一種新型艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射技術(shù)①

鄒本貴，曹延杰，孫學(xué)鋒，單岳春，薛魯強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院 指揮系，煙臺(tái) 264001)

0 引言

艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，其發(fā)射方式主要有“熱”發(fā)射和“冷”發(fā)射［1－3］?！盁帷卑l(fā)射也稱自推力發(fā)射，是一種利用導(dǎo)彈固體助推火箭將導(dǎo)彈從發(fā)射裝置中垂直推出的一種發(fā)射方式。該發(fā)射方式必須有一套處理火箭燃?xì)獾膹?fù)雜排導(dǎo)系統(tǒng);在發(fā)射過(guò)程中會(huì)排出高溫、高速、強(qiáng)腐蝕性的燃?xì)?，威脅發(fā)射平臺(tái)和發(fā)射陣地，并產(chǎn)生大量煙霧，不利于發(fā)射平臺(tái)和發(fā)射陣地的隱蔽?！袄洹卑l(fā)射又稱為外動(dòng)力發(fā)射，是一種利用導(dǎo)彈以外的動(dòng)力(燃?xì)?將導(dǎo)彈彈射出發(fā)射筒，離開甲板一定安全高度后，再由導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)在空中點(diǎn)火的一種發(fā)射方式。該發(fā)射方式發(fā)射導(dǎo)彈型號(hào)單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用化。

為有效減輕或解決上述問(wèn)題，降低導(dǎo)彈發(fā)射成本，提出一種新型艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置——艦載導(dǎo)彈線圈發(fā)射器(electromagnetic coil launcher for shipborne missile，EMCLSM)，它利用電磁線圈發(fā)射技術(shù)把電能轉(zhuǎn)換為導(dǎo)彈的動(dòng)能，將導(dǎo)彈從垂直發(fā)射筒彈出一定高度后，導(dǎo)彈的主發(fā)動(dòng)機(jī)再點(diǎn)火［4］。EMCLSM既克服“熱”發(fā)射的缺點(diǎn)，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)“冷”發(fā)射的不足。與“熱”發(fā)射方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn):一是利用電能發(fā)射大質(zhì)量物體，噪聲低、后坐力小，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和煙霧，消除了燃?xì)饣鹧娴燃t外特征，具有良好的隱蔽性;二是消除了艦載導(dǎo)彈化學(xué)能發(fā)射所產(chǎn)生的大量高溫、高速燃?xì)鈱?duì)艦船設(shè)備的危害，無(wú)需復(fù)雜的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)，減小了垂直發(fā)射裝置的體積和重量。與“冷”發(fā)射方式相比，克服了發(fā)射導(dǎo)彈型號(hào)單一的不足;可以根據(jù)發(fā)射目標(biāo)的性質(zhì)和要求，通過(guò)改變發(fā)射線圈的級(jí)數(shù)和脈沖功率電源的儲(chǔ)能發(fā)射多種型號(hào)的導(dǎo)彈，易實(shí)現(xiàn)通用化。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和洛克希德·馬丁公司通過(guò)合作研究和發(fā)展協(xié)議共同開發(fā)設(shè)計(jì)了這種新型的導(dǎo)彈助推裝置，并于2004年12月14日利用EMCLSM成功地將649 kg重的試驗(yàn)樣機(jī)推進(jìn)到7.3 m的高度，最大速度達(dá)到12 m/s，充分展示了EMCLSM助推導(dǎo)彈的應(yīng)用潛能，同時(shí)展現(xiàn)了電力驅(qū)動(dòng)武器系統(tǒng)的美好前景［5－6］。

本文首先闡述EMCLSM的基本組成和工作原理，根據(jù)工作原理建立其數(shù)學(xué)模型，以某型導(dǎo)彈為發(fā)射目標(biāo)，利用三級(jí)EMCLSM對(duì)其發(fā)射過(guò)程進(jìn)行仿真，探索發(fā)射器工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證EMCLSM能否實(shí)現(xiàn)該型導(dǎo)彈的垂直發(fā)射。

1 EMCLSM結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

EMCLSM主要由脈沖功率電源、開關(guān)、彈射線圈、驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射組件(電樞與導(dǎo)彈)及觸發(fā)控制電路等組成，如圖1所示。

圖1 EMCLSM結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Components of EMCLSM

由于彈射線圈與電樞的磁耦合更緊密，在相同電流作用下，彈射線圈較驅(qū)動(dòng)線圈能產(chǎn)生更大的加速力，發(fā)射組件能以更高的速度進(jìn)入第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈，減少了發(fā)射線圈級(jí)數(shù)，降低了同步控制的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)，且工程上易于實(shí)現(xiàn)。該發(fā)射器結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)了國(guó)防專利［7］。

1.2 工作原理

EMCLSM中的彈射線圈和每級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈都有各自獨(dú)立的脈沖功率電源饋電。當(dāng)彈射線圈回路開關(guān)閉合時(shí)，彈射線圈在脈沖電流的作用下產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使發(fā)射組件中的電樞產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力推動(dòng)導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)到第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的最佳觸發(fā)放電位置時(shí)，給第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈饋電，電樞中感應(yīng)出的渦流與驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)發(fā)射組件繼續(xù)向上加速運(yùn)動(dòng)。依此類推，導(dǎo)彈被一系列發(fā)射線圈不斷加速，直至達(dá)到導(dǎo)彈的發(fā)射要求。

2 EMCLSM數(shù)學(xué)模型

2.1 等效電路方程

EMCLSM電磁發(fā)射過(guò)程中的等效電路如圖2所示。為消除回路中的反向電流，在回路中加入了續(xù)流硅堆D。因?yàn)閺椛渚€圈和驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)電樞的作用原理相同，為便于書寫，文中統(tǒng)稱為發(fā)射線圈，且依次編號(hào)為第m級(jí)發(fā)射線圈(m=1，2，…，n)。

圖2 EMCLSM等效電路Fig.2 Equivalent circuit of EMCLSM

圖2中脈沖功率電源為電容器組。其中，Um0和Cm是第m級(jí)電容器組初始充電電壓和電容量;Rm為第m級(jí)放電回路固有電阻(包括電容器電阻、放電開關(guān)電阻和接線電阻);Lm為第m級(jí)放電回路固有電感(包括電容器電感、放電開關(guān)電感和接線電感);Rdm和Ldm分別為第m級(jí)發(fā)射線圈的電阻和電感;Rp和Lp分別為電樞的電阻和電感;Mdmp為第m級(jí)發(fā)射線圈與電樞之間的互感;K為開關(guān);v為導(dǎo)彈速度。

某一時(shí)刻t，當(dāng)給第m級(jí)發(fā)射線圈饋以脈沖電流時(shí)，其等效電路方程如下:

2.2 動(dòng)力學(xué)方程

力是儲(chǔ)存能量在運(yùn)動(dòng)中的變化率，即在運(yùn)動(dòng)方向上的能量梯度［8］。儲(chǔ)存在EMCLSM載流導(dǎo)體中的磁能與系統(tǒng)的電感有關(guān)。理想情況下，EMCLSM中的總儲(chǔ)能:

如果發(fā)射組件沿z方向運(yùn)動(dòng)(忽略空氣阻力的影響)，自感項(xiàng)磁能不變化，只有互感項(xiàng)磁能隨z變化。因?yàn)閷?dǎo)彈垂直向上運(yùn)動(dòng)，所以要克服自身重力的作用，設(shè)發(fā)射組件的總質(zhì)量為mp，t時(shí)刻作用在發(fā)射組件上沿z方向的合力:

由式(4)可看出，要得到發(fā)射組件沿z方向的推力，只需要計(jì)算發(fā)射線圈與電樞沿z方向上的互感梯度。在EMCLSM系統(tǒng)中，發(fā)射線圈和電樞均可等效為理想的軸對(duì)稱空心圓柱線圈，2個(gè)空心圓柱線圈之間的互感和互感梯度，可使用等效圓環(huán)線圈法進(jìn)行計(jì)算［9－10］。

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

由EMCLSM的動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)牛頓定律可得發(fā)射組件的加速度:

t時(shí)刻發(fā)射組件的速度:

t時(shí)刻發(fā)射組件的位移:

EMCLSM系統(tǒng)的電路方程、動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程構(gòu)成了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為研究EMCLSM工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性奠定了理論基礎(chǔ)。

3 EMCLSM工作過(guò)程仿真

3.1 物理模型及系統(tǒng)初始參數(shù)

EMCLSM物理模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)和外置電路參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

以建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，物理模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)為初始條件，仿真得出放電回路中的電流、發(fā)射組件所受的電磁力、速度和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4～圖7所示。

由圖4可見，彈射線圈中峰值電流小于驅(qū)動(dòng)線圈的峰值電流，主要是由于彈射線圈的匝數(shù)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)，所以彈射線圈的自感和電阻較大，故在相同回路參數(shù)的激勵(lì)下，電流峰值較小。

圖3 EMCLSM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of EMCLSM

表1 EMCLSM結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路參數(shù)Table 1 Structure and circuit parameters of EMCLSM

由圖5可見，3級(jí)發(fā)射線圈對(duì)發(fā)射組件的作用力依次減小，彈射線圈對(duì)發(fā)射組件的作用力遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)線圈的作用力，主要源于彈射線圈與電樞的磁耦合更緊密，這也說(shuō)明了在EMCLSM底部加注彈射線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)于全是驅(qū)動(dòng)線圈的EMCLSM結(jié)構(gòu)。同樣結(jié)構(gòu)的第2級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)發(fā)射組件的作用力大于第3級(jí)，主要是因?yàn)殡S著發(fā)射組件速度的增大，精確的觸發(fā)控制難度增大;同時(shí)，電樞在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也阻礙了發(fā)射組件速度的持續(xù)增大。所以，隨著速度的增大，發(fā)射線圈對(duì)發(fā)射組件的加速效果越來(lái)越小。

圖4 放電回路電流隨時(shí)間的變化Fig.4 Current of discharge loop vs time

圖5 電樞受力隨時(shí)間的變化Fig.5 EM force acting on the armature vs time

圖6 發(fā)射組件速度隨時(shí)間的變化Fig.6 Velocity of the launch package vs time

圖7 發(fā)射組件位移隨時(shí)間的變化Fig.7 Displacement of the projectile vs time

從圖6、圖7看出，經(jīng)過(guò)3級(jí)發(fā)射線圈的加速，EMCLSM可將質(zhì)量為700 kg的導(dǎo)彈垂直加速到最大速度為20.79 m/s，滿足導(dǎo)彈的點(diǎn)火要求，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈的垂直發(fā)射。當(dāng)導(dǎo)彈達(dá)到最大速度時(shí)，導(dǎo)彈共運(yùn)動(dòng)了1.6 m的距離。

從EMCLSM整個(gè)發(fā)射過(guò)程看出，EMCLSM的發(fā)射過(guò)程是可通過(guò)改變發(fā)射線圈的級(jí)數(shù)，或改變系統(tǒng)的初始儲(chǔ)能來(lái)控制的。所以，EMCLSM可發(fā)射不同型號(hào)的導(dǎo)彈，易實(shí)現(xiàn)通用化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于電磁線圈發(fā)射技術(shù)的新型艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置(EMCLSM)，建立了發(fā)射器工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。仿真結(jié)果表明，利用該發(fā)射器可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的垂直發(fā)射。具備高儲(chǔ)能密度及快速充放電特性的脈沖功率電源技術(shù)是制約EMCLSM實(shí)用化的關(guān)鍵因素，同時(shí)精確同步控制技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展，將大大提高EMCLSM的發(fā)射效率，拓寬電磁線圈發(fā)射技術(shù)的軍事應(yīng)用領(lǐng)域，并加快其實(shí)用的步伐。

［1］芮守禎，邢玉明.導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展研究［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009(5):4-9.

［2］呂小紅.艦載戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)——未來(lái)海戰(zhàn)的關(guān)鍵［J］.飛航導(dǎo)彈，2006(2):30-33.

［3］譚漢清，田義宏.國(guó)外飛航導(dǎo)彈艦面垂直發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.飛航導(dǎo)彈，2007(4):36-38.

［4］George Raymond Root，JR.Electromagnetic missile launcher［P］.US:US20100089227，Apr.28，2009.

［5］Michael Padilla.Sandia，lockheed martin develop electromagnetic missile launcher for naval shipboard operations［J］.Sandia Lab News，2005，52(2):1-5.

［6］Aubuchont M S，Lockner T R，Turman B N.Results from sandia national laboratories/lockheed Martin electromagnetic missile launcher(EMML)［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(1):75-78.

［7］曹延杰，李瑞鋒，鄒本貴，等.動(dòng)能彈丸電磁線圈發(fā)射器［P］.中國(guó)專利:ZL200810076651.3，2011.12.

［8］王瑩，肖峰.電炮原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995:94-95.

［9］雷銀照.軸對(duì)稱線圈磁場(chǎng)計(jì)算［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991:209-213.

［10］Wu A Y.Parameter studies for traveling wave coaxial launchers［J］.IEEE Transactions on Magnetic，1991，27(1):617-622.