基于車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)的研究

摘 要：車(chē)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(duì)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(yīng)用電磁能驅(qū)動(dòng)物體，就是采用電磁的能量來(lái)推動(dòng)被彈射的物體向外運(yùn)動(dòng)，理論分析證明，其可以對(duì)大型物體進(jìn)行高速?gòu)椛洹ｋ姶跑壍琅诘睦碚撗芯考铀倭穗姶艔椛淅碚摰陌l(fā)展，而車(chē)載無(wú)人機(jī)的發(fā)展也有較大的利用價(jià)值，車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射技術(shù)就是在此背景下結(jié)合兩者長(zhǎng)處開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用的，具有隱蔽性好、通用性強(qiáng)、維護(hù)方便、戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性好、機(jī)動(dòng)靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文以單極感應(yīng)線(xiàn)圈炮為驅(qū)動(dòng)裝置組成的車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)方案進(jìn)行模擬分析、計(jì)算，并通過(guò)原理試驗(yàn)理論驗(yàn)證了該方案的可行性，具有一定的理論價(jià)值，確定車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射技術(shù)是可行的且優(yōu)點(diǎn)明顯的。

關(guān)鍵詞：電磁彈射 車(chē)載無(wú)人機(jī) 單極感應(yīng)線(xiàn)圈

中圖分類(lèi)號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0057-01]

無(wú)人機(jī)電磁彈射起飛技術(shù)作為一種新概念的無(wú)人機(jī)發(fā)射技術(shù)，其本質(zhì)是基于直線(xiàn)電機(jī)原理，大多數(shù)車(chē)載無(wú)人機(jī)的發(fā)射質(zhì)量一般都在1000 kg以?xún)?nèi)，發(fā)射速度一般低于80 m/s，對(duì)這樣的發(fā)射質(zhì)量和發(fā)射速度，目前的直線(xiàn)電機(jī)技術(shù)和高功率脈沖電源技術(shù)完全能為工程應(yīng)用提供技術(shù)保障，因此，采用電磁彈射起飛方式發(fā)射車(chē)載無(wú)人機(jī)在技術(shù)上是可行的。

1 單級(jí)感應(yīng)線(xiàn)圈炮的原理

首先把單級(jí)感應(yīng)線(xiàn)圈炮的發(fā)射線(xiàn)圈和彈體都簡(jiǎn)化為兩個(gè)直徑相同且同軸排列的電流環(huán)（如圖1所示）。當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈a中通過(guò)一個(gè)上升電流i0時(shí)，發(fā)射線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度也會(huì)上升，導(dǎo)致通過(guò)彈體b的磁通量增加。由楞次定律可知彈體b中會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電流i1，并且此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是阻礙彈體b中磁通繼續(xù)增加的，也就是說(shuō)此電流與發(fā)射線(xiàn)圈a中的電流方向相反，彈體b中的感應(yīng)磁場(chǎng)與發(fā)射線(xiàn)圈a中磁場(chǎng)方向也相反。它們之間是相互排斥，由于發(fā)射線(xiàn)圈固定，所以彈體向著受力方向加速前進(jìn)。

2 車(chē)載電磁彈射系統(tǒng)中的車(chē)載電氣系統(tǒng)

2.1 超導(dǎo)儲(chǔ)能分系統(tǒng)

車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射器彈射無(wú)人機(jī)時(shí)，要在極短的時(shí)間內(nèi)釋放能量，已達(dá)到瞬間爆發(fā)推力的效果，所以就要把能量先儲(chǔ)存起來(lái)，在彈射器工作時(shí)釋放出來(lái)，儲(chǔ)存能量的裝置有很多，該系統(tǒng)采用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置，就是利用超導(dǎo)材料制成的線(xiàn)圈，由電網(wǎng)經(jīng)變流器供電勵(lì)磁，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)而儲(chǔ)存能量，在需要時(shí)可將此能量經(jīng)逆變器進(jìn)回電網(wǎng)或作其他用途。如儲(chǔ)能線(xiàn)圈一直維持在超導(dǎo)態(tài)，則線(xiàn)圈中所儲(chǔ)存的能量可以幾乎是無(wú)損耗地永久儲(chǔ)存下去，直到需要釋放它為止。因此，與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置具有很高的轉(zhuǎn)換效率（可達(dá)95%）和較快的反應(yīng)速度（可達(dá)幾毫秒）。正因?yàn)槿绱耍撗b置可以達(dá)到高效率儲(chǔ)存能量和穩(wěn)定系統(tǒng)的作用。

2.2 電力自動(dòng)調(diào)節(jié)分系統(tǒng)

電力自動(dòng)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(jī)所需要的形式，同時(shí)根據(jù)工作要求自主提供不同大小的能量。把超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置中輸出的電流進(jìn)行釋放和調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)要在高壓下短時(shí)間（微秒級(jí)）產(chǎn)生強(qiáng)脈沖電流，作用于感應(yīng)式彈射電機(jī)分系統(tǒng)。

2.3 彈射電機(jī)分系統(tǒng)

彈射電機(jī)分系統(tǒng)是車(chē)載電磁無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)的核心部分，它把輸入的電能轉(zhuǎn)換為無(wú)人機(jī)動(dòng)能，從而推動(dòng)無(wú)人機(jī)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(yīng)式直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)（單級(jí)感應(yīng)線(xiàn)圈裝置）作為驅(qū)動(dòng)裝置，其原理見(jiàn)上文。原理試驗(yàn)時(shí)采用的是內(nèi)動(dòng)子式直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要選用外動(dòng)子式直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)，兩者運(yùn)行機(jī)理相同，但做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其特殊性。

3 車(chē)載電磁彈射系統(tǒng)中的電磁機(jī)械系統(tǒng)

3.1 滑行小車(chē)系統(tǒng)

滑行小車(chē)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(chē)載無(wú)人機(jī)的彈射載體，小車(chē)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行鎖閉，在彈射末端進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的剎車(chē)裝置，在無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)中的功能是：當(dāng)無(wú)人機(jī)加速到安全起飛速度時(shí)，滑行小車(chē)的動(dòng)能由緩沖吸能系統(tǒng)吸收，同時(shí)無(wú)人機(jī)則和滑行小車(chē)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(chē)鼓輪、導(dǎo)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(méi)有反彈、無(wú)需專(zhuān)門(mén)控制的特點(diǎn)。其中水渦輪作為主要吸能裝置，吸收滑行小車(chē)的大部分動(dòng)能，緩沖時(shí)滑行小車(chē)在攔阻鋼絲繩作用下，帶動(dòng)水渦輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，滑行小車(chē)動(dòng)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(chē)經(jīng)水渦輪緩沖后未能完全被吸收的剩余動(dòng)能。在彈簧緩沖器工作過(guò)程中，滑行小車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能及橡膠套的勢(shì)能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，單級(jí)感應(yīng)線(xiàn)圈的原理是可行的，然而在實(shí)際操作中，需要著力解決的問(wèn)題是發(fā)射距離及發(fā)射初速度之間矛盾、滑動(dòng)小車(chē)在軌道中的制動(dòng)、滑動(dòng)小車(chē)和軌道的散熱問(wèn)題、電機(jī)結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子與滑動(dòng)小車(chē)的的咬合缺陷，以及電樞與驅(qū)動(dòng)小車(chē)的一體化設(shè)計(jì)。相信隨著電磁發(fā)射技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。

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