍率磷酸铁锂电池的开发路线 C的跨越,并成功开发出75 C、脉冲放电寿命30000次的磷酸铁锂电池,储能密度达到80 W·h/kg。美国后续采用了类似技术路线万美金合同,进行舰载电磁轨道炮的蓄电池储能系统初级能源研发;2016年4月20日,美海军水面作战中心达尔格伦分部宣布,授予电池设计制造商saft美国有限公司一项合同,为电磁轨道武器开发能量储存模块。

  脉冲电容器基于静电原理实现能量的存储与释放,具有工作电压高、输出电流大、充放电时间快、配置灵活等优点,同时具有大范围能量和频率输出特性一致性好的特点,被广泛用作电磁发射的储能元件。目前,美国GA公司生产的2.0 MJ/m³储能密度的电容器的寿命达到1万次,2.4 MJ/m³储能密度的电容器的寿命达到5000次;而国内脉冲电容器在储能密度和寿命指标上与国外差距较大,在同样储能密度下的寿命仅为其一半。为此,由海军工程大学牵头的国家自然科学基金委重大计划《极端条件电磁能装备科学基础》专门设置了电容器储能电介质的研究内容,旨在将电容器的储能密度提升至4 MJ/m3,寿命达到10000次。

  当前新型储能电介质材料研发的难点在于介电常数与击穿场强高且难以协同提升,单纯提高介电常数往往导致介质损耗的增加和放电效率的降低,此外部分材料虽然击穿场强高且优势显著,但机械加工性能较差,难以批量生产。用于电磁发射的脉冲电容器工作于大电流、高电场强度、高频率和极短时间等极端工况,其寿命和储能密度提升相互矛盾。针对该问题,国内外在基于现有双向拉伸聚丙烯(Biaxially Oriented Polypropylene, BOPP)薄膜表面改性、耐高温薄膜材料、新型材料体系等方面开展了研究,在实验室测试中取得了较好的成果,但是离工程化应用需要的高储能密度和长寿命还有较大差距。

  脉冲电能变换技术分为两种类型:一种是以直线电机为供电和控制对象的电能变换技术,主要采用以IGBT为核心器件的脉冲工作式超大容量变频装置和脉冲交流调制策略;另一种是以直线接触导电轨道和分段线圈为供电对象的脉冲功率调节技术,主要采用以晶闸管为核心器件的脉冲成形网络(Pulsed Formatting Net, PFN)拓扑和脉冲直流时序调制策略。

  超大功率储能装置(飞轮或高功率脉冲电源)瞬时释放初级能量,为满足直线电机在短距加速过程中需要的瞬时大电流,需通过中高压大容量电力电子变换技术将储能输出的直流电调制成频率和幅值协调变换的交流电,从而实现直线电机加速所需的瞬时功率。受制于大功率IGBT器件的容量等级的现状,为了提高电能变换的功率等级,需采用器件串并联、多电平拓扑组合和装置级的集成。这其中采用标准化的功率单元模块是提供系统的集成化水平和可靠性的关键。

  二极管钳位三电平(Neutral Point Clamped, NPC)作为广泛应用的拓扑结构,成为标准化模块的首选。三电平单相逆变器的拓扑电路如图10所示。通过对模块率开关的串并联组合实现高压大电流输出,从而满足电能变换装置MW级的功率输出需求。

  为了减小器件并联数量降低系统的复杂度,与传统稳态运行变频装置相比,需要进行器件的尽限使用,研究器件在非周期瞬态工况下的能力边界和可靠性;同时针对多电平拓扑的电容电压均衡控制和并联装置的环流抑制等技术问题进行研究,提出优化的脉宽调制策略;采用大功率电子开关实现对直线电机的无损分段切换供电,满足电能的分段接力式传输。

  海军工程大学提出了基于尽限应用思想的直流可控并联、多相混合多电平逆变、分布式切换供电的脉冲大功率电能变换系统方案,解决了电磁弹射系统能量源共享、多具弹射器相互隔离和超大功率长初级直线电机供电的难题,成功研制出数百MV·A级电能变换系统,具有高功率密度、高可靠性的特点。

  脉冲直流调制主要用于由脉冲电容供电的场。

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