模擬電磁彈射裝置的設計

江漢大學人工智能學院 陽明軒 肖博文 胡津鳴 周俊

電磁彈射是將電能轉化為電磁能，進而轉化為拋射物體所需的瞬時動能，從而完成對物體推進的技術。利用彈射器助推使飛機獲得更高的加速度，這樣對甲板的長度要求得以降低，降低甲板設計的硬性要求，提高航母設計的靈活性。模擬電磁彈射裝置，可以展現飛機飛行的現象，有助于同學了解相關知識。作為教學演示的物理實驗裝置，該設計簡單易操作，安全穩定，現象簡明有趣。

航空母艦戰斗力的發揮依賴于各種艦載機，艦載機能適應多種海洋環境，可以對地面、海上甚至空中目標造成強有力的打擊，具有很強的戰斗力。因此，艦載機的起飛能力和效率很大程度上決定著航母編隊的作戰能力，重型飛機要想從航空母艦上起飛，必須有彈射器[1]。彈射器的優勢主要有：全天候起飛作戰能力，不受惡劣天氣限制可以起飛固定翼預警機，大幅增加預計距離，艦載機起飛時，不必為減輕起飛重量，而減少載彈量、載油量、使艦載機發揮不出正常作戰性能。彈射器發展中曾出現過五花八門的類型，經典案例有彈簧復力彈射器、蒸汽彈射器、電磁彈射器等。

彈簧復力彈射器不能直接把飛機彈射起飛，飛機必須在發動機的推力下滑行一段才能起飛。它彈射飛機次數不高，因為它是靠儲能機構完成儲能的，而工作末端拉力又非常小，關鍵時候不能助推起飛。蒸汽彈射器這種彈射器是目前在役航母使用的彈射器，是以高壓蒸汽推動活塞帶動彈射軌道上的滑塊把聯結其上的艦載機投射出去的。蒸汽彈射器工作時要消耗大量蒸汽，維護成本大，U 型密封條更換頻繁而又十分麻煩，對材質要求高。蒸汽彈射器使用成本大，效率低，使用過程中的各個環節都有很高的要求。電磁彈射器分為兩種，分別是電磁線圈彈射器及電磁軌道彈射器[2]。本裝置參考較為流行的電磁線圈炮及電磁軌道炮[3]的設計思路，并在其基礎上，提出一種改進型電磁彈射模型，能減輕軌道炮的攜帶壓力和安全問題，減小線圈炮的尾部回吸影響。

1 方案設計及原理實現

參考市面上較為流行的電磁線圈炮及電磁軌道炮[4]的設計思路，自主研發出了模擬航母電磁彈射裝置，運用和電磁炮類似的實驗原理采用新的機械結構，實現了電磁彈射功能。電磁彈射功能的基本物理原理是通電導線在磁場中受力而運動。本裝置用線圈軸承作為彈射塊，并且在彈射塊的左，右，下方放置強磁鐵塊，通電線圈在磁場中會受到一個向前的力，而彈射塊有多級線圈包裹[5]，因此彈射塊會受到一個疊加力，將軸承彈射出去，而飛機通過尾勾和軸承相連，因此飛機也能借助軸承彈射出去。系統結構如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2 裝置實現

2.1 彈射主體部分

彈射部分的整體參考如圖2所示，借鑒了市面上流傳較多的電磁線圈炮和電磁軌道炮原理。其中，中心紅色部分是繞著線圈的鋼套直線軸承。軸承上面纏繞了若干圈線圈，并牽引出兩頭用來連接電源。直線軸承的三面分別了布置磁鋼，用于提供較強的磁場。磁鋼和中心的光桿的固定是通過3D 打印設備自行打印的固定裝置實現的，它能使軸承處于一個穩定的磁場中。裝置開始工作時，電源部分向線圈通電，通電導線在磁場中受力運動，每一圈線圈都收到一個向前的力，若干線圈疊加導致力也疊加，使得線圈會在極短的時間內產生爆發性的速度，帶動繩子向前運動。

圖2 彈射裝置主體概念3D 渲染圖Fig.2 3D rendering of ejection device body concept

軌道炮對電源電壓要求極高，需要設計升壓電路和繼電器以及保護裝置，過于復雜，不易攜帶。本裝置輕便，體積小，對于電源要求低，對裝置損耗小，能量利用率高。線圈炮的發射彈丸，材質要求較高，電磁線圈加速，在磁場加速末端會產生吸引力，減小速度，需要額外設計電控裝置。本裝置的加速部分全程在磁場中，沒有大的磁感應強度的變化，故不會有回吸的影響。

2.2 彈射能源部分

我們采用市面上常見的航空電池給彈射線圈提供電流。另外，還設計了降壓電路將電池12V 的電壓降到5V。5V 電壓可以給我們設計的光電門傳感器電路供電，使得軸承接觸到光電門能自主斷電，安全保護，且減少電流損耗、儀器撞擊等不必要的負面影響。5V 電源也可以給單片機供電，通過單片機的ADC 采樣和霍爾元件來得到彈射中的磁場強度值。雖然本次設計用的是12V 電源，但是瞬時電流較大，具有一定的傷害性，使用時切記安全。電源部分詳細電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路設計圖Fig.3 Design diagram of power supply circuit

在本次設計中使用了STM32 主控的多路ADC[6]部分用于采集霍爾元件旁的電壓值并且將其轉化為磁感應強度值，通過串口輸出到上位機或者用OLED 顯示屏顯示，整體電路圖如圖4所示。

圖4 系統整體電路圖Fig.4 Overall circuit diagram of the system

2.3 彈射飛行部分

飛機機翼利用了伯努利效應，把機翼下弧線做的比較平直，上弧線向上彎曲，利用上下的壓強差，給機翼一個向上的升力。氣流對升力的影響是非常大的，因此我們使用迎風投擲模型，為的就是要“吃”到較大相對氣流速度，以提高升力。

此飛機優點在于：（1）采用的是EPP 航模專用泡沫，耐摔耐撞；（2）機頭防撞風葉設計，尼龍材質，韌性十足。螺旋槳動平衡表現優良，柔韌度高不易折斷；（3）強馬力電機，動力強勁穩定，飛機尾鉤設計簡單好用；（4）飛機機身凈重200 克，輕便，安裝簡單，飛機模型概念圖如圖5所示。

圖5 飛機模型概念模擬圖Fig.5 Conceptual view of aircraft model

僅通過飛機自身電機驅動，需要較長的起飛距離，通過彈射裝置，提供一個較大的動力，產生較大的初速度，將起飛距離縮短至數十厘米的平臺。

紅色物體是彈射部分與飛機的連接部分，簡稱推進器（如圖6所示），推進器兩底面各有一個凹槽與軸承固定，使其成為一個整體。推進器后端的凹槽與飛機尾勾部分（如圖7所示）相連接。彈射部分啟動時，線圈受力帶動著軸承向前移動，使得與推進器連接的飛機受到較大的動力，飛機獲得初速度，減小起飛距離。

圖6 推進器實物圖Fig.6 Physical view of propeller

圖7 尾勾實圖Fig.7 Tail sketch diagram

3 裝置功能及測量數據

磁場測量部分的原理圖如圖8所示，該部分電路采用5V 電源供電，OUT 為檢測到的磁場轉換為電壓的輸出信號。通過單片機的多路ADC 功能讀取電壓值，由于ADC 的輸入電壓范圍為0 ～3.3V，因此在ADC 只能讀取0 ～3.3V 的電壓值，因此在輸出端利用10k 和30k來組成一個分壓電路，將電壓限制在3V 左右，利用線性霍爾元件AH94E 的輸出電壓與磁場強度成正比的特性，通過單片機將AD 采集到的電壓轉化為磁場強度，最后輸出出來。

圖8 霍爾元件測磁場電路圖Fig.8 Circuit diagram of Hall element for measuring magnetic field

輸出的數據通過串口傳輸，再利用VOFA 軟件來進行處理。下面是一個簡單的數據處理例程。該軟件可以把數據整合成圖表，如圖9所示。

圖9 VOFA 軟件整合圖像Fig.9 Integrated image of VOFA software

以下是我們彈射裝置不同位置的磁場強度值，A，B，C，D 至于發射軸承的四方。當啟動電源，軸承彈射出去之時，可以測量其彈射過程中的磁場強度值，其詳細數值如表1所示。

表1 磁場強度變化表Tab.1 Change of magnetic field intensity

4 結語

傳統的電磁軌道炮，導軌電阻大，容易發熱，會破壞導軌本身，對電源電壓的要求較高，裝置不安全且復雜，相比于電磁軌道炮，本裝置節省了導軌部分，更加輕便簡潔，不易發熱，電阻小，能量利用率高，發射動能大，效果更加明顯。

電磁線圈炮對于發射物體的體積要求過高，并且在彈丸離開磁場時，磁場與彈丸相互作用，使得彈丸速度降低，影響實驗效果。本裝置對于彈射物體較大的限制，節省成本，并且實驗效果明顯，容易實現。