從專利看美國電磁發射技術發展

引言

電磁發射作為一種解決發射燒蝕，提高發射隱身性能，減少發射視線干擾，在速度、射程、殺傷力、反應能力等諸多方面都具有革命性的先進發射技術，無疑是新一代航天發射技術的發展方向。按結構和原理的不同，可分為電磁軌道式、電磁線圈式、電磁重接式三種形式。電磁軌道式是電磁發射發展的主要形式，美國海軍自近20 年來啟動了多個項目計劃，本文在充分收集美國海軍電磁發射相關項目進展基本情況的基礎上，結合專利分析判斷美軍電磁軌道發射技術由基礎研究轉向工程化階段面臨的技術挑戰，預測其發展前景和應用潛力，並提出對我國電磁發射技術發展的啟示，以期供國內相關領域人員參考。基於Thomson Innovation 德溫特資料庫，截止到2016 年7月10 日，檢索出美國海軍及其項目的主要承包商申請的專利有200 余件，涉及發射裝置、軌道、電力傳輸、大功率脈衝技術、儲能電源、超導材料、冷卻系統等領域，國際專利分類號集中在F41 和H03。結合情報資料，經過人工逐一篩選，得到美國海軍電磁軌道發射領域的直接相關專利107 篇。

1.專利宏觀分析

美國電磁軌道發射領域的相關專利申請呈現出3 個階段，且在第一和第三階段呈簇狀發展。

第一階段: 強勢進駐期( 1983—1990 年) 。

第二階段: 平緩積累期( 1991—2002 年) 。

這個階段專利申請數量總體較少，但在脈衝電源網路、電力傳輸、超導材料等領域仍有大量專利申請，含有電磁軌道發射的類似共性技術。經過上一階段電磁軌道發射在理論上日趨成熟，但工程化過程中存在的問題還未解決，如強磁場對彈體電子元器件的干擾、發射瞬間彈體承受的大過載，軍方在發射裝置本身的新技術研製需求並未增加，可能使專利申請量減少。

第三階段: 集中爆發期( 2003—2014 年) 。

這個階段，電磁軌道發射相關專利申請呈簇狀，年均10 件。查閱其它資料了解到，在這一時期，通用原子公司在航母電磁彈射系統( EMALS) 競標中戰勝諾格公司，獲得並履行了海軍5.73億美元研製合同，有產品已安裝在2015 年剛服役的新一代福特級航母上; 在32 MJ 的電磁炮演示驗證中性能優於BAE 公司，承擔了海軍的多個研製合同，向戰場實用階段轉變。這些研製合同取得成功的背後有著這個階段專利的貢獻，同時，這個階段大量專利也是研製合同的副產品和取得成功的內在體現。需要說明的是，部分專利會有保密期限，2013 年以後申請量統計可能不完全。

實際上，近兩年相關研究機構仍有與美國海軍新簽訂的研製合同，相關專利的申請量不會減少，美國電磁軌道發射可能還有尚處於保密期間、沒有公開的專利。2002—2005 年，主要集中於脈衝電感、脈衝功率控制、脈衝變壓器等大功率脈衝技術方向。2006 年以後，專利主要集中於發射裝置、導軌結構與材料、電樞/彈丸，以及潤滑裝置、冷卻方法等。可以看出，在1998—2004 年、2005—2009 年、2010—2015 年，電磁軌道發射的申請數和公布數均呈上升態勢，而脈衝電感、脈衝功率控制、脈衝變壓器等大功率脈衝技術的申請數總體呈下降態勢，這表明在軌道和脈衝形成網路方面的專利發明越來越多，電磁軌道發射的關鍵技術逐步在突破，為工程研發奠定了基礎。

圖1 電磁發射相關專利申請量趨勢

圖2 相關專利技術構成及數量

圖3 引入時間維度的技術構成

表1 電磁發射專利技術譜系

同時，通過專利宏觀分析可以看到，在彈體自動裝填、快速充放電方面，未檢索到專利發明，這說明彈體自動裝填和快速充放電技術屬於技術空白，或者是保密專利技術。總結分析篩選出的電磁發射專利，可以梳理出美國電磁發射的專利技術譜系( 考慮了專利數量、引證等著錄項因素的技術譜系) 及發展方向:以導軌形狀為例，導軌有凸形( 馬鞍形) 、圓弧形、橢弧圓形、矩形、T 形等。發射過程中，由於負載沿導軌高速運動，可能會引起共振，從而使導軌變形，最終導致飛行器出軌或導軌斷裂。近年來，美國公開的專利所涉及的導軌主要採用凸形。原因有兩方面: 其一，根據彈體從導軌上發射的臨界速度計算公式

，在導軌材料絕緣體材料、導軌截面面積( 楊氏彈性模量 E、導軌慣性力矩I、絕緣體支撐彈性模量 K、導軌密度 ρ 和導軌截面面積 A) 不變的條件下，凸形導軌的慣性力矩大於矩形與 T 形導軌，從而凸形導軌有更大的彈體臨界速度; 其二，對於凸形導軌，導軌周圍的磁力線密度很高( 相對於矩形和T 形導軌) ，從而其能量損失較低。

2 專利微觀分析

針對電磁發射，通用原子公司、美國海軍、德州國際研究公司、波音公司、勞倫斯·利弗莫爾實 驗 室、陸 軍 和 德 州 大 學、George Arthur Proulx 等研究團隊發明了封閉彈膛導軌和非封閉彈膛導軌，導軌結構及其材料，固體、液體和複合電樞，以及導軌的冷卻方法和潤滑裝置等。通用原子公司、美國海軍和以色列光方公司( Lightsquare) 三個研究團隊開展了四個方面的研究，產生了以通用原子公司為代表的電容脈衝形成網路和以海軍實驗室為代表的感應脈衝形成網路; 這些發明既有理論研究，也有工程研究，特別是專利 US6923106 公開的旋轉脈衝形成網路表明，美國海軍已開始電磁導軌脈衝電源的工程研究，並取得突破。

在電磁發射過程中，脈衝電源起到輸出脈衝電流，提供發射能量的作用，為確保脈衝電源系統安全運行，還應開展系統關鍵部件保護，即開關控制技術的研究。開關是接通脈衝電源和發射裝置的裝置，要能在幾毫秒之內把兆安級電流引進到發射裝置。利用閉合開關可對脈衝的形狀進行相對靈活的控制。此外，與脈衝電源相關的研究還包括發電機、快速充電、能量管理、電流的波動與控制技術，以及消除發射口火焰和剩餘能量再利用等。

1990 年，美國通用電氣公司公開的專利電磁發射裝置( 專利號US4971949) ，使用固定式超導線圈實現了飛行器的電磁發射。1994 年，美國海軍的JamesCS Meng 公開的專利超導電磁發射裝置( 專利號US5284106) ，使用超導磁流體泵實現了電磁發射。2005 年，美國海軍公開的專利旋轉式電磁發射裝置( 專利號US6854409) ，使用旋轉式的超導磁流體泵實現飛行器的電磁發射。2004年，通用原子公司申請的專利US6997173B2［6公開了一種船用電磁發射裝置及旋轉脈衝網路系統，發射筒與軍艦甲板上的旋轉平台耦合安裝。脈衝網路系統呈迴轉筒型，安裝於較低一級甲板上，該圓柱形迴轉體與發射筒軸耦合旋轉，形成不間斷同周期的脈衝網路，且包含楔形電容器模塊。該專利發明的旋轉脈衝形成網路與發射管繞同一個軸一起轉動，不損壞連接脈衝形成網路與彈體的纜線( 圖4) 。這種脈衝形成網路由楔形電容器模塊組成，電容器模塊並列排放構成一個環形。

圖4 專利US6997173B2 附圖及電容器局部放大圖

電樞-導軌介面、導軌刨削和電樞轉捩是影響導軌壽命的主要因素，導軌在3 ~4 MA 的強電流下工作，不僅要具有良好的導電性，還要具有足夠的強度、剛度和抗燒蝕性能。美海軍的發展目標是身管壽命達到100～1 000 發。德克薩斯大學、美國海軍實驗室等機構對導軌材料開展了大量研究，包括碎片生成、軌道磨損，以及強電流對軌道-電樞界面的影響。目前，導軌材料研究集中於各種銅合金和碳化鎢等合金和半導體材料，美國海軍實驗室製成了6 m 長的導軌實驗台，為研究內膛磨損機理和導軌材料提供了技術支持。

美國海軍US8322265B1 發明了電磁導軌的潤滑裝置與方法，其核心是在電樞上增加可形成蒸汽潤滑薄膜的潤滑調整襯墊。潤滑調整襯墊的作用是: 導軌表面碎片清理; 導軌表面紋理重建，優化樞軌滑動電接觸; 在電樞與電導軌之間形成一層新的蒸汽潤滑薄膜( 如圖5 所示) 。調整襯墊可確保在彈體滑動過程與導軌接觸。

圖5 專利US8322265B1 附圖

電磁導軌需通過電樞作為導體，通常二者集成為一體化電樞/彈體。一體化電樞/彈體必須解決在導軌上加速、與導軌相圖6 C 型和鞍形兩種電樞結構對比及燒蝕情況容、彈體抗高過載及電樞抗燒蝕等技術難題。美國專利發明的電樞類型包括固體電樞、固體+ 等離子體的複合型電樞、等離子體電樞、液體( 鋁) 電樞等，其中固體電樞是研究重點。美國專利的固體電樞，結構形式有C 型電樞、鞍形電樞、帶調整襯墊銅電樞、帶觸釘電樞、三層結構電樞等; 固體電樞採用的材料有銅、預處理銅、碳複合材料( 嵌入增強高導電性難熔金屬線) 、鋁合金等。

德州國際公司公開的專利US8132562B1 電樞和導軌採用獨特設計的、嵌入難熔金屬線的碳纖維複合材料製成。這種電樞可重複使用，適用於彈丸高速發射，且對電導軌損害最小。

圖6 所示為兩種電樞結構。

對於固體電樞結構，與C 型電樞相比，鞍型電樞可減少電流密度的不均勻分布，從而減緩電樞燒蝕。波音公司也在研發電樞，公開的專利有US7526988B2 和US2007261543A。

3 結束語

美國電磁發射的專利大多數由國防經費支持的項目產生，透過專利看美國電磁發射裝置的研發可以看出: 海軍為電磁發射項目投資並對研發過程進行監管，而參研單位均為工業部門; 美國海軍第一階段有兩個研究團隊，即通用原子公司牽頭，波音公司、L-3 通信公司、傑克遜工程公司和材料廠商斯巴達公司參與研究團隊和BAE 系統公司牽頭，國際科學應用公司、柯蒂斯·懷特電機公司電磁分公司和IAP 研究所組成研究團隊，在高功率脈衝電源方面，美國通用原子公司( 聯合L-3 通信公司脈衝科學分部) 、雷錫恩公司具有一定研究基礎和技術優勢，兩者分別在開展研究; 在導軌材料方面，斯巴達公司負責研發; 在彈體技術方面，通用原子公司、波音公司具有較大技術優勢。在實驗測試方面，美國海軍水面作戰中心具有較大的優勢; 另外，德克薩斯大學機電中心及其先進技術學院、柯蒂斯·懷特公司也在開展高功率脈衝電源相關研究工作。

電磁發射技術是一項系統工程，涉及專業面廣、前沿技術多、系統複雜度高、研究難度大。我國經過多年的理論和基礎技術研究，已取得一定的研究成果，如中科院電工所和華中科技大學在固體電樞方面，核九院在等離子體電樞方面，西南交大和中車株洲電力機車所在磁懸浮牽引方面，中科院高能所在脈衝電源方面，海軍工程大學、燕山大學、南京理工大學在發生裝置總體方面均有一定的研究積累，且部分單位有公開專利，但未來仍需密切關注美國電磁發射技術發展，開展關鍵技術攻關，通過貫徹需求牽引與技術推動相結合、先進性與可行性相結合的原則，適度參考美國電磁發射的發展思路，分層次完成單項和綜合集成技術試驗驗證，及時進行成果轉化，對於促進高超聲速武器發射技術的發展和應用，對搶佔國防軍事的技術制高點具有重要戰略意義。

樹立知識產權保護意識，推行知識產權備案制度。知識產權制度是發達國家為維持其技術壟斷優勢，制定的以其自身為主導的知識產權保護體系，該體系對發展中國家是不利的。在篩選檢索的幾十篇專利中，以色列光平公司2013 年申請的國際專利WO2013102902，同時也在全球主要國家申請了專利，包括中國( 專利號CN104115400A) 。由此可見，國外軍工企業已經在中國進行了專利布局，包括國防新技術領域，對我國電磁發射的未來發展將起到鉗製作用。因此，立足於國家安全利益，在重視武器裝備技術研發的同時，還應高度重視專利布局和知識產權戰略，樹立知識產權保護意識，鼓勵科技工程的參研單位積極申請相關專利發明，推行知識產權備案管理制度。

作者：中國航天科工集團知識產權研究中心 張鳴宇 周鵬 李峰

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