基于車載電磁無人機彈射系統(tǒng)的研究

摘 要：車載電磁彈射系統(tǒng)是一種新興的發(fā)射優(yōu)化系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)彈射技術(shù)的重大突破，改變了常規(guī)的發(fā)射方式。電磁彈射應用電磁能驅(qū)動物體，就是采用電磁的能量來推動被彈射的物體向外運動，理論分析證明，其可以對大型物體進行高速彈射。電磁軌道炮的理論研究加速了電磁彈射理論的發(fā)展，而車載無人機的發(fā)展也有較大的利用價值，車載電磁無人機彈射技術(shù)就是在此背景下結(jié)合兩者長處開始發(fā)展應用的，具有隱蔽性好、通用性強、維護方便、戰(zhàn)場適應性好、機動靈活、可靠性高等優(yōu)點。本文以單極感應線圈炮為驅(qū)動裝置組成的車載電磁無人機彈射系統(tǒng)方案進行模擬分析、計算，并通過原理試驗理論驗證了該方案的可行性，具有一定的理論價值，確定車載電磁無人機彈射技術(shù)是可行的且優(yōu)點明顯的。

關鍵詞：電磁彈射 車載無人機 單極感應線圈

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0057-01]

無人機電磁彈射起飛技術(shù)作為一種新概念的無人機發(fā)射技術(shù)，其本質(zhì)是基于直線電機原理，大多數(shù)車載無人機的發(fā)射質(zhì)量一般都在1000 kg以內(nèi)，發(fā)射速度一般低于80 m/s，對這樣的發(fā)射質(zhì)量和發(fā)射速度，目前的直線電機技術(shù)和高功率脈沖電源技術(shù)完全能為工程應用提供技術(shù)保障，因此，采用電磁彈射起飛方式發(fā)射車載無人機在技術(shù)上是可行的。

1 單級感應線圈炮的原理

首先把單級感應線圈炮的發(fā)射線圈和彈體都簡化為兩個直徑相同且同軸排列的電流環(huán)（如圖1所示）。當發(fā)射線圈a中通過一個上升電流i0時，發(fā)射線圈周圍的磁場強度也會上升，導致通過彈體b的磁通量增加。由楞次定律可知彈體b中會感應出一個電流i1，并且此電流所產(chǎn)生的磁場是阻礙彈體b中磁通繼續(xù)增加的，也就是說此電流與發(fā)射線圈a中的電流方向相反，彈體b中的感應磁場與發(fā)射線圈a中磁場方向也相反。它們之間是相互排斥，由于發(fā)射線圈固定，所以彈體向著受力方向加速前進。

2 車載電磁彈射系統(tǒng)中的車載電氣系統(tǒng)

2.1 超導儲能分系統(tǒng)

車載電磁無人機彈射器彈射無人機時，要在極短的時間內(nèi)釋放能量，已達到瞬間爆發(fā)推力的效果，所以就要把能量先儲存起來，在彈射器工作時釋放出來，儲存能量的裝置有很多，該系統(tǒng)采用超導磁儲能裝置，就是利用超導材料制成的線圈，由電網(wǎng)經(jīng)變流器供電勵磁，在線圈中產(chǎn)生磁場而儲存能量，在需要時可將此能量經(jīng)逆變器進回電網(wǎng)或作其他用途。如儲能線圈一直維持在超導態(tài)，則線圈中所儲存的能量可以幾乎是無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放它為止。因此，與其他儲能系統(tǒng)相比，超導磁儲能裝置具有很高的轉(zhuǎn)換效率（可達95%）和較快的反應速度（可達幾毫秒）。正因為如此，該裝置可以達到高效率儲存能量和穩(wěn)定系統(tǒng)的作用。

2.2 電力自動調(diào)節(jié)分系統(tǒng)

電力自動調(diào)節(jié)分系統(tǒng)是把輸入的電源按照要求變換成彈射電機所需要的形式，同時根據(jù)工作要求自主提供不同大小的能量。把超導儲能裝置中輸出的電流進行釋放和調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)實驗中電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)要在高壓下短時間（微秒級）產(chǎn)生強脈沖電流，作用于感應式彈射電機分系統(tǒng)。

2.3 彈射電機分系統(tǒng)

彈射電機分系統(tǒng)是車載電磁無人機彈射系統(tǒng)的核心部分，它把輸入的電能轉(zhuǎn)換為無人機動能，從而推動無人機在一定距離內(nèi)加速至彈射速度的功率執(zhí)行部件。本系統(tǒng)中采用感應式直線電動機（單級感應線圈裝置）作為驅(qū)動裝置，其原理見上文。原理試驗時采用的是內(nèi)動子式直線感應電機，系統(tǒng)實際運行時需要選用外動子式直線感應電機，兩者運行機理相同，但做系統(tǒng)設計時要充分考慮其特殊性。

3 車載電磁彈射系統(tǒng)中的電磁機械系統(tǒng)

3.1 滑行小車系統(tǒng)

滑行小車系統(tǒng)是在彈射架系統(tǒng)上的主要結(jié)構(gòu)，其作用是作為車載無人機的彈射載體，小車和無人機進行鎖閉，在彈射末端進行釋放工作，可以看做是電磁力的傳輸裝置。

3.2 緩沖吸能系統(tǒng)

緩沖吸能系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的剎車裝置，在無人機電磁彈射系統(tǒng)中的功能是：當無人機加速到安全起飛速度時，滑行小車的動能由緩沖吸能系統(tǒng)吸收，同時無人機則和滑行小車分離起飛。緩沖吸能分系統(tǒng)可以由水渦輪、攔阻鋼絲繩、剎車鼓輪、導向滑輪、緩沖橡膠墊和彈簧緩沖器等組成，這樣組成的緩沖吸能系統(tǒng)具有效率高、沒有反彈、無需專門控制的特點。其中水渦輪作為主要吸能裝置，吸收滑行小車的大部分動能，緩沖時滑行小車在攔阻鋼絲繩作用下，帶動水渦輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，滑行小車動能轉(zhuǎn)換為水渦輪工作介質(zhì)的內(nèi)能。彈簧緩沖器作為輔助吸能裝置，吸收滑行小車經(jīng)水渦輪緩沖后未能完全被吸收的剩余動能。在彈簧緩沖器工作過程中，滑行小車的動能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢能及橡膠套的勢能。

4 結(jié)語

通過分析，單級感應線圈的原理是可行的，然而在實際操作中，需要著力解決的問題是發(fā)射距離及發(fā)射初速度之間矛盾、滑動小車在軌道中的制動、滑動小車和軌道的散熱問題、電機結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子與滑動小車的的咬合缺陷，以及電樞與驅(qū)動小車的一體化設計。相信隨著電磁發(fā)射技術(shù)及相關技術(shù)的不斷成熟，無人機電磁彈射系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。

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