一種水下電磁發(fā)射裝置的設(shè)計思路及分析

楊沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南昆明，650051）

一種水下電磁發(fā)射裝置的設(shè)計思路及分析

楊沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南昆明，650051）

為便于最大限度滿足水下電磁發(fā)射需求，相關(guān)研究人員逐漸提出了一種新型水下電磁發(fā)射裝置，與以往發(fā)射裝置相比較而言其普遍具備操作簡單、成本較低、噪音影響較小及工作效率較高等優(yōu)勢，對水下電磁發(fā)射準(zhǔn)確性有著良好保障。本文主要對新型水下電磁發(fā)射裝置的設(shè)計展開深入化研究分析。

水下；電磁發(fā)射裝置；設(shè)計

0 引言

目前，大多數(shù)水下發(fā)射裝置一般都會將高壓氣瓶儲存中的高壓氣體作為主要動力支撐，進而保證目標(biāo)能在發(fā)射后始終保持勻速前進并且不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象，然而該種方式也存在一定缺點，如體積容量較大、發(fā)射噪音污染較大、排放氣體較多及使用次數(shù)有限等，都容易致使發(fā)射目標(biāo)暴露。充分考慮到儲能方式、投資成本、體積容量及瞬時功率等因素，徹底突破以往傳統(tǒng)功率電子變換器瞬時功率存在局限，幫助其實現(xiàn)體積容量有效縮小、效率提高及投資較低目標(biāo)，從而研發(fā)出一種可行性較佳的水下電磁發(fā)射裝置。

1 水下蓄能式電磁發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，水下蓄能式發(fā)射裝置主要是由氣液缸、氣缸活塞、發(fā)射管、液壓泵、發(fā)射閥及其他等構(gòu)件組合而成，其中氣液缸又可分為兩方面內(nèi)容，即為密封氣腔和液腔，水下蓄能式電磁發(fā)生裝置的實際操作原理是先在氣缸中心區(qū)域氣腔內(nèi)部進行空氣的適當(dāng)添充，繼而利用液壓泵將液壓油全部注入液腔之中，在此種環(huán)境影響下，氣液缸必然會開始向上運動對氣腔內(nèi)存在氣體有效壓縮，進而將電磁發(fā)射能量全部集中于壓縮氣體之中。同時在實際發(fā)射過程中，操作人員需要將發(fā)射閥打開，將氣液缸中存在的液體結(jié)構(gòu)全部釋放，并借助氣液缸活塞運動來推動發(fā)射路途中的海水流動，從而促使魚雷能夠迅速明確目標(biāo)并始終保持不變速度向前前進[1]。

2 新型水下電磁發(fā)射裝置工作原理分析

隨著社會經(jīng)濟水平的飛速上升，相應(yīng)對水下電磁發(fā)射裝置也加強了重視，目前形成的新型水下電磁發(fā)射裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 新型水下電磁發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

而其實際工作原理闡述如下：將電磁發(fā)射裝置的全部能量傳送到艦船供電系統(tǒng)內(nèi)部之中，在電機通電之后啟動飛輪裝置，在飛輪轉(zhuǎn)動速度不斷增加直至到達標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)后方可停止，讓其一直處于該種運動模式下。同時在電磁發(fā)射命令傳送出之后，電磁耦合器還要立即進行通電，將飛輪自身所存在的力矩全部傳遞到螺旋機構(gòu)之中，而螺旋機構(gòu)在之后運行中便要開始加速直線運動，進而將水壓全部注入到發(fā)射管末端位置，適當(dāng)加快發(fā)射物體后方位置的發(fā)射速度，便于完成電磁發(fā)射裝置復(fù)位操作，從而促使電機能夠再次轉(zhuǎn)動飛輪設(shè)備，為下一次電磁發(fā)射裝置的順利展開提供相應(yīng)保障[2]。

3 新型水下電磁發(fā)射裝置設(shè)計思路

新型水下電磁發(fā)射裝置設(shè)計環(huán)節(jié)主要包括以下幾方面內(nèi)容：即能量釋放子系統(tǒng)、電磁發(fā)射管子系統(tǒng)及電機飛輪儲能子系統(tǒng)等，其中電磁發(fā)射管子系統(tǒng)主要涵蓋內(nèi)容包括發(fā)射控制系統(tǒng)、發(fā)射管及水缸等環(huán)節(jié)，并且與發(fā)射裝置安裝載體之間還有著一定密切聯(lián)系。在此主要針對電磁耦合器設(shè)計原理展開有效探討分析，一是保證其處于軸向偏移或是徑向偏芯等條件下電感和漏感均能保持穩(wěn)定狀態(tài)，其次要確保在水下流動過程中充電性能趨于穩(wěn)定。然而由于磁芯間隙情況的逐漸產(chǎn)生，導(dǎo)致磁場運動周圍金屬外殼上頻頻出現(xiàn)渦電流現(xiàn)象，其雖然可以起到電磁屏蔽和極大降低電磁耦合器輻射影響作用，但卻因整體外殼體積較大且厚度較厚，都非常容易致使渦電流帶來較大能量損失。在這種情況下就需要相關(guān)設(shè)計人員能在磁芯和外殼二者之間進行一道屏蔽層的增設(shè)，進而最大限度降低電磁場對外殼可能帶來影響破壞，盡可能避免能量損失情況發(fā)生[3]。

而在電機飛輪儲能子系統(tǒng)設(shè)計過程中，最常見的電機飛輪材料即為纖維復(fù)合性材料，外觀形狀大多都為多層結(jié)構(gòu)原柱形狀，而支撐方式也是采取便于快速充電的機械軸承；最后能量釋放子系統(tǒng)則是由螺旋構(gòu)件和電磁耦合器兩點內(nèi)容組合而成，其中螺旋構(gòu)件需要充分參考借鑒螺旋絲桿和螺母設(shè)計制作方式，重點強調(diào)關(guān)注電磁力矩耦合器設(shè)計工作，將其二者有效連接在一起。尤其需要注意的一點就是電磁耦合器在實際應(yīng)用過程中，輸出軸和輸入軸二者之間要始終保證存在一定差距，只有這樣才能便于傳送較大功率轉(zhuǎn)矩，但如果想達到最小噪音污染和能量消耗狀態(tài)，則需展開全電磁方式的耦合器設(shè)計。

4 新型水下電磁發(fā)射裝置仿真探討

以潛艇發(fā)射管確定目標(biāo)為主要仿真試驗對象，需要充分考慮到潛艇發(fā)射運行后產(chǎn)生的附加質(zhì)量，如水、液壓平衡水等，將其質(zhì)量合理控制在3800kg范圍內(nèi)，并且嚴格要求電磁發(fā)射時間不得低于3s，發(fā)射出管速度約在18m/s，進而順利輸出能量E0，約為460kJ，并且電磁發(fā)射運行公路最好不要超出1000kW。同時在此基礎(chǔ)上還要將圓柱形電機飛輪蓄能全過程所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角運行速度設(shè)為Wm，假如電機飛輪運行密度為4.0×103kg/m3，那么電機飛輪直徑將設(shè)為R，厚度為d=1/2R，進而促使電機飛輪能夠始終沿著直徑運行途徑前行。除此之外，如果將電磁力矩耦合器和螺旋構(gòu)件之間的能量轉(zhuǎn)變效率設(shè)為η，那么飛輪直徑大小將為0.6m，η≥1,0m，而在電機飛輪轉(zhuǎn)動速度達到5000rpm時，飛輪實際儲能也會大大提高，進而輸出較大能量，便于充分滿足新型水下電磁發(fā)射裝置實際運行需求。

除此之外，為進一步節(jié)省計算實際量和總體耗費時間，還需要將流場控制在一定范圍內(nèi)，并將發(fā)射裝置放置在流場中心區(qū)域，而對于流場外圍來說，則需進行160m深度時發(fā)射裝置所遭受到環(huán)境壓力的模擬實驗，將環(huán)境壓力實際數(shù)據(jù)有效控制在1.5MPz,而在邊界區(qū)域還應(yīng)適當(dāng)增加約束限制，進行無限水域的準(zhǔn)確模擬，進而保證魚雷也始終處于曲線運動狀態(tài)，對電磁發(fā)射裝置一般也分為兩種情況：一是電磁發(fā)射裝置始終處于不動；二是將電磁發(fā)射裝置設(shè)置為恒定速度緩慢運動。

本文還針對魚雷發(fā)射筒筒底面積對魚雷發(fā)射速度存在影響展開了一系列研究分析，基于不同發(fā)射筒筒底直徑大小情況進行魚雷發(fā)射筒裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，并且還需將發(fā)射筒筒底直徑比值合理控制在0、1/2、1等，在此種情況下，得出發(fā)射筒筒底面積占據(jù)發(fā)射筒最大橫截面積比值分別為0%、25%、50%、75%及100%等，具體如圖2所示[5]。

由上圖可以了解到，魚雷運行速度曲線逐漸呈現(xiàn)出下降趨勢，整體過程由最初迅速上升到中間波動，再到后期平穩(wěn)，其中當(dāng)發(fā)射筒筒底面積占據(jù)比值達到100%左右時，魚雷運行速度明顯降低，而導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因就在于魚雷發(fā)射筒出現(xiàn)完全封閉情況，進而致使魚雷發(fā)射筒發(fā)出后前后存在較大差距。基于設(shè)計性和經(jīng)濟性角度來說，最好選擇發(fā)射筒筒地面積處于最大橫截面積時的比值50%為魚雷發(fā)射裝置實施方案，從而有利于實現(xiàn)新型水下電磁發(fā)射裝置應(yīng)用最佳成效[6]。

圖2 發(fā)射筒筒底截面示意圖

5 總結(jié)

在科學(xué)技術(shù)飛速進步背景下，新型水下電磁發(fā)射裝置設(shè)計研究力度也在不斷增強，還應(yīng)對該電磁發(fā)射裝置蓄能功能等展開深入分析探討，并借助各種先進準(zhǔn)確計算方法展開合理優(yōu)化計算，進而便于取得符合實際情況的電磁發(fā)射結(jié)構(gòu)參數(shù)，充分滿足電磁發(fā)射實際需求，為新型水下電磁發(fā)射裝置設(shè)計的不斷創(chuàng)新優(yōu)化提供良好保障，僅供相關(guān)部門借鑒參考。

[1]李軍,嚴萍,袁偉群等.電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù),2014,40(4):1052-1064.

[2]張代兵,徐海軍.一種新型水下電磁發(fā)射裝置的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2005,(S1):388-389.

[3]王猛,張漢泉,伍忠良等.勘查天然氣水合物資源的海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng)[J].地球物理學(xué)報,2013,56(11):3708-3717.

[4]李玉松,亓夫軍.一種海洋可控源電磁發(fā)射拖體姿態(tài)及海洋環(huán)境參數(shù)在線監(jiān)測的方法[J].信息通信,2017(6):59-60.

[5]譚賽,魯軍勇,張曉等.電磁軌道發(fā)射器動態(tài)發(fā)射過程的數(shù)值模擬[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2016,38(6):43-48.

[6]劉旭堃,于歆杰,劉秀成等.電磁軌道炮運行階段系統(tǒng)發(fā)射效率和電樞出膛動能研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2017,32(3):210-217.

Design idea and Analysis of a Underwater Electromagnetic Launcher

Yang Chong(Kunming ship equipment research and test center,Kunming Yunnan,650051)

In order to meet the requirement of underwater electromagnetic launch to the maximum extent,relevant researchers gradually proposed a new type of underwater electromagnetic launch device,the electromagnetic coupler generally has the advantages of simple operation and low cost Lower,less noise impact and higher work efficiency,etc.,and has a good guarantee for the accuracy of underwater electromagnetic launch.In this paper,the design of new underwater electromagnetic launchers is mainly studied and analyzed.

Underwater；Electromagnetic Launcher；Design