艦載導彈電磁垂直發射裝置電源系統仿真

李偉波,曹延杰,曲東森,金洪波

(海軍航空工程學院,山東煙臺 264000)

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艦載導彈電磁垂直發射裝置電源系統仿真

李偉波,曹延杰,曲東森,金洪波

(海軍航空工程學院,山東煙臺 264000)

艦載導彈電磁垂直發射系統是一種具有重要應用前景的新概念艦載導彈發射系統,電源系統是其中的研究重點,通過分析艦載導彈電磁垂直發射系統的原理、組成及工作流程,針對電磁線圈發射艦載導彈指標的需求,研究并得出了發射器發射能量、發射器效率、充電電壓與電容量關系,通過仿真計算完成了充電機參數的設計,增強了艦載導彈電磁垂直發射系統的艦載電源的可靠性,為其工程化提供了支持。

導彈電磁垂直發射系統;能量;電容器;電源

0 引言

電磁線圈發射器是一種新概念電能發射器,與傳統的化學能發射方式相比電磁線圈發射是一種將電能轉換為載荷發射動能的技術[1],符合未來全電推進艦艇對裝備的發展要求,有利于艦載裝備系統的綜合保障工作。

艦載導彈電磁發射系統(electromagnetic vertical launcher for shipborne missile,EMVLSM)的優點如下[2]:

一是發射過程精確可控。

二是電磁線圈發射系統的發射載荷質量可調,發射載荷速度可變,易于實現裝備的共架發射。

三是發射精度高,發射速率快。電磁線圈發射器的工作時間一般為毫秒量級,易于連續快速發射導彈。

四是易于實現模塊化。

電磁發射技術的技術優點能夠有效滿足艦載平臺導彈發射的軍事需求,因此將電磁線圈發射技術應用于艦載平臺導彈發射具有廣闊的應用前景。但同時,電磁發射技術因為技術上的難點,使得電磁發射裝置應用于艦載平臺大載荷發射存在許多待解決的關鍵技術問題,其中電源系統是其中重點研究方向之一。

1 EMVLSM系統工作原理

EMVLSM系統工作原理如圖1所示[3]。發射器實際上是由多個感應驅動線圈串列而成的,各級驅動線圈由相應的控制電路來驅動,首先閉合第一級驅動線圈的控制開關,電容器對第一級驅動線圈放電,圓筒電樞感應出與驅動線圈方向相反的電流,發射組件在洛倫茲力的作用下產生一定的初速度,當發射組件到達第二級驅動線圈的觸發位置后,觸發第二級驅動線圈的控制電路,由第二級的電容器對第二級驅動線圈放電,實現對發射組件的再加速,然后發射組件經過各級驅動線圈的加速到達指定的速度。

圖1 電磁線圈彈射器發射過程

2 EMVLSM系統組成

2.1 EMVLSM系統基本組成及工作流程

EMVLSM系統主要包括多單元電磁線圈發射器、武器控制系統、發射控制器、電源系統以及數據總線、信號線、脈沖電流總線。

圖2 艦載導彈電磁垂直發射彈射系統

武器控制系統提供目標和飛行信息并向發射控制器發送開火指令,發射控制器通過數據總線向導彈發送目標和飛行信息,同時通過信號線向功率系統發送充電指令,電源系統通過脈沖電流總線給驅動線圈提供脈沖電流,電源系統還可以通過功率回收總線將系統產生的剩余能量回收,如圖2所示。

2.2 電源系統組成

電源系統如圖3所示,主要由功率控制器、電流控制器、儲能設備、電力系統、脈沖電流總線和信號線組成。EMVLSM的電源系統所需電源主要取決于由導彈發射的頻率,發射不同類型導彈需要的能量和系統整體效率來決定。這在很大程度上依賴于高功率脈沖電源的發展。目前,高功率脈沖電源包括多種類型,如:脈沖交流發電機系統、電感儲能系統、電容器系統等。它們將慣性能和化學能等多種形式的能量分別轉化為EMVLSM系統所需的電能。

電磁發射裝置發射導彈為大載荷載體,一般需要電容器組供能幾兆焦,發射數枚導彈則需要幾十兆焦的能量,需要大功率的能量來源和充電設備,受電容器儲能密度的限制,研究發射器發射能量、發射器效率、充電電壓與電容量之間的關系,盡量降低對電容器儲能密度的要求具有重要意義。同時為了滿足多批次快速發射任務的要求,需要為電容器組快速充電,這對電容器充電速率提出了較高的要求。

圖3 電源系統

3 EMVLSM的電源系統分析

電源系統是EMVLSM系統的重要組成部分,是影響系統工程化的重要因素,其中電容器和充電機的性能參數是電源系統的核心技術,本節通過仿真軟件的計算對電容器和充電器的設計進行研究。

結合EMVLSM發射對象的需求,確定仿真實驗的發射對象的參數設計。下一步要根據發射任務,確定EMVLSM系統電容器和充電機的參數,以滿足發射載荷所需要的電能。

3.1 電容器參數仿真研究

假設對于載荷質量范圍500～2 000 kg,初速度要求達到20～35 m/s的發射任務,需要的發射動能如圖4所示。

圖4 發射載荷質量、速度與動能關系

從圖中可以看出,發射500 kg載荷,初速度達到20 m/s時需要初動能為0.1 MJ,發射2 000 kg載荷,初速度達到35 m/s需要動能為1.225 MJ,發射動能變化范圍為0.1～1.225 MJ。當電磁線圈發射器的電磁-動能轉化效率分別為10%時,質量和速度與需要電源提供的電能的關系如圖5所示。

圖5 發射質量、發射初速度與供能關系

從圖中可以看出,提高電磁線圈發射器的能量轉換效率,能夠有效降低電磁發射器電源系統的供能要求。

圖6為不同發射能量要求,不同發射器能量轉換效率,5級發射器電容器參數(各級電容器充電電壓和電容量相同)選擇關系。圖7為5級發射器給定電容器充電電壓條件下,發射能量、發射器效率與電容量之間的選擇關系。

圖6 發射器發射能量、發射器效率、充電電壓與電容量關系

圖7 發射器發射動能、發射器效率與電容器電容量關系

通過仿真計算可以證明如果增加發射器級數,能夠降低各級電容器的儲能。當給定發射載荷所需動能時,增大電容器充電電壓,提高發射器效率,可有效降低電容量參數值。給定電容器額定充電電壓值,可以通過選擇適當的電容量和發射器效率,來滿足不同發射初動能的要求。

3.2 充電機參數仿真研究

高壓充電機是脈沖功率電容器組的充電設備,對于多個電磁線圈發射器,合理配置充電機數量,需要綜合考慮艦載平臺的供電功率、電容器組數量、充電機的輸出功率。圖8為滿足發射動能1.225 MJ指標條件下,充電機輸出功率與充電時間的關系曲線。從圖中可看出,當充電機的輸出功率達到30 kW時,充電時間趨于平穩。

如果設定發射載荷質量650 kg,發射初速度20 m/s,發射載荷數量32個時,發射器發射效率10%,平臺供電功率100 kW,不同充電機輸出功率(10～90 kW)條件下,充電機數量、電容器組數量與充電時間的關系如圖9所示。

圖8 充電功率與時間的關系

圖9 電容器組、充電機數量與充電時間關系

從圖中可以看出,給定艦載平臺供電功率,充電機輸出功率,電源能量需求,存在最佳的充電機與電容器組電源模塊數量。

表1是在給定100 kW供電功率,充電機輸出功率在20～100 kW范圍內,通過仿真計算得到的最佳充電機數量、電容器組數量和充電時間表。

表1 充電機數量和電容器組數量

4 結論

文中針對EMVLSM發射對象的需求,通過分析EMVLSM系統組成和電源系統,著重研究了電容器和充電機參數,利用仿真計算對發射器發射能量、發射器效率、充電電壓與電容量關系,電容器組、充電機數量與充電時間關系進行了深入研究,得到了最佳充電機數量、電容器組數量和充電時間表,為EMVLSM的電源系統設計提供了指標參數設計方案。

[1] 王瑩, 馬富學. 新概念武器原理 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1997.

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Simulation on Power System of Electromagnetic Vertical Launcher for Shipborne Missile

LI Weibo,CAO Yanjie,QU Dongsen,JIN Hongbo

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264000, China)

Electromagnetic vertical launcher for shipborne missile is a promising innovative missile launching system; its power supply system is the focus of research. By analyzing the principles, composition and working process of shipborne missile vertical launch system, according to electromagnetic coil launch index, all of launcher energy, transmitter efficiency, the relationship between charge voltage and capacitance was got. Through simulation, design of charger parameters was completed, reliability of shipboard power of shipborne missile electro-magnetic vertical launch system was enhanced, providing reference data for the engineering.

electromagnetic vertical launcher for missile; energy; capacitor; power supply

2014-12-10

李偉波(1981-),男,山東招遠人,講師,博士研究生,研究方向:海軍航空、導彈裝備發展研究。

TM306

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