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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 ..................................................................................................1
1.1　电磁发射技术概述 .............................................................................1
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
1.1.3　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
2.3.2　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
3.5.4 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
5.3.4　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　大功率晶闸管开关驱动电路状态监测 ............................311
5.4.4　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
5.5.5　分布式系统故障诊断框架 ................................................326
5.6　小结 .................................................................................................329
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

前言
全书共分为 6 章。第 1 章介绍了电磁发射技术的基本概念、分支、优势及发展现状，并简要概括了电磁发射技术的四大关键技术。第 2 章～第 5 章则依次介绍了这四大关键技术，具体包括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、电磁发射控制技术。第 6 章对电磁发射技术的主要应用进行了介绍，包括电磁弹射系统、电磁轨道炮系统、电磁感应线圈炮系统及火箭导弹电磁发射系统。最后对电磁发射技术的应用前景进行了展望。
本书在编写过程中，得到了海军工程大学和电子工业出版社同志们的大力支持。海军工程大学电磁发射项目组为本书的编写提供了大量素材和建议，李安教授和贲可荣教授对本书的内容要点和出版安排等做了大量工作，电磁发射工程教研室全体师生也为本书的校稿等工作付出了辛苦的劳动，在此一并表示感谢。
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。
我们虽然对全书结构的安排、内容的选取、文字的描述等都尽了最大努力，但难免由于考虑不周而存在遗漏，恳请读者批评指正。
作者
2024 年 7 月

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