一種無人機連發型電磁彈射系統的設計*

王 湘，吳 峻，孟慶富

（國防科技大學智能科學學院，長沙 410073）

0 引言

隨著現代科學技術的飛速發展，戰爭信息化、自動化程度不斷提高，無人作戰已經成為未來戰場的主要形式，無人機作為一種迅速發展的新型信息化武器裝備，在現代戰爭中有著舉足輕重的地位［1］。特別是近兩年，隨著人工智能的不斷發展，無人機作戰樣式逐漸由“單打獨斗”向“集群智能”發展［2］，無人機集群形成規模優勢，具有極佳的戰場生存能力和任務完成能力，美國空軍研究室（AFRL）的Bruce T.Clough 等通過研究表明，采用無人機集群作戰可以用來完成在復雜對抗環境下的協同搜索、協同干擾、協同攻擊、集群對抗等任務［3］。無人機集群必將成為未來無人機系統應用的重要作戰樣式。

由于其續航時間長、運載能力強，固定翼無人機已經在無人機集群作戰領域得到了廣泛運用。但是，固定翼無人機在不同環境、不同場地的起飛問題使得其對起飛方式有較高的需求，迫切需要有一種通用性強、安全性高、響應迅速的起飛方式來提高戰斗力。

目前無人機集群起飛方式有：空中投放、多管火箭助推、多彈射器同時彈射多架無人機。例如，由美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動的“小精靈”項目［4］采用空中投放的方式發射和回收無人機，但空中投放對空軍基地依賴性高，且發射成本較高，獨立作戰能力不強［5］；美國無人機方案公司（UAV Solutions）開發的平臺發射小型無人機的系統［6］，以及美國海軍研究局公布的名為LOCUST“蝗蟲”的新型裝備屬于發射管發射小型無人機，其整個發射裝置具備較強的機動性和隱蔽性［7］，但只針對尺寸小、重量輕的折疊翼無人機，不適用于固定翼無人機，且采用火箭助推的方式，存在起飛發射能耗大、受火工品的制約和安全性差等缺點；中國電子科技集團公司通過多彈射器的方式成功演示了固定翼無人機的密集彈射起飛試驗［8］，該試驗存在占地面積大、機動靈活性差、維護運輸費用高等缺點，需要大量彈射器同時彈射無人機，無法根據任務需求靈活增加無人機起飛數量，不能滿足現代戰爭快速、機動、靈活的要求。

固定翼無人機的彈射起飛方式主要有氣/液壓彈射和火箭發射方式［9］，其中，氣/液壓彈射器需要復雜的液壓或氣壓系統，功率密度低，連續彈射響應時間長，從彈射完畢到下一次彈射時間為3 min～6 min［10］，無法適用于無人機快速連續地彈射起飛；火箭發射方式需要管理火工品，且成本高。而新近發展的電磁彈射具備裝置簡單、結構緊湊、維護簡便、功率密度高、彈射間隔短、編程可控的特點，可適用于不同機型的無人機起飛，相比較氣/液壓彈射，電磁彈射更適用于無人機連發型彈射系統。因此，本文針對固定翼無人機集群作戰起飛裝備的不足，提出了一種無人機連發型電磁彈射系統，考慮到戰場條件復雜，需具備較強的機動性［11-14］，在電磁彈射基礎上，設計了一種車載彈射系統，以實現隨時隨地的全自動化連續快速彈射起飛中小型固定翼無人機。

1 連發型電磁彈射系統性能指標分析

1.1 技術指標及其分析計算

以協同搜索任務為例，將“不死鳥”無人機作為連續彈射起飛的目標。“不死鳥”無人機全重180 kg，巡航速度120 km/h。根據要求，連發型電磁彈射系統主要技術指標如下［15］：

表1 連發型電磁彈射系統技術指標

以恒加速方式彈射起飛無人機，設加速度為a，無人機質量為M，動子和支撐架質量為m，不考慮彈射軌道的傾角。設Fe表示電磁推力，fd為飛機受到空氣的阻力，ff為電磁彈射器動子的摩擦阻力。則飛機在加速過程中的動力學方程為：

其中，S 為機翼面積，CD為阻力系數，ρ 為空氣密度，u 為軌道摩擦系數，v 為無人機的速度。u 取0.01，ρ為1.225 kg/m3，M 為180 kg，m 為20 kg。S=2 m2，CD=0.1，計算得到飛機所受空氣阻力為141.61 N。

若飛機以7 g 的加速度進行加速，飛機的末速度為34 m/s，由：

得加速距離x=8.42 m，加速時間：

得t=0.48 s，Fe=14.166 kN。

電磁彈射器的電磁推力計算公式為：

Z 為電機初級鐵心槽數，N 為電機初級繞組匝數，Im為電機初級繞組導體內通入的電流，Bgm為電機次級永磁體在氣隙中產生的磁感應強度，L 為電機初級電樞繞組導體縱向長度。計算得電流的大小為1 760 A。

電磁彈射器提供的最大功率為：

考慮電機的效率和裕量，設定電機峰值功率為600 kW，則電機所需的供電電壓為340 V。

1.2 工作特性

連發型電磁彈射系統用于在短時間內將一定數量的無人機連續彈射起飛，電磁彈射電機為加速-制動-拉回的工作狀態［16］，其彈射時間短，一般為秒級。通常對彈射物以恒加速度方式進行加速，以避免推力波動過大對無人機造成破壞。單次彈射起飛完畢，采用反接的方式將電機動子拉回。圖1為連續彈射工況下所提系統的電機功率-時間曲線，彈射一次所需時間為0.48 s，彈射完畢后，電機動子和支撐架回到起點，并且重新裝載無人機的時間為彈射間隔tp，它可根據彈射指標要求進行設定。圖中可以反映出該系統具有固定時序的工作特點。

圖1 連續彈射電機功率-時間曲線

2 連發型電磁彈射系統方案的設計

如圖2 所示，系統包括彈射電機、無人機機庫、驅動器和儲能模塊以及控制系統等5 個主要部分。

圖2 連發型電磁彈射系統方案

其中，彈射電機作為執行機構，為無人機提供加速的推力；控制系統通過檢測的位置信號，電壓，電流等參數，實現對彈射電機和無人機機庫的控制；機庫用于存貯和運輸無人機；驅動器驅動電機；儲能設備為系統提供能量。

2.1 彈射電機

彈射電機主要由永磁體陣列、電樞鐵芯、支撐彈射平臺及分布在兩端的位置傳感器組成。傳感器的作用是檢測無人機支撐彈射平臺的位置，實現彈射平臺在彈射與拉回之間狀態的切換，從而實現連續彈射，提高彈射效率。

圖3 彈射電機結構

2.2 機庫

機庫是一種集無人機貯存、運輸的箱式結構，包括機械箱體框架、PLC 電控系統、機電控制系統等。平時可以貯存一定數量規模的無人機，提高了無人機的維護性和可靠性；戰時可由傳動系統連續向電磁彈射器裝填無人機，實現無人機連續彈射起飛，具有較強的戰時反應能力。根據集群彈射起飛的指標，合理設計系統結構、尺寸以保證空間利用率和系統的機動性。

如圖4 所示，機庫機械結構主要包括：伺服電機、齒輪齒條、減速箱、齒輪齒鏈和裝夾適配結構。其中，伺服電機通過減速箱驅動齒輪，在齒條方向進行垂直方向運動；伺服電機通過減速箱驅動齒輪，并帶動鏈條進行水平方向運動；裝夾適配結構能夠解決無人機從機庫到彈射器的過渡精準裝夾的問題。每彈射一架無人機，彈射架復位，機庫及傳送帶自動將無人機架設在彈射器上，再進行二次作業，能實現無人機連續批量彈射，同時又能實現自動化彈射。

圖4 無人機機庫立體圖

2.3 驅動器

驅動器驅動永磁無刷直流彈射電機，由6 個全控性功率器件組成三相全橋交流電路。根據連發型電磁彈射系統的工作特性，電磁彈射器加速距離有限，彈射電機的工作電流大，且連續彈射。在完成一次彈射后，需反向運行將電機動子拉回至初始位置。連續工作條件下，需要考慮外加散熱器將功率器工作所產生的熱量散出。

2.4 儲能設備

本系統具有周期性和秒級脈沖大功率輸出的特點，20 s 內彈射一次，存儲的能量能夠支撐彈射起飛機庫中所有的無人機，這就要求儲能設備具有較大的功率密度和能量密度。

儲能采用超級電容與蓄電池組合的方式，其中，蓄電池提供穩定低頻的平均功率，超級電容迅速提供負載剩余部分的高頻功率的。在提高功率密度和能量密度基礎上，這種組合能有效縮短彈射周期的充放電時間，提高電磁彈射速率，有效降低蓄電池放電電流，延長蓄電池使用壽命。

2.5 控制系統

根據設定的參數和負載條件實現對彈射電機和機庫的控制，使彈射電機與無人機機庫協調工作，按照設定的方式完成連續彈射起飛的任務。

彈射電機的控制包括：對動子位移的檢測，通過傳感器檢測的位移信號，作為電機換相的輸入。同時，也包括對彈射電機的電氣參數的檢測，為彈射電機的閉環控制提供參量，并且是驅動保護的基礎；微處理器有單片機、ARM 和DSP。這3 種微處理器中DSP 的資源和功能十分強大，并且擁有很高的運算速度和精度，可以實現復雜的控制算法，能夠實現對彈射電機的實時控制。

機庫的控制：這是一種過程控制系統，隨著可編程邏輯控制器（PLC）的廣泛應用［17］，與單片機相比，其抗干擾能力強、故障率低，易于設備的擴展，便于維護，因此，可采用PLC 實現控制系統。根據連發型電磁彈射系統的自身特點，將PLC 的接口與計算機的串行口連通［18］，觸摸屏作為人機交互接口（HMI），對系統進行監控，包括查看各元件工作狀態以及系統運行狀況，并發送運行控制命令。

2.6 系統方案分析

該系統方案具有一定的理論依據，在準備階段，通過PLC 控制系統控制無人機機庫機械結構，實現從機庫到彈射電機的裝填；發射時，按照儲能設備的固定時序或傳感器對彈射電機動子位置檢測依次觸發放電，并且通過驅動器產生三相電流。可以看出，連發型無人機電磁彈射系統只要輸入足夠的周期性電流，完全可以實現彈射電機的連續彈射。無人機連發型電磁彈射系統組成如圖5 所示，系統通過PLC 控制伺服電機的啟停，實現無人機機庫的傳輸功能，并控制彈射電機動作，各分系統之間必須相互協調、高度統一、充分發揮各自效能，達到無人機連續彈射的高效率、高精度。

圖5 無人機連發型電磁彈射系統框圖

3 控制系統與儲能系統的設計

3.1 PLC 控制系統的設計

PLC 控制系統需在彈射間隔時間內，從機庫中快速移動無人機，并裝填到彈射器上，具體控制流程如圖6 所示。

圖6 控制系統流程圖

傳送過程是關鍵環節之一［19］。布置光電傳感器對無人機的彈射狀態進行判斷，若處于未彈射狀態，可通過兩自由度的機庫運動將無人機裝夾固定至彈射器。運用PLC 電控系統控制伺服電機的啟停，并通過增加PLC 的模擬量模塊控制伺服電機PWM 占空比，從而實現機庫平臺的加（減）速運行。采用Siemens s7-200 型號的PLC 控制器，其中的EM253 模塊能夠產生高速脈沖對伺服電機的位置或速度進行控制。

3.2 混合儲能系統的設計

根據系統的工作特點，設計混合儲能系統的方案，具體為：彈射準備階段，利用蓄電池給超級電容補充充電；彈射起飛階段，采用蓄電池和超級電容同時向彈射電機供電；制動階段，通過能量回饋過程，將多余的功率回饋至超級電容；彈射電機動子返回階段，蓄電池為彈射電機供電并將電機動子拉回至初始位置，同時也給超級電容充電。這種方式可避免蓄電池長時間大電流的放電，延長蓄電池使用壽命，克服了蓄電池單獨供電無法應對大功率波動、超級電容單獨供電無法長時間持續工作的缺陷。

圖7 所設計的蓄電池- 超級電容混合儲能系統拓撲結構，蓄電池與超級電容分別通過雙向DC/DC 變換器連接到直流母線，蓄電池與超級電容充放電功率能夠完全解耦，實現合理控制。首先通過基于模糊控制的能源管理策略，根據電機負載實時功率、蓄電池荷電狀態和超級電容荷電狀態進行功率分配；并設計用于混合儲能的充放電電路拓撲結構及其控制策略。利用超級電容對直流母線實現恒壓控制。圖8 為基于模糊控制的混合儲能系統工作原理。

圖7 混合儲能系統拓撲結構

圖8 混合儲能系統工作原理

為實現上述功能，在整個混合儲能系統中設計了3 個控制器，其控制原理圖如圖9 所示。

控制器1 通過采集蓄電池的放電電流與放電電壓，根據負載功率在低頻分量檢測以及模糊控制器得出的功率信號，得出蓄電池的實時放電電流大小；控制器2 采集負載的直流母線電壓以及超級電容放電電流，根據給定電壓值來實現直流母線電壓的穩定；控制器3 采集超級電容電流和給定電流值，實現蓄電池給超級電容恒流充電。

圖9 混合儲能系統控制原理圖

為了使無人機分離后彈射臺能在較短的距離實現平穩制動，并且有效地回收利用能量，回饋制動可以將機械能轉換為電能回饋到儲能裝置。在制動條件下，保證雙向DC/DC 變換器開通，采用超級電容吸收回饋能量。

相比較蓄電池單獨供電的儲能系統，此方案明顯減少了蓄電池的使用數量，提高了儲能系統的功率密度，提高了系統的機動性；并且有效減小超級電容的放電電量，減少了蓄電池給超級電容充電的時間，從而有效縮短彈射周期，提高連續彈射速率。

4 仿真分析

本設計通過傳送機構把固定翼無人機從機庫快速裝填至彈射器的過程，來驗證整套基于PLC 的無人機機庫控制系統的可行性。控制傳送機構的PLC 梯形圖程序如下頁圖10 所示。

仿真測試結果表明，本控制系統能夠實現對傳送機構的準確控制，可以完成實際應用中的一些基本實用操作。且整個控制系統操作簡單、性能良好，滿足連發型無人機電磁彈射系統的應用要求。

并在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，分別仿真蓄電池與超級電容同時放電和超級電容組恒壓放電，以及電機的回饋制動。

表2 仿真用超級電容參數

圖10 PLC 梯形圖程序

首先基于模糊控制對連發型電磁彈射器的負載需求功率進行功率分配，如圖11 所示。

圖11 基于模糊控制的需求功率分配結果

再分別對采用單一超級電容組和混合儲能系統以及能量回饋制動進行仿真，得到超級電容電壓，如圖12、圖13 所示。

圖12 彈射階段超級電容電壓

從仿真結果來看，超級電容從滿電壓狀態到進行一次彈射后端電壓分別變化為153.3 V 和163.2 V。

圖13 制動狀態下的超級電容電壓

對于仿真所用的連發型電磁彈射器，如果僅用蓄電池供電，用12 V、100 Ah 的鉛酸蓄電池，單個重量為38 kg，則需要29 個蓄電池串聯使用，且單個蓄電池的放電電流達到1 760 A。而采用本文所設計的混合儲能系統，所需17 個蓄電池進行串聯，以及3 個超級電容串聯使用，每個超級電容的重量為13.7 kg，再加上兩個雙向DC/DC 變換器的重量為80 kg，則總重量為767.1 kg，達到了提高功率密度的目的。

5 結論

設計了一種固定翼無人機車載連發型電磁彈射系統，結論如下：

1）將彈射電機、無人機機庫、驅動器、儲能設備和控制系統集成，實現自動化操作，同時也將貯存運輸彈射集于一體，可實現無人機機動、快速、連續彈射起飛。

2）PLC 電控系統的運行效率和功能實現直接關系到系統的作戰效能，需合理設計硬件和軟件。

3）采用蓄電池與超級電容組合的混合儲能系統，能夠減小超級電容的放電電量，縮短充放電時間，提高電磁彈射速率，并且能有效提高系統的功率密度，增加系統的機動性。

4）系統可以解決無人機集群彈射起飛方式存在的局限性問題，對集群作戰實現有力支撐。