一种水下电磁发射装置的设计思路及分析

杨冲

（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明，650051）

一种水下电磁发射装置的设计思路及分析

杨冲

（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明，650051）

为便于最大限度满足水下电磁发射需求，相关研究人员逐渐提出了一种新型水下电磁发射装置，与以往发射装置相比较而言其普遍具备操作简单、成本较低、噪音影响较小及工作效率较高等优势，对水下电磁发射准确性有着良好保障。本文主要对新型水下电磁发射装置的设计展开深入化研究分析。

水下；电磁发射装置；设计

0 引言

目前，大多数水下发射装置一般都会将高压气瓶储存中的高压气体作为主要动力支撑，进而保证目标能在发射后始终保持匀速前进并且不会出现失控现象，然而该种方式也存在一定缺点，如体积容量较大、发射噪音污染较大、排放气体较多及使用次数有限等，都容易致使发射目标暴露。充分考虑到储能方式、投资成本、体积容量及瞬时功率等因素，彻底突破以往传统功率电子变换器瞬时功率存在局限，帮助其实现体积容量有效缩小、效率提高及投资较低目标，从而研发出一种可行性较佳的水下电磁发射装置。

1 水下蓄能式电磁发射装置结构

根据相关调查显示，水下蓄能式发射装置主要是由气液缸、气缸活塞、发射管、液压泵、发射阀及其他等构件组合而成，其中气液缸又可分为两方面内容，即为密封气腔和液腔，水下蓄能式电磁发生装置的实际操作原理是先在气缸中心区域气腔内部进行空气的适当添充，继而利用液压泵将液压油全部注入液腔之中，在此种环境影响下，气液缸必然会开始向上运动对气腔内存在气体有效压缩，进而将电磁发射能量全部集中于压缩气体之中。同时在实际发射过程中，操作人员需要将发射阀打开，将气液缸中存在的液体结构全部释放，并借助气液缸活塞运动来推动发射路途中的海水流动，从而促使鱼雷能够迅速明确目标并始终保持不变速度向前前进[1]。

2 新型水下电磁发射装置工作原理分析

随着社会经济水平的飞速上升，相应对水下电磁发射装置也加强了重视，目前形成的新型水下电磁发射装置系统结构具体如图1所示。

图1 新型水下电磁发射装置结构

而其实际工作原理阐述如下：将电磁发射装置的全部能量传送到舰船供电系统内部之中，在电机通电之后启动飞轮装置，在飞轮转动速度不断增加直至到达标准状态后方可停止，让其一直处于该种运动模式下。同时在电磁发射命令传送出之后，电磁耦合器还要立即进行通电，将飞轮自身所存在的力矩全部传递到螺旋机构之中，而螺旋机构在之后运行中便要开始加速直线运动，进而将水压全部注入到发射管末端位置，适当加快发射物体后方位置的发射速度，便于完成电磁发射装置复位操作，从而促使电机能够再次转动飞轮设备，为下一次电磁发射装置的顺利展开提供相应保障[2]。

3 新型水下电磁发射装置设计思路

新型水下电磁发射装置设计环节主要包括以下几方面内容：即能量释放子系统、电磁发射管子系统及电机飞轮储能子系统等，其中电磁发射管子系统主要涵盖内容包括发射控制系统、发射管及水缸等环节，并且与发射装置安装载体之间还有着一定密切联系。在此主要针对电磁耦合器设计原理展开有效探讨分析，一是保证其处于轴向偏移或是径向偏芯等条件下电感和漏感均能保持稳定状态，其次要确保在水下流动过程中充电性能趋于稳定。然而由于磁芯间隙情况的逐渐产生，导致磁场运动周围金属外壳上频频出现涡电流现象，其虽然可以起到电磁屏蔽和极大降低电磁耦合器辐射影响作用，但却因整体外壳体积较大且厚度较厚，都非常容易致使涡电流带来较大能量损失。在这种情况下就需要相关设计人员能在磁芯和外壳二者之间进行一道屏蔽层的增设，进而最大限度降低电磁场对外壳可能带来影响破坏，尽可能避免能量损失情况发生[3]。

而在电机飞轮储能子系统设计过程中，最常见的电机飞轮材料即为纤维复合性材料，外观形状大多都为多层结构原柱形状，而支撑方式也是采取便于快速充电的机械轴承；最后能量释放子系统则是由螺旋构件和电磁耦合器两点内容组合而成，其中螺旋构件需要充分参考借鉴螺旋丝杆和螺母设计制作方式，重点强调关注电磁力矩耦合器设计工作，将其二者有效连接在一起。尤其需要注意的一点就是电磁耦合器在实际应用过程中，输出轴和输入轴二者之间要始终保证存在一定差距，只有这样才能便于传送较大功率转矩，但如果想达到最小噪音污染和能量消耗状态，则需展开全电磁方式的耦合器设计。

4 新型水下电磁发射装置仿真探讨

以潜艇发射管确定目标为主要仿真试验对象，需要充分考虑到潜艇发射运行后产生的附加质量，如水、液压平衡水等，将其质量合理控制在3800kg范围内，并且严格要求电磁发射时间不得低于3s，发射出管速度约在18m/s，进而顺利输出能量E0，约为460kJ，并且电磁发射运行公路最好不要超出1000kW。同时在此基础上还要将圆柱形电机飞轮蓄能全过程所产生的旋转角运行速度设为Wm，假如电机飞轮运行密度为4.0×103kg/m3，那么电机飞轮直径将设为R，厚度为d=1/2R，进而促使电机飞轮能够始终沿着直径运行途径前行。除此之外，如果将电磁力矩耦合器和螺旋构件之间的能量转变效率设为η，那么飞轮直径大小将为0.6m，η≥1,0m，而在电机飞轮转动速度达到5000rpm时，飞轮实际储能也会大大提高，进而输出较大能量，便于充分满足新型水下电磁发射装置实际运行需求。

除此之外，为进一步节省计算实际量和总体耗费时间，还需要将流场控制在一定范围内，并将发射装置放置在流场中心区域，而对于流场外围来说，则需进行160m深度时发射装置所遭受到环境压力的模拟实验，将环境压力实际数据有效控制在1.5MPz,而在边界区域还应适当增加约束限制，进行无限水域的准确模拟，进而保证鱼雷也始终处于曲线运动状态，对电磁发射装置一般也分为两种情况：一是电磁发射装置始终处于不动；二是将电磁发射装置设置为恒定速度缓慢运动。

本文还针对鱼雷发射筒筒底面积对鱼雷发射速度存在影响展开了一系列研究分析，基于不同发射筒筒底直径大小情况进行鱼雷发射筒装置的内部结构设计优化，并且还需将发射筒筒底直径比值合理控制在0、1/2、1等，在此种情况下，得出发射筒筒底面积占据发射筒最大横截面积比值分别为0%、25%、50%、75%及100%等，具体如图2所示[5]。

由上图可以了解到，鱼雷运行速度曲线逐渐呈现出下降趋势，整体过程由最初迅速上升到中间波动，再到后期平稳，其中当发射筒筒底面积占据比值达到100%左右时，鱼雷运行速度明显降低，而导致这种现象出现的根本原因就在于鱼雷发射筒出现完全封闭情况，进而致使鱼雷发射筒发出后前后存在较大差距。基于设计性和经济性角度来说，最好选择发射筒筒地面积处于最大横截面积时的比值50%为鱼雷发射装置实施方案，从而有利于实现新型水下电磁发射装置应用最佳成效[6]。

图2 发射筒筒底截面示意图

5 总结

在科学技术飞速进步背景下，新型水下电磁发射装置设计研究力度也在不断增强，还应对该电磁发射装置蓄能功能等展开深入分析探讨，并借助各种先进准确计算方法展开合理优化计算，进而便于取得符合实际情况的电磁发射结构参数，充分满足电磁发射实际需求，为新型水下电磁发射装置设计的不断创新优化提供良好保障，仅供相关部门借鉴参考。

[1]李军,严萍,袁伟群等.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术,2014,40(4):1052-1064.

[2]张代兵,徐海军.一种新型水下电磁发射装置的设计[J].仪器仪表学报,2005,(S1):388-389.

[3]王猛,张汉泉,伍忠良等.勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统[J].地球物理学报,2013,56(11):3708-3717.

[4]李玉松,亓夫军.一种海洋可控源电磁发射拖体姿态及海洋环境参数在线监测的方法[J].信息通信,2017(6):59-60.

[5]谭赛,鲁军勇,张晓等.电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟[J].国防科技大学学报,2016,38(6):43-48.

[6]刘旭堃,于歆杰,刘秀成等.电磁轨道炮运行阶段系统发射效率和电枢出膛动能研究[J].电工技术学报,2017,32(3):210-217.

Design idea and Analysis of a Underwater Electromagnetic Launcher

Yang Chong(Kunming ship equipment research and test center,Kunming Yunnan,650051)

In order to meet the requirement of underwater electromagnetic launch to the maximum extent,relevant researchers gradually proposed a new type of underwater electromagnetic launch device,the electromagnetic coupler generally has the advantages of simple operation and low cost Lower,less noise impact and higher work efficiency,etc.,and has a good guarantee for the accuracy of underwater electromagnetic launch.In this paper,the design of new underwater electromagnetic launchers is mainly studied and analyzed.

Underwater；Electromagnetic Launcher；Design