從海軍戰術目標的觀點來設計-適合艦用電磁砲的150MJ脈衝能源系統

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1 從海軍戰術目標的觀點來設計-適合艦用電磁砲的150MJ脈衝能源系統
報 告 人：張洛安中校、侯宇耕少校 學 號：104020、104063 使用時間：20分鐘 學術研究

2 大 綱 一、前言 二、研究流程 三、電磁砲原理 四、電磁砲應用效益 五、電磁砲理論及關鍵零組件　 六、結論 七、心得感想 學術研究

3 前言 作者簡介 時間：103年11月14日 發表：第23屆國防科技學術研討會(論文集) 作者：鍾慎修(國立陽明大學生醫光電工程研究所)
學術研究

4 前言 電磁砲被認為是下世代的革命性武器，國外已展示艦用電磁砲的原型品。
電磁砲的能量來源是一脈衝能源系統，其設計須兼顧電磁砲的戰術目標、技術特性，艦上整合能源系統與商業可用原件的規格。 學術研究

5 研究流程 軌道砲原理、優點與現況 近岸火力支援角色推導其能量需求 設計一150MJ脈衝能源系統 關鍵零組件及艦上系統關聯 結論 學術研究

6 電磁砲原理 發電機產生交流電經整流升壓後儲存於電容器中，由閉路開關控制巨量電流自一條軌道流經電樞後進入另一側軌道回到電容器地極，在兩條軌道之間強大電流形成磁場，推動電樞前進，電樞脫離砲口時將外層護套拋棄。 學術研究

7 電磁砲原理 美國雷根總統的星戰計畫提出，原始構想是要在太空中部署軌道砲以擊落處於上升階段的彈道飛彈。經過數十年曲折離奇的發展，最近美海軍與General Atomics及BAE公司分別推出軌道砲原型品。 學術研究

8 電磁砲原理 美國雷根總統的星戰計畫提出，原始構想是要在太空中部署軌道砲以擊落處於上升階段的彈道飛彈。經過數十年曲折離奇的發展，最近美海軍與General Atomics及BAE公司分別推出軌道砲原型品。 學術研究

9 (Electromagnetic gun)
電磁砲原理 類別 原理 傳統砲彈 電磁砲 (Electromagnetic gun) 線圈砲 (Coilgun) 軌道砲 (Railgun) 推動 方式 火藥爆炸後的高溫氣體推動 連續激發電磁圈的斥力推動 運用發電機發電儲存於電容，透過軌道間形成電場推動電樞前進 限制 砲彈速度受限於氣體分子運動速度，最高能量效率約1/3 線圈驅動，加速緩慢 須較大電流 學術研究

10 電磁砲原理 原始理想 理論上只要電流夠大，速度的上限是光速。 實際現況
實際上可用的酬載(十幾公斤重)約達到 Km/s，遠低於理論值，若要增加速度，首先應增加電容度能量。 發電機、大電流開關亦須配合，重新設計變大。 軌道面刨削：砲管壽命很短，數十發之後須抽換軌道(但軌道砲砲管成本比加農砲低很多)。 學術研究

11 電磁砲原理 因以電力推動，不須攜帶彈藥，屬無限的彈莢攜帶量。 原始理想 實際現況
只能算是概念上符合，傳統戰艦以MTU柴油機或LM-2500渦輪推動主軸槳葉，發電是副角。新的戰艦如DDX21是電力船，以電力驅動(達數個MW)，電力艦與傳統戰艦的主要差別，就是發電量大大增加，而新型DDX1000 Zumwalt發電量74MW，其目的在於滿足相位陣列雷達及未來軌道砲的電力需求。 所謂無限制的攜帶量，現已轉變為受能量限制，且須視戰況需求將能量轉到軌道砲，導能武器，相位陣列雷達，或驅動馬達，或電磁裝甲等。 學術研究

12 電磁砲原理 原始理想 免除了彈藥庫被敵方擊中即全毀的危險。 實際現況 這點是達成的，基本上電容器組要比彈藥安全，但是過度充電仍會爆炸，所以電容器要以大於1安全係數設計，且仍需要裝甲保護，以免被擊中研喪失所有作戰能力與動力。 學術研究

13 電磁砲原理 原始理想 每發發射成本極低，只要電費。 實際現況 這是真的，每發只要數十美元的電費(現今先進的火砲彈藥每發約1萬美元)，但主要的成本來自砲管組件、電容器、大電流開關的壽命及超導體運轉費用等。 學術研究

14 電磁砲原理 實際現況 發射時沒有火藥的大量火光與聲響，有助於匿蹤。 原始理想
並非如此，軌道砲發射時被括除的軌道面金屬與電漿接觸外界空氣後形成大量火光，且受高速推進的彈頭壓縮的腔內空氣進入開放空間後引發巨大聲響。 目前美海軍軌道砲作戰設想，是以軌道砲發射砲彈到300公里外，飛行時間6分多鐘，作高速岸轟支援火力射擊，海軍陸戰隊要求酬載彈頭至少20kg(去掉拋棄式發射夾層的5kg，可能是戰術核子彈頭重量約15kg)。 學術研究

15 電磁砲應用效益 特性 優點 缺點 應用效益 研發方向 電磁砲能提供等同短距導彈的射程。 比一般火炮低的發射成本。
與數倍的攜彈量(因不需攜帶砲彈的發射藥)。 造價高。 需求空間大且重(發電系統、能量儲存系統、脈衝能量系統等)。 技術尚未成熟。 研發方向 1.車載可動的陸基作戰載台 2.固定地點陸基作戰載台 3.海軍的艦艇海基載台(較接近實際運用)。 4.鐵軌行走的軌道式陸基載台 學術研究

16 電磁砲理論 軌道砲的等效電路：F=LI2/2 其涵意是：推動電樞的力相當於電感的改變量乘上電流的平方除以2。因為軌道砲只有一圈，所以電感值通常很低，所以電流要相當的大，才有足夠的推力。 學術研究

17 電磁砲理論 軌道砲的發射過程： 電流Ｉ，砲口電壓Vmuzzle，砲閂電壓Vbreech，酬載速度V的變化。 學術研究

18 電磁砲理論 學術研究

19 電磁砲理論 脈衝能量系統之設計： 主要由波形形成網路(PFN,Pulse Forming Network)及高壓大電流開關所組成。 學術研究

20 關鍵零組件 高能量 大電流 電容器 開關 目前最高水準約為3J/cc，若提高能量密度，需提高承受電壓，技術待克服。
目前使用大型火花間隙開關(SG,spark gap)，符合成本效益，惟SG壽命有限。 新發展炭化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)開關，惟電流量較低，需多個串並聯成本較高，且觸發同步與維修問題。 學術研究

21 結論 「脈衝能源系統(PPS)」只是電力驅動載台的一個子系統，現代海基載台具備「整合動力系統(IPS)」的各種子系統，對於PPS來說，最重要的是須與軌道砲相匹配，同時能從充電系統獲得足夠的能源，充電系統可能是主能源系統，也可能是能源儲存系統，即鋰電池。 學術研究

22 結論 軌道砲技術發展到現在已近幾十年，其基本上是一個電能砲(產出數MW的能量)，要獲得高功率輸出就蓋的很大，所以技術尚未成熟。軍火商General Atomics及BAE公司帶來的專業的砲管製作技術，其對準度及容許值相當不錯，砲管不能做的太重，因為要不停高速轉動，以對付多個目標，或得到多發先後發射但同時彈著的加強殺傷力效果，射程必須能夠調整，故電流必須有分流機構，藉降低電流以減少射程(系統電壓不易調整)。 軌道砲技術也與IC有關，因為它射程長達數百公里，需要一能能耐數萬G加速度，又能接收GPS，衛星導航，及終端毫米波雷達主動導引或光學視別目標的電子IC技術，裝在一個遠比飛彈頭小的空間裏，且耗電要少。 目前軌道砲載以海基最接近實現，但以臺灣的特殊戰略戰術環境，在鐵軌上運用已應納入考量，因為台鐵本身就有3KV的高壓電供電，功率可達數MW，鐵軌載100噸重的列車並無問題，若以電能建構臺灣網能成型，則需要核四運轉；然而核動力航艦無疑是軌道砲的最佳動力來源，其源源不盡的電力，可以支撐一載台數座軌道砲的能量需求。 學術研究

23 結論 軌道砲的出現，已對戰艦設計產生了影響，新的DDX1000就捨棄了艦艏的Mark 41垂直發射系統，改以艦週傾斜發射系統來替代，以騰出艦艏空間，為未來改裝軌道砲預留了改造空間 軌道砲在岸上火力支援運用上，亞音速巡弋飛彈因速度慢，現有軌道砲可於4-5km外予以擊毀，但超音速的彈道飛彈，終端速度界於4-7km/s之間，因速度快難以擊落，以愛國者飛彈(約1.5km/s)去攔截有其困難且造價昂貴；以軌道砲高速發射數高爆彈頭，是有可能在數km高度進行攔截的，當然有待軌道砲的能量與砲口速度的繼續提高，砲口速度至少要與彈道飛彈的終端速度等同。 學術研究

24 心得感想 水面作戰 以艦砲作戰為主，若能配合適切之戰術運動，爭取有利位置與對勢，搭配軌道砲彈速快、精準度高之特性，對敵水面艦艇應可充份發揮其火力及提高殺傷率。 兩棲作戰 可運用先遣作戰之艦砲岸轟任務，在主登陸部隊到達目標區前，對敵灘頭目標區實施攻擊，以摧毀敵近岸地區堅固的戰術要地，有利於後續登陸作戰。 防空作戰 對於敵機、飛彈來襲之空中威脅，軌道砲因射速快、射程遠、及發射足量之彈藥特性，對於艦艇快速反應及持續防空作戰能力較佳。 學術研究

25 心得感想 然就軌道砲就火力而言，雖符合我海軍「遠距精準打擊」作戰需求，及海上作戰「快、準、穩、狠」之基本精神，惟其造價成本昂貴、欠缺海基載台全電力推動系統支援等主要窒礙因素，現階段實施自力研發、採購獲得並部署於我各式主戰艦艇上，難度頗高，仍待審慎評估之。 學術研究

26 簡報完畢 恭請指導 學術研究