一种新型舰载导弹垂直发射技术①

邹本贵，曹延杰，孙学锋，单岳春，薛鲁强

(海军航空工程学院 指挥系，烟台 264001)

0 引言

舰载导弹垂直发射装置经过近40年的发展，其发射方式主要有“热”发射和“冷”发射［1－3］。“热”发射也称自推力发射，是一种利用导弹固体助推火箭将导弹从发射装置中垂直推出的一种发射方式。该发射方式必须有一套处理火箭燃气的复杂排导系统;在发射过程中会排出高温、高速、强腐蚀性的燃气，威胁发射平台和发射阵地，并产生大量烟雾，不利于发射平台和发射阵地的隐蔽。“冷”发射又称为外动力发射，是一种利用导弹以外的动力(燃气)将导弹弹射出发射筒，离开甲板一定安全高度后，再由导弹发动机在空中点火的一种发射方式。该发射方式发射导弹型号单一，无法实现通用化。

为有效减轻或解决上述问题，降低导弹发射成本，提出一种新型舰载导弹垂直发射装置——舰载导弹线圈发射器(electromagnetic coil launcher for shipborne missile，EMCLSM)，它利用电磁线圈发射技术把电能转换为导弹的动能，将导弹从垂直发射筒弹出一定高度后，导弹的主发动机再点火［4］。EMCLSM既克服“热”发射的缺点，又弥补了传统“冷”发射的不足。与“热”发射方式相比，有如下优点:一是利用电能发射大质量物体，噪声低、后坐力小，不会产生强大的冲击波和烟雾，消除了燃气火焰等红外特征，具有良好的隐蔽性;二是消除了舰载导弹化学能发射所产生的大量高温、高速燃气对舰船设备的危害，无需复杂的燃气排导系统，减小了垂直发射装置的体积和重量。与“冷”发射方式相比，克服了发射导弹型号单一的不足;可以根据发射目标的性质和要求，通过改变发射线圈的级数和脉冲功率电源的储能发射多种型号的导弹，易实现通用化。美国桑迪亚国家实验室和洛克希德·马丁公司通过合作研究和发展协议共同开发设计了这种新型的导弹助推装置，并于2004年12月14日利用EMCLSM成功地将649 kg重的试验样机推进到7.3 m的高度，最大速度达到12 m/s，充分展示了EMCLSM助推导弹的应用潜能，同时展现了电力驱动武器系统的美好前景［5－6］。

本文首先阐述EMCLSM的基本组成和工作原理，根据工作原理建立其数学模型，以某型导弹为发射目标，利用三级EMCLSM对其发射过程进行仿真，探索发射器工作过程的动态特性，验证EMCLSM能否实现该型导弹的垂直发射。

1 EMCLSM结构组成与工作原理

1.1 结构组成

EMCLSM主要由脉冲功率电源、开关、弹射线圈、驱动线圈、发射组件(电枢与导弹)及触发控制电路等组成，如图1所示。

图1 EMCLSM结构组成Fig.1 Components of EMCLSM

由于弹射线圈与电枢的磁耦合更紧密，在相同电流作用下，弹射线圈较驱动线圈能产生更大的加速力，发射组件能以更高的速度进入第一级驱动线圈，减少了发射线圈级数，降低了同步控制的复杂程度，简化了模型结构，且工程上易于实现。该发射器结构已申请了国防专利［7］。

1.2 工作原理

EMCLSM中的弹射线圈和每级驱动线圈都有各自独立的脉冲功率电源馈电。当弹射线圈回路开关闭合时，弹射线圈在脉冲电流的作用下产生变化的磁场，变化的磁场使发射组件中的电枢产生感应电流(涡流)，涡流与磁场相互作用产生电磁力推动导弹向上运动。当导弹向上运动到第一级驱动线圈的最佳触发放电位置时，给第一级驱动线圈馈电，电枢中感应出的涡流与驱动线圈产生的磁场相互作用产生电磁力，推动发射组件继续向上加速运动。依此类推，导弹被一系列发射线圈不断加速，直至达到导弹的发射要求。

2 EMCLSM数学模型

2.1 等效电路方程

EMCLSM电磁发射过程中的等效电路如图2所示。为消除回路中的反向电流，在回路中加入了续流硅堆D。因为弹射线圈和驱动线圈对电枢的作用原理相同，为便于书写，文中统称为发射线圈，且依次编号为第m级发射线圈(m=1，2，…，n)。

图2 EMCLSM等效电路Fig.2 Equivalent circuit of EMCLSM

图2中脉冲功率电源为电容器组。其中，Um0和Cm是第m级电容器组初始充电电压和电容量;Rm为第m级放电回路固有电阻(包括电容器电阻、放电开关电阻和接线电阻);Lm为第m级放电回路固有电感(包括电容器电感、放电开关电感和接线电感);Rdm和Ldm分别为第m级发射线圈的电阻和电感;Rp和Lp分别为电枢的电阻和电感;Mdmp为第m级发射线圈与电枢之间的互感;K为开关;v为导弹速度。

某一时刻t，当给第m级发射线圈馈以脉冲电流时，其等效电路方程如下:

2.2 动力学方程

力是储存能量在运动中的变化率，即在运动方向上的能量梯度［8］。储存在EMCLSM载流导体中的磁能与系统的电感有关。理想情况下，EMCLSM中的总储能:

如果发射组件沿z方向运动(忽略空气阻力的影响)，自感项磁能不变化，只有互感项磁能随z变化。因为导弹垂直向上运动，所以要克服自身重力的作用，设发射组件的总质量为mp，t时刻作用在发射组件上沿z方向的合力:

由式(4)可看出，要得到发射组件沿z方向的推力，只需要计算发射线圈与电枢沿z方向上的互感梯度。在EMCLSM系统中，发射线圈和电枢均可等效为理想的轴对称空心圆柱线圈，2个空心圆柱线圈之间的互感和互感梯度，可使用等效圆环线圈法进行计算［9－10］。

2.3 运动学方程

由EMCLSM的动力学方程根据牛顿定律可得发射组件的加速度:

t时刻发射组件的速度:

t时刻发射组件的位移:

EMCLSM系统的电路方程、动力学方程和运动学方程构成了系统的数学模型，为研究EMCLSM工作过程的动态特性奠定了理论基础。

3 EMCLSM工作过程仿真

3.1 物理模型及系统初始参数

EMCLSM物理模型的结构示意图如图3所示。结构参数和外置电路参数如表1所示。

3.2 仿真结果及分析

以建立的数学模型为基础，物理模型的结构参数和电路参数为初始条件，仿真得出放电回路中的电流、发射组件所受的电磁力、速度和位移随时间的变化规律，如图4～图7所示。

由图4可见，弹射线圈中峰值电流小于驱动线圈的峰值电流，主要是由于弹射线圈的匝数远大于驱动线圈的匝数，所以弹射线圈的自感和电阻较大，故在相同回路参数的激励下，电流峰值较小。

图3 EMCLSM结构示意图Fig.3 Structure diagram of EMCLSM

表1 EMCLSM结构参数与电路参数Table 1 Structure and circuit parameters of EMCLSM

由图5可见，3级发射线圈对发射组件的作用力依次减小，弹射线圈对发射组件的作用力远大于驱动线圈的作用力，主要源于弹射线圈与电枢的磁耦合更紧密，这也说明了在EMCLSM底部加注弹射线圈的结构优于全是驱动线圈的EMCLSM结构。同样结构的第2级驱动线圈对发射组件的作用力大于第3级，主要是因为随着发射组件速度的增大，精确的触发控制难度增大;同时，电枢在高速运动时产生的反电动势也阻碍了发射组件速度的持续增大。所以，随着速度的增大，发射线圈对发射组件的加速效果越来越小。

图4 放电回路电流随时间的变化Fig.4 Current of discharge loop vs time

图5 电枢受力随时间的变化Fig.5 EM force acting on the armature vs time

图6 发射组件速度随时间的变化Fig.6 Velocity of the launch package vs time

图7 发射组件位移随时间的变化Fig.7 Displacement of the projectile vs time

从图6、图7看出，经过3级发射线圈的加速，EMCLSM可将质量为700 kg的导弹垂直加速到最大速度为20.79 m/s，满足导弹的点火要求，实现了导弹的垂直发射。当导弹达到最大速度时，导弹共运动了1.6 m的距离。

从EMCLSM整个发射过程看出，EMCLSM的发射过程是可通过改变发射线圈的级数，或改变系统的初始储能来控制的。所以，EMCLSM可发射不同型号的导弹，易实现通用化。

4 结束语

本文提出了一种基于电磁线圈发射技术的新型舰载导弹垂直发射装置(EMCLSM)，建立了发射器工作过程的数学模型，并对其工作过程进行了动态仿真。仿真结果表明，利用该发射器可实现导弹的垂直发射。具备高储能密度及快速充放电特性的脉冲功率电源技术是制约EMCLSM实用化的关键因素，同时精确同步控制技术和新材料技术的发展，将大大提高EMCLSM的发射效率，拓宽电磁线圈发射技术的军事应用领域，并加快其实用的步伐。

［1］芮守祯，邢玉明.导弹发射动力系统发展研究［J］.战术导弹技术，2009(5):4-9.

［2］吕小红.舰载战术导弹垂直发射系统——未来海战的关键［J］.飞航导弹，2006(2):30-33.

［3］谭汉清，田义宏.国外飞航导弹舰面垂直发射关键技术研究［J］.飞航导弹，2007(4):36-38.

［4］George Raymond Root，JR.Electromagnetic missile launcher［P］.US:US20100089227，Apr.28，2009.

［5］Michael Padilla.Sandia，lockheed martin develop electromagnetic missile launcher for naval shipboard operations［J］.Sandia Lab News，2005，52(2):1-5.

［6］Aubuchont M S，Lockner T R，Turman B N.Results from sandia national laboratories/lockheed Martin electromagnetic missile launcher(EMML)［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(1):75-78.

［7］曹延杰，李瑞锋，邹本贵，等.动能弹丸电磁线圈发射器［P］.中国专利:ZL200810076651.3，2011.12.

［8］王莹，肖峰.电炮原理［M］.北京:国防工业出版社，1995:94-95.

［9］雷银照.轴对称线圈磁场计算［M］.北京:中国计量出版社，1991:209-213.

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