導彈電磁彈射系統功能分析與初步設想?

（火箭軍工程大學 西安 710025）

1 引言

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

2 導彈電磁發射運動模型

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

2.1 運動模型的建立

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

圖1 導彈垂直電磁助推發射示意圖

圖2 助推階段導彈受力分析示意圖

根據物體的運動學，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：

電磁助推階段導彈所承受的過載數：

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。

根據牛頓第二定律：

2.2 相關參數計算與仿真

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

表1 不同能量轉換效率下的基本性能參數

2.3 相關參數的擴展討論

由式（7）可以看出，在不考慮能量損失的情況下，電磁發射系統需提供的能量最終轉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，即導彈質量m、助推距離S和出筒速度V與電磁發射系統相關參數的變化和影響關系。

圖3 導彈助推距離、出筒速度與過載間的關系

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之間的關系如圖4所示。

圖4 導彈助推距離、出筒速度與推力間的關系

由導彈出筒速度所體現的導彈動能，占據了電磁發射系統能量最主要的部分。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，對電磁發射系統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射的影響較小。

假設能量的轉換效率為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系

由圖5可以看出，隨著助推距離的增加，電磁系統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射系統的功率有重大影響。綜合圖3和圖4可以看到，在條件允許的情況下，應盡可能增加導彈的助推距離。

3 導彈電磁發射系統功能分析

3.1 電能供應能力

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

3.2 能量快速儲放能力

在助推發射階段，導彈自身的動能完全來自于電磁發射系統，電能快速儲存并有效釋放與轉換為導彈動能是電磁發射系統需要具備的最基本的能力之一［5～6］。導彈電磁發射系統的最主要的功能是將電能轉換為導彈的動能，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（約1s）需要巨大的能量，直接供電的情況下電網無法承受如此巨大的負荷（按380V的動力電源計算，電網需要的提供的穩態瞬時電流高達12萬安），供電強度極不匹配，必須進行儲能。使用儲能裝置，可以在發射前儲備足夠的能量，發射時將儲能裝置中的能量在要求的時間內釋放出來，以滿足導彈彈射助推階段的能量需求。所以電磁發射系統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 電力控制和安全監測能力

在將電能轉換為導彈機械能的過程中，瞬時功率要求非常大（兆瓦級），需要對電磁發射系統中的電氣推進部件進行協調，因此電磁發射系統還需要具備相應的電力分配、規劃、輸送和電力安全保證等能力。

電磁發射系統在導彈彈射助推過程中，需要根據導彈參數和環境的變化完成助推參數的調整，既保證將導彈所承受的過載控制在一定范圍內，又確保導彈在助推結束后達到所需要的初始速度。同時，電磁發射系統還需要擔負整個電磁發射系統的故障預警和報警任務。因此，電磁發射系統需要具備電能供應、快速儲電、瞬時放電、能量轉換、調控和監測等五大能力。

圖6 電磁發射系統的基本功能

4 導彈電磁彈射系統初步設計

根據電磁發射系統所應具備的基本功能要求，通過分析可以得到電磁發射系統的基本構成。對系統進行設計時，在滿足功能目標的同時，還要充分考慮實際作戰運用下對系統體積質量的要求。技術上要從現有實際出發，也可適當超前，防止出現設計完成即已技術落后的現象。

4.1 電源子系統

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

4.2 儲能子系統

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，無法利用現有電力系統完成導彈發射時所需能量的實時供給，必須依靠強迫儲能子系統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的電能釋放，它要求在1s內或更短時間內提供一個高功脈沖電流。考察現有的儲能技術，在符合高功率密度、使用壽命和實體體積質量的情況下，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雙電層理論所提出的新型電容器，性能穩定，使用壽命長，充放電速度非常快，單個電容容量遠大于傳統電容器［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組合的方式提高總輸出電壓和電流［12］可以實現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

導彈電磁助推子系統接收來自強迫儲能系統的電能，通過電力電子系統的分配調節，按時序和功率等要求將電能輸送至導彈電磁助推子系統轉換成電磁推力，電磁助推子系統電磁推力做功轉換成導彈機械能，逐步加速導彈到需要的速度。電磁助推子系統的核心直線彈射電機，目前適用于電磁彈射系統的彈射電機主要包括直線感應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］。直線感應電機可以設計強固的次結構，次級導電板與發射體質量比很小，環境耐受性良好，運行可靠，但其工作電流大，功率因數偏低。永磁直線同步電機功率因數高、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量大較［14～20］。

綜上分析，直線感應電機在動子制動以及與現有大功率開關器件的匹配程度方面比另外兩種電機更有優勢，因此電磁助推子系統方案選擇直線感應電機。電機采用長初級短次級雙邊直線感應電機。在實際系統設計中，直線電機的結構參數和電磁參數還需經過科學的設計，以達到推力的穩定輸出和對彈射速度及位置的精確控制。

4.4 其他子系統

電力電子與自動控制子系統：電力電子變換系統的主要作用是從儲能系統獲取電能，實現助推系統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，可設計PID閉環的速度與位移控制，或采用自律分散控制技術進行自動控制等。

狀態監測子系統：狀態監測子系統通過實時監測電磁發射系統的技術參數與健康狀態，判斷電磁發射系統能否完成發射任務，進行故障報警和剩余壽命預測，同時擔負整個電磁發射系統的狀態顯示與故障報警任務，將電磁發射系統的實時狀態反饋給電力電子與自動控制子系統。作為附屬子系統，其所起的作用并不亞于其他子系統，是整個導彈電磁彈射系統可靠性安全性的關鍵。狀態監測和預警處理的科學設計也是導彈電磁彈射系統整體設計的重要組成部分。

5 結語

導彈電磁彈射系統的設計是一個復雜的系統工程，需要考察作戰需求和相關技術、工藝發展現狀等多方面因素。本文通過建模和仿真計算，對系統進行了功能分析和初步設計，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、發射速度的矛盾，降低設計難度。生活用電、工業用電和大功率發電機，通過變壓等方式，可以實現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量較大，還需要相關技術的進一步發展。直線感應電機可作為導彈電磁彈射系統驅動裝置。為保證系統的可靠性和安全性，需要對導彈電磁彈射用直線電機進行科學的結構設計和控制系統開發。