基于车载电磁无人机弹射系统的研究

摘 要：车载电磁弹射系统是一种新兴的发射优化系统，是对传统弹射技术的重大突破，改变了常规的发射方式。电磁弹射应用电磁能驱动物体，就是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动，理论分析证明，其可以对大型物体进行高速弹射。电磁轨道炮的理论研究加速了电磁弹射理论的发展，而车载无人机的发展也有较大的利用价值，车载电磁无人机弹射技术就是在此背景下结合两者长处开始发展应用的，具有隐蔽性好、通用性强、维护方便、战场适应性好、机动灵活、可靠性高等优点。本文以单极感应线圈炮为驱动装置组成的车载电磁无人机弹射系统方案进行模拟分析、计算，并通过原理试验理论验证了该方案的可行性，具有一定的理论价值，确定车载电磁无人机弹射技术是可行的且优点明显的。

关键词：电磁弹射 车载无人机 单极感应线圈

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0057-01]

无人机电磁弹射起飞技术作为一种新概念的无人机发射技术，其本质是基于直线电机原理，大多数车载无人机的发射质量一般都在1000 kg以内，发射速度一般低于80 m/s，对这样的发射质量和发射速度，目前的直线电机技术和高功率脉冲电源技术完全能为工程应用提供技术保障，因此，采用电磁弹射起飞方式发射车载无人机在技术上是可行的。

1 单级感应线圈炮的原理

首先把单级感应线圈炮的发射线圈和弹体都简化为两个直径相同且同轴排列的电流环（如图1所示）。当发射线圈a中通过一个上升电流i0时，发射线圈周围的磁场强度也会上升，导致通过弹体b的磁通量增加。由楞次定律可知弹体b中会感应出一个电流i1，并且此电流所产生的磁场是阻碍弹体b中磁通继续增加的，也就是说此电流与发射线圈a中的电流方向相反，弹体b中的感应磁场与发射线圈a中磁场方向也相反。它们之间是相互排斥，由于发射线圈固定，所以弹体向着受力方向加速前进。

2 车载电磁弹射系统中的车载电气系统

2.1 超导储能分系统

车载电磁无人机弹射器弹射无人机时，要在极短的时间内释放能量，已达到瞬间爆发推力的效果，所以就要把能量先储存起来，在弹射器工作时释放出来，储存能量的装置有很多，该系统采用超导磁储能装置，就是利用超导材料制成的线圈，由电网经变流器供电励磁，在线圈中产生磁场而储存能量，在需要时可将此能量经逆变器进回电网或作其他用途。如储能线圈一直维持在超导态，则线圈中所储存的能量可以几乎是无损耗地永久储存下去，直到需要释放它为止。因此，与其他储能系统相比，超导磁储能装置具有很高的转换效率（可达95%）和较快的反应速度（可达几毫秒）。正因为如此，该装置可以达到高效率储存能量和稳定系统的作用。

2.2 电力自动调节分系统

电力自动调节分系统是把输入的电源按照要求变换成弹射电机所需要的形式，同时根据工作要求自主提供不同大小的能量。把超导储能装置中输出的电流进行释放和调节，本系统实验中电力调节分系统要在高压下短时间（微秒级）产生强脉冲电流，作用于感应式弹射电机分系统。

2.3 弹射电机分系统

弹射电机分系统是车载电磁无人机弹射系统的核心部分，它把输入的电能转换为无人机动能，从而推动无人机在一定距离内加速至弹射速度的功率执行部件。本系统中采用感应式直线电动机（单级感应线圈装置）作为驱动装置，其原理见上文。原理试验时采用的是内动子式直线感应电机，系统实际运行时需要选用外动子式直线感应电机，两者运行机理相同，但做系统设计时要充分考虑其特殊性。

3 车载电磁弹射系统中的电磁机械系统

3.1 滑行小车系统

滑行小车系统是在弹射架系统上的主要结构，其作用是作为车载无人机的弹射载体，小车和无人机进行锁闭，在弹射末端进行释放工作，可以看做是电磁力的传输装置。

3.2 缓冲吸能系统

缓冲吸能系统是整个系统的刹车装置，在无人机电磁弹射系统中的功能是：当无人机加速到安全起飞速度时，滑行小车的动能由缓冲吸能系统吸收，同时无人机则和滑行小车分离起飞。缓冲吸能分系统可以由水涡轮、拦阻钢丝绳、刹车鼓轮、导向滑轮、缓冲橡胶垫和弹簧缓冲器等组成，这样组成的缓冲吸能系统具有效率高、没有反弹、无需专门控制的特点。其中水涡轮作为主要吸能装置，吸收滑行小车的大部分动能，缓冲时滑行小车在拦阻钢丝绳作用下，带动水涡轮的转子转动，滑行小车动能转换为水涡轮工作介质的内能。弹簧缓冲器作为辅助吸能装置，吸收滑行小车经水涡轮缓冲后未能完全被吸收的剩余动能。在弹簧缓冲器工作过程中，滑行小车的动能转化为弹簧的势能及橡胶套的势能。

4 结语

通过分析，单级感应线圈的原理是可行的，然而在实际操作中，需要着力解决的问题是发射距离及发射初速度之间矛盾、滑动小车在轨道中的制动、滑动小车和轨道的散热问题、电机结构中的转子与滑动小车的的咬合缺陷，以及电枢与驱动小车的一体化设计。相信随着电磁发射技术及相关技术的不断成熟，无人机电磁弹射系统是可以实现的。

参考文献

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