马伟明，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室主任，博士生导师。中国工程院院士，专业技术一级，国务院学位委员会学科评议组第五届学科评议组成员，第六、七届评议组召集人，国家级科技创新团队领军人物，国家有突出贡献的中青年专家、十佳全国优秀科技工作者，国家科技进步一等奖、何梁何利科技成就奖、国家杰出专业技术人才奖、首届"八一勋章”获得者，国际电机会议指导委员会委员，全国优秀博士学位论文指导教师，中共十八届、十九届中央候补委员，第九、十一、十二和十三届全国人大代表，中国科协全委会八届常委、九届副主席。

电磁发射是一种全新的发射方式，电磁发射技术在军事和民用领域都有巨大的潜在优势和广阔的应用前景。按照发射长度和末速度的不同，电磁发射技术可分为电磁弹射技术、电磁轨道炮技术和电磁推射技术。这3种技术的基本原理相同，涉及的具体关键技术有一定差别，但总的技术可概括为脉冲功率能量存储技术、大功率变流技术、电磁发射执行机构技术和电磁发射控制技术。本书主要对这 4 种技术做了较为详细的阐述与说明，对电磁发射技术的主要应用进行了介绍，并对其应用前景进行了展望。本书可作为电气工程，特别是电磁发射等相关专业领域的授课教材，也可作为相关领域工程技术人员、研究人员的参考用书。

　　第1章 绪论
　　将目标物体加速到更高的初速度是人类一直以来不懈追求的目标。20世纪70年代末，澳大利亚国立大学的科研人员利用一台大型的单极发电机，成功地将一枚质量为3g的聚碳酸酯弹丸加速到5.9km/s，完美证实了电磁发射技术在超高速发射领域所具备的无可比拟的技术优势。电磁发射是一种全新概念的发射方式，在军事和民用领域都有着巨大的潜在优势和广阔的应用前景。本章为电磁发射技术绪论，力图使读者掌握电磁发射的基本知识。本章主要介绍以下几个方面：电磁发射技术的基本概念、分支及优势，电磁发射技术国内外发展现状，电磁发射关键技术。
　　1.1 电磁发射技术概述
　　恩格斯曾有预言：“一旦技术上的进步可以用于军事目的并且已经用于军事目的，它们便立刻几乎强制地，而且往往是违反指挥官的意志而引起作战方式上的改变甚至变革。”纵观世界军事史，新概念武器的出现往往导致战争模式发生变革。同时，随着战争模式的变革，又不断促进了先进新型武器装备的发展。电磁能是继机械能、化学能之后的又一次常规武器能源革命，必将极大地改变当前以化学能发射为主的战争模式。
　　《孙子兵法》中讲“激水之疾，至于漂石者，势也”，武侠世界中常常讲“天下武功，唯快不破”。速度的提高总能达到出其不意的效果，火力发射速度的提高对增强毁伤有着重要作用。20世纪以来化学式武器发展逐步达到速度极限，各军事强国的目光逐步聚焦于新型的电磁式高能武器。伯克兰第一个进行电磁炮试验，他使用直流激励的管状直线电机系列线圈，把500g的电枢加速到50m/s。1946年，美国的西屋电气公司建成了一台全尺寸的电磁飞机弹射器，取名“电拖”（Electopult），它是一台初级运动的直线感应电动机。虽然没有达到实用的效果，但是这些技术和装置在当时取得了部分的成功，标志着一个新时代的到来。
　　用于发射的能源大体可分为三大类（发射技术经历三个阶段）：机械能、化学能和电磁能。发射器所使用能源的更替变化，都意味着发射技术领域发生了质的飞跃。早期人们使用弓弩、抛石机等的机械能，代替人的肌肉发射物体，这是发射技术的一个进步；14世纪初火药的发明，使发射物体的初速度至少提高了2个数量级，与冷兵器相比，火药具有更高的能量密度，常规火炮利用化学能就可将几十千克的弹丸加速到每秒千米级，这是发射技术新的里程碑，但这个速度已经接近了常规火炮的极限速度。三种发射方式的差异对比如表1.1所示。
　　电磁发射技术实质是将电磁能转换为发射载荷动能，电磁发射装置是一类利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载达到最大速度的能量变换装置。理论上，使用电磁能发射的弹丸不受外界影响的限制，只受弹丸和发射机构的限制，使用电磁发射装置可以把弹丸加速到十几千米/秒甚至几十千米/秒。因此电磁发射是一种理想的发射方式，在科学实验、武器装备、导弹防御系统、发射火箭和卫星，以及航空弹射器等许多领域中有广泛的应用前景。
　　20世纪80年代，电磁发射受到了各国军方的极大关注，他们纷纷投入了大量的人力、物力对电磁发射进行试验研究，出现了包括电磁炮、电磁弹射器、电磁助推器等各种先进装备，涉及的国家主要包括美国、俄罗斯、英国、法国、日本、以色列、德国、荷兰及中国等，其中美国处于领先地位。
　　为了促进电磁发射技术理论和工程技术的发展，由美国陆军军备研究所和发展司令部（ARRADIOM），以及国防高级研究规划局主办，于1980年召开了第1届电磁发射技术讨论会，以后每隔2～3年召开一次，并允许其他有关国家参加，具有一定的国际性质。效仿美国，欧洲各国为推动电磁发射技术的进步，建立了“欧洲电磁发射技术讨论会”制度，第1届会议于1988年9月在荷兰的代尔夫特（Delft）召开。自1997年开始，这两个会议合并举行，电磁发射技术会议成为观察当今世界电磁发射技术发展的窗口。英国的国家计划旨在将所有电磁发射技术的研究集中于军事应用，主要验证电磁发射器在未来主战坦克中的潜在可行性。苏联很早就开始了电磁发射研究，主要集中在导轨式电磁发射器、电热化学炮及其供电电源。1996年4月，在美国巴尔的摩举行的第8届电磁发射技术会议上，全面地介绍了苏联和俄罗斯有关电磁发射的理论研究和实验情况。2002年5月，在法国圣路易斯召开的第11届电磁发射技术会议，更是世界电磁发射技术研究者的盛会，会上介绍了各国电磁发射技术的研究进展。
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第1章 绪论 1
1.1 电磁发射技术概述
1.1.1 电磁发射技术基本概念 5
1.1.2 电磁发射技术分支 7
1.1 电磁发射技术优势 11
1.2 电磁发射技术国内外发展现状 16
1.2.1 电磁发射技术发展历程 16
1.2.2 国外发展现状 23
1.2.3 国内发展现状 25
1.3 电磁发射关键技术 28
1.3.1 脉冲功率能量存储技术 29
1.3.2 大功率变流技术 30
1.3.3 电磁发射执行机构技术 31
1.3.4 电磁发射控制技术 32
1.4 小结 32

第2章 电磁发射能量存储技术 33
2.1 能量存储技术概述 33
2.1.1 定义及分类 33
2.1.2 能量存储技术性能对比 35
2.1.3 发展现状及趋势 36
2.2 脉冲功率能量存储技术 38
2.2.1 脉冲功率能量存储技术概述 38
2.2.2 脉冲功率能量存储方式及性能对比 40
2.2.3 脉冲功率能量存储技术发展现状 42
2.2.4 脉冲功率能量存储技术的应用前景 49
2.3 惯性储能 50
2.3.1 电磁发射飞轮储能技术 50
2.3 电磁发射同步电机 52
2.3.3 电磁发射补偿脉冲发电机 64
2.4 蓄电池储能 74
2.4.1 蓄电池概述 75
2.4.2 电磁发射初级能源蓄电池系统 77
2.4.3 电磁发射蓄电池系统关键技术 78
2.5 电容储能 85
2.5.1 电容储能概述 85
2.5.2 电容器充电方式 91
2.5.3 电容储能型电磁发射脉冲功率电源系统 96
2.6 电感储能 100
2.6.1 电感储能概述 100
2.6.2 超导储能系统 102
2.6.3 电感储能型脉冲功率电源的拓扑结构及断路开关关断技术 105
2.6.4 用于电磁炮的超导脉冲功率电源设计 110
2.7 混合储能 113
2.7.1 混合储能概述 113
2.7.2 电磁发射混合储能系统组成 116
2.7.3 电磁发射混合储能系统关键技术 117
2.8 小结 120

第3章 大功率变流技术 121
3.1 概述 121
3.2 大容量开关器件的串并联技术 124
3.2.1 串联问题 126
3.2.2 并联问题 128
3.3 脉冲间歇整流技术 132
3.3.1 脉冲间歇整流电路拓扑 133
3.3.2 脉冲触发逻辑设计 136
3.3.3 触发故障诊断策略设计 140
3.4 脉冲式逆变技术 142
3.4.1 三电平逆变器拓扑结构及分析 142
3.4.2 三电平逆变电路的SVPWM控制 151
3.4.3 H桥级联多电平逆变器 160
3.5 脉冲成形技术 169
3.5.1 脉冲成形技术概述 169
3.5.2 单模块PFN放电回路分析 170
3.5.3 多模块PFN放电回路分析 172
3.5 PFN系统元器件选择 177
3.6 小结 180

第4章 电磁发射执行机构技术 181
4.1 概述 181
4.1.1 脉冲直线电机技术发展现状 181
4.1.2 电磁轨道炮的导轨和电枢研究现状 185
4.1.3 线圈型电磁发射器线圈技术研究现状 187
4.2 直线感应电机 188
4.2.1 直线电机的基本结构与原理 188
4.2.2 直线电机装置组成 192
4.2.3 电磁弹射多定子直线感应电机的数学模型及控制方程 194
4.2.4 电磁弹射直线感应电机的关键技术 201
4.3 永磁直线同步电机 216
4.3.1 直线同步电机基本概念 217
4.3.2 永磁直线同步电机的基本原理及特点 218
4.3.3 永磁直线同步电机模块化技术 223
4.3.4 变结构永磁直线同步电机的自律分散控制技术 225
4.4 电磁轨道炮导轨及电枢 231
4.4.1 电磁轨道炮的工作原理 231
4.4.2 电磁轨道炮的电枢技术 233
4.4.3 电磁轨道炮的一体化弹丸技术 236
4.4.4 电磁轨道炮的导轨及复合身管技术 239
4.4.5 电磁轨道炮的抗烧蚀技术 243
4.5 电磁感应线圈炮 249
4.5.1 电磁感应线圈炮的基本工作原理 250
4.5.2 驱动线圈和电枢技术 254
4.5.3 同步感应线圈炮电枢受力特性分析 258
4.5.4 多级驱动线圈同步触发技术 260
4.6 小结 265

第5章 电磁发射控制技术 266
5.1 发射轨迹生成与流程控制 266
5.1.1 电磁弹射轨迹生成 266
5.1.2 电磁炮发射曲线生成 268
5.1.3 发射流程控制状态机 269
5.2 发射轨迹跟踪控制技术 273
5.2.1 电磁发射分布式控制系统 274
5.2.2 电磁发射系统的控制性能要求 277
5.2.3 实时操作系统 279
5.2.4 时钟同步技术 283
5.3 发射体位置及速度检测技术 286
5.3.1 磁栅式与光栅式直线位置检测技术 287
5.3.2 电磁弹射直线感应电机的接近式位置检测技术 291
5.3.3 电磁炮膛内弹丸的激光干涉测速 297
5.3 电磁炮出口速度的光纤单片机测量 299
5.3.5 电磁炮出口速度的高速摄像测量 301
5.4 电磁发射系统内部健康状态监测技术 302
5.4.1 健康状态网络设计 303
5.4.2 分段供电开关的状态监测 307
5.4.3 大功率瞐闸管开关驱动电路状态监测 311
5.4 状态监测信息数据库 314
5.4.5 监测网络管理技术 315
5.5 电磁发射系统故障诊断技术 315
5.5.1 分段供电切换传感器故障诊断 316
5.5.2 分段供电切换开关故障诊断 318
5.5.3 分段供电驱动脉冲信号异常检测 321
5.5.4 发电机绝缘故障诊断 323
5.5 分布式系统故障诊断框架 326
5.6 小结 328

第6章 电磁发射技术应用及展望 330
6.1 电磁弹射系统 330
6.1.1 电磁弹射系统组成 330
6.1.2 电磁弹射系统仿真分析 332
6.2 电磁轨道炮系统 337
6.2.1 电磁轨道炮的分类 337
6.2.2 电磁轨道炮系统组成 339
6.2.3 电磁轨道炮系统仿真分析 339
6.3 电磁感应线圈炮系统 343
6.3.1 电磁感应线圈炮系统组成 344
6.3.2 电磁感应线圈炮系统仿真分析 346
6.4 火箭导弹电磁发射系统 350
6.4.1 火箭导弹电磁发射系统组成 351
6.4.2 线圈式火箭导弹电磁发射系统方案 353
6.5 电磁发射应用前景 356
6.5.1 武器平台 357
6.5.2 空间运输 359
6.5.3 科学研究 359
6.6 电磁发射技术瓶颈及设想 360
6.6.1 技术瓶颈 360
6.6.2 几点设想 361

参考文献 363