導彈電磁彈射系統(tǒng)功能分析與初步設(shè)想?

（火箭軍工程大學 西安 710025）

1 引言

電磁發(fā)射技術(shù)是當今世界各主要軍事大國競相發(fā)展武器發(fā)射技術(shù)之一，它可以突破傳統(tǒng)發(fā)射方式的能量限制，進而實現(xiàn)對大質(zhì)量物體的發(fā)射［1］。電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于導彈武器系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)化學能熱發(fā)射方式的諸多缺點，將極大提高導彈發(fā)射效率，對未來導彈部隊作戰(zhàn)產(chǎn)生重要影響。由于導彈發(fā)射所需推力大，發(fā)射控制要求高，目前國內(nèi)電磁彈射技術(shù)應(yīng)用一導彈武器系統(tǒng)的研究不多，但航母艦載機彈射和無人機彈射技術(shù)已初步實用化［2～6］，可作為研制導彈電磁彈射系統(tǒng)的有效參考。

2 導彈電磁發(fā)射運動模型

導彈電磁發(fā)射系統(tǒng)是一種在垂直方向使用的電磁彈射系統(tǒng)，功能是利用直線電動機產(chǎn)生的電磁力加速導彈至需要的發(fā)射速度。為得到所設(shè)計彈射系統(tǒng)的綜合性能指標，首先需要對導彈電磁彈射系統(tǒng)進行建模和仿真計算。

2.1 運動模型的建立

以導彈垂直發(fā)射為例，建立導彈電磁發(fā)射時的運動學模型。可以將導彈看作是剛體，質(zhì)量為m。假設(shè)導彈在電磁助推階段作勻加速直線運動，加速度為a，經(jīng)過時間t后，助推階段結(jié)束，此時導彈的運動速度為V，助推距離（電磁發(fā)射行程）為S，重力加速度為g。導彈垂直發(fā)射電磁助推過程如圖1所示。

圖1 導彈垂直電磁助推發(fā)射示意圖

圖2 助推階段導彈受力分析示意圖

根據(jù)物體的運動學，導彈的加速度：

導彈的速度：

導彈的位移：

從而可以得到以下參數(shù)：

電磁助推階段導彈所承受的過載數(shù)：

助推時間：

導彈在助推階段所受到的力有：助推器作用在導彈上的電磁推力F，導彈重力G，空氣阻力r和導軌的摩擦力f，導彈受力分析如圖2所示。

根據(jù)牛頓第二定律：

2.2 相關(guān)參數(shù)計算與仿真

考慮到助推過程中導軌的摩擦力和空氣阻力、電磁發(fā)射系統(tǒng)本身的能量轉(zhuǎn)換效率及能量釋放不完全等因素，假設(shè)電磁發(fā)射系統(tǒng)所儲能量轉(zhuǎn)換為導彈能量的效率為η。表1是η取不同值時，某電磁發(fā)射系統(tǒng)需要具備的基本性能參數(shù)。

表1 不同能量轉(zhuǎn)換效率下的基本性能參數(shù)

2.3 相關(guān)參數(shù)的擴展討論

由式（7）可以看出，在不考慮能量損失的情況下，電磁發(fā)射系統(tǒng)需提供的能量最終轉(zhuǎn)換為了導彈的動能和重力勢能兩大部分。下面主要討論初始參數(shù)，即導彈質(zhì)量m、助推距離S和出筒速度V與電磁發(fā)射系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的變化和影響關(guān)系。

圖3 導彈助推距離、出筒速度與過載間的關(guān)系

在不同的助推距離下，助推階段導彈所承受的過載n與助推距離S和出筒速度V之間的關(guān)系如圖3所示。

在不同的助推距離下，助推器所提供的推力F與助推距離S和出筒速度V之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 導彈助推距離、出筒速度與推力間的關(guān)系

由導彈出筒速度所體現(xiàn)的導彈動能，占據(jù)了電磁發(fā)射系統(tǒng)能量最主要的部分。增加助推距離，能量需求的增加僅為導彈的重力勢能。在相同的出筒速度下，助推距離的改變，對電磁發(fā)射系統(tǒng)能量需求的影響較小。因此，從能量角度來考慮，導彈助推距離對電磁發(fā)射的影響較小。

假設(shè)能量的轉(zhuǎn)換效率為60%，在不同的助推距離S下，導彈出筒速度V與所需功率P之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 導彈助推距離、出筒速度與所需功率間的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著助推距離的增加，電磁系統(tǒng)的功率需求會大大減少。因此從功率角度考慮，導彈助推距離對電磁發(fā)射系統(tǒng)的功率有重大影響。綜合圖3和圖4可以看到，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能增加導彈的助推距離。

3 導彈電磁發(fā)射系統(tǒng)功能分析

3.1 電能供應(yīng)能力

機動發(fā)射是提高導彈生存能力的重要途徑，因此電磁發(fā)射系統(tǒng)需要具備獨立的能量供應(yīng)能力，確保在需要的時間內(nèi)給導彈彈射時提供足夠的能量。

3.2 能量快速儲放能力

在助推發(fā)射階段，導彈自身的動能完全來自于電磁發(fā)射系統(tǒng)，電能快速儲存并有效釋放與轉(zhuǎn)換為導彈動能是電磁發(fā)射系統(tǒng)需要具備的最基本的能力之一［5～6］。導彈電磁發(fā)射系統(tǒng)的最主要的功能是將電能轉(zhuǎn)換為導彈的動能，為導彈提供必要的初始速度。

可以看出，彈射階段導彈在短時間內(nèi)（約1s）需要巨大的能量，直接供電的情況下電網(wǎng)無法承受如此巨大的負荷（按380V的動力電源計算，電網(wǎng)需要的提供的穩(wěn)態(tài)瞬時電流高達12萬安），供電強度極不匹配，必須進行儲能。使用儲能裝置，可以在發(fā)射前儲備足夠的能量，發(fā)射時將儲能裝置中的能量在要求的時間內(nèi)釋放出來，以滿足導彈彈射助推階段的能量需求。所以電磁發(fā)射系統(tǒng)本身要具備強大的能量儲備能力和快速的能量釋放能力。

3.3 電力控制和安全監(jiān)測能力

在將電能轉(zhuǎn)換為導彈機械能的過程中，瞬時功率要求非常大（兆瓦級），需要對電磁發(fā)射系統(tǒng)中的電氣推進部件進行協(xié)調(diào)，因此電磁發(fā)射系統(tǒng)還需要具備相應(yīng)的電力分配、規(guī)劃、輸送和電力安全保證等能力。

電磁發(fā)射系統(tǒng)在導彈彈射助推過程中，需要根據(jù)導彈參數(shù)和環(huán)境的變化完成助推參數(shù)的調(diào)整，既保證將導彈所承受的過載控制在一定范圍內(nèi)，又確保導彈在助推結(jié)束后達到所需要的初始速度。同時，電磁發(fā)射系統(tǒng)還需要擔負整個電磁發(fā)射系統(tǒng)的故障預(yù)警和報警任務(wù)。因此，電磁發(fā)射系統(tǒng)需要具備電能供應(yīng)、快速儲電、瞬時放電、能量轉(zhuǎn)換、調(diào)控和監(jiān)測等五大能力。

圖6 電磁發(fā)射系統(tǒng)的基本功能

4 導彈電磁彈射系統(tǒng)初步設(shè)計

根據(jù)電磁發(fā)射系統(tǒng)所應(yīng)具備的基本功能要求，通過分析可以得到電磁發(fā)射系統(tǒng)的基本構(gòu)成。對系統(tǒng)進行設(shè)計時，在滿足功能目標的同時，還要充分考慮實際作戰(zhàn)運用下對系統(tǒng)體積質(zhì)量的要求。技術(shù)上要從現(xiàn)有實際出發(fā)，也可適當超前，防止出現(xiàn)設(shè)計完成即已技術(shù)落后的現(xiàn)象。

4.1 電源子系統(tǒng)

按現(xiàn)有條件和實戰(zhàn)要求，電源系統(tǒng)可由柴油發(fā)電機組和民用動力電源加變電設(shè)備組成，在規(guī)定的時間內(nèi)為強迫儲能子系統(tǒng)提供足夠的電能。柴油發(fā)電機組在無外接電源的情況下使用，為導彈發(fā)射提供獨立的能量來源，保證導彈的獨立與機動發(fā)射。在有外接民用動力電源的情況下，經(jīng)變電及供配電設(shè)備后，供電磁發(fā)射系統(tǒng)使用。根據(jù)文章初步計算，可采用輸出功率為20kW的柴油發(fā)電機作為移動式電源系統(tǒng)，經(jīng)過變電設(shè)備后控制輸出電流達到一定的電壓和電流值（如1000V，16A）即可基本滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)短時間對儲能系統(tǒng)的充電。

4.2 儲能子系統(tǒng)

由于導彈電磁助推階段時間短，能量需求巨大，在目前條件下，無法利用現(xiàn)有電力系統(tǒng)完成導彈發(fā)射時所需能量的實時供給，必須依靠強迫儲能子系統(tǒng)將所需電能事先儲存起來，在導彈彈射時完成在要求時間內(nèi)的電能釋放，它要求在1s內(nèi)或更短時間內(nèi)提供一個高功脈沖電流?？疾飕F(xiàn)有的儲能技術(shù)，在符合高功率密度、使用壽命和實體體積質(zhì)量的情況下，較好的方案是采用超級電容進行儲能。超級電容是一種根據(jù)雙電層理論所提出的新型電容器，性能穩(wěn)定，使用壽命長，充放電速度非?？欤瑔蝹€電容容量遠大于傳統(tǒng)電容器［7～11］。但超級電容存在單體電壓耐性差的問題，可采取多級超級電容進行串并聯(lián)組合的方式提高總輸出電壓和電流［12］可以實現(xiàn)大容量高功率的要求。圖7為超級電容儲能陳列示意圖。

圖7 超級電容儲能陣列示意圖

4.3 導彈電磁助推子系統(tǒng)

導彈電磁助推子系統(tǒng)接收來自強迫儲能系統(tǒng)的電能，通過電力電子系統(tǒng)的分配調(diào)節(jié)，按時序和功率等要求將電能輸送至導彈電磁助推子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電磁推力，電磁助推子系統(tǒng)電磁推力做功轉(zhuǎn)換成導彈機械能，逐步加速導彈到需要的速度。電磁助推子系統(tǒng)的核心直線彈射電機，目前適用于電磁彈射系統(tǒng)的彈射電機主要包括直線感應(yīng)電機和直線同步電機兩種，其中直線同步電機又分為永磁型和超導勵磁型同［13］。直線感應(yīng)電機可以設(shè)計強固的次結(jié)構(gòu)，次級導電板與發(fā)射體質(zhì)量比很小，環(huán)境耐受性良好，運行可靠，但其工作電流大，功率因數(shù)偏低。永磁直線同步電機功率因數(shù)高、推力密度大，但永磁體加工裝配困難，磁體存在退磁問題，輸出推力較大時動子尺寸較大。超導勵磁直線同步電機功率因素最高，電力電子變換裝置尺寸最小、成本最低，但超導線圈對溫度要求高，維護困難，為維護低溫使得次級質(zhì)量大較［14～20］。

綜上分析，直線感應(yīng)電機在動子制動以及與現(xiàn)有大功率開關(guān)器件的匹配程度方面比另外兩種電機更有優(yōu)勢，因此電磁助推子系統(tǒng)方案選擇直線感應(yīng)電機。電機采用長初級短次級雙邊直線感應(yīng)電機。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，直線電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)還需經(jīng)過科學的設(shè)計，以達到推力的穩(wěn)定輸出和對彈射速度及位置的精確控制。

4.4 其他子系統(tǒng)

電力電子與自動控制子系統(tǒng)：電力電子變換系統(tǒng)的主要作用是從儲能系統(tǒng)獲取電能，實現(xiàn)助推系統(tǒng)的分段供電策略和彈射器速度與位移控制［11］。位置和速度檢測裝置可采用光柵尺和激光測速測距等［21］，利用反饋信息，可設(shè)計PID閉環(huán)的速度與位移控制，或采用自律分散控制技術(shù)進行自動控制等。

狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)：狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)通過實時監(jiān)測電磁發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)與健康狀態(tài)，判斷電磁發(fā)射系統(tǒng)能否完成發(fā)射任務(wù)，進行故障報警和剩余壽命預(yù)測，同時擔負整個電磁發(fā)射系統(tǒng)的狀態(tài)顯示與故障報警任務(wù)，將電磁發(fā)射系統(tǒng)的實時狀態(tài)反饋給電力電子與自動控制子系統(tǒng)。作為附屬子系統(tǒng)，其所起的作用并不亞于其他子系統(tǒng)，是整個導彈電磁彈射系統(tǒng)可靠性安全性的關(guān)鍵。狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警處理的科學設(shè)計也是導彈電磁彈射系統(tǒng)整體設(shè)計的重要組成部分。

5 結(jié)語

導彈電磁彈射系統(tǒng)的設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要考察作戰(zhàn)需求和相關(guān)技術(shù)、工藝發(fā)展現(xiàn)狀等多方面因素。本文通過建模和仿真計算，對系統(tǒng)進行了功能分析和初步設(shè)計，在可能條件下，增加助推行程可較明顯地改善彈射器推力與過載數(shù)、發(fā)射速度的矛盾，降低設(shè)計難度。生活用電、工業(yè)用電和大功率發(fā)電機，通過變壓等方式，可以實現(xiàn)彈射器的有效能源供給。超級電容是導彈電磁彈射器儲能裝置較好的選擇，其主要困難在于體積質(zhì)量較大，還需要相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展。直線感應(yīng)電機可作為導彈電磁彈射系統(tǒng)驅(qū)動裝置。為保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，需要對導彈電磁彈射用直線電機進行科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)開發(fā)。