导弹电磁弹射系统功能分析与初步设想∗

（火箭军工程大学 西安 710025）

1 引言

电磁发射技术是当今世界各主要军事大国竞相发展武器发射技术之一，它可以突破传统发射方式的能量限制，进而实现对大质量物体的发射［1］。电磁发射技术应用于导弹武器系统，能够克服传统化学能热发射方式的诸多缺点，将极大提高导弹发射效率，对未来导弹部队作战产生重要影响。由于导弹发射所需推力大，发射控制要求高，目前国内电磁弹射技术应用一导弹武器系统的研究不多，但航母舰载机弹射和无人机弹射技术已初步实用化［2～6］，可作为研制导弹电磁弹射系统的有效参考。

2 导弹电磁发射运动模型

导弹电磁发射系统是一种在垂直方向使用的电磁弹射系统，功能是利用直线电动机产生的电磁力加速导弹至需要的发射速度。为得到所设计弹射系统的综合性能指标，首先需要对导弹电磁弹射系统进行建模和仿真计算。

2.1 运动模型的建立

以导弹垂直发射为例，建立导弹电磁发射时的运动学模型。可以将导弹看作是刚体，质量为m。假设导弹在电磁助推阶段作匀加速直线运动，加速度为a，经过时间t后，助推阶段结束，此时导弹的运动速度为V，助推距离（电磁发射行程）为S，重力加速度为g。导弹垂直发射电磁助推过程如图1所示。

图1 导弹垂直电磁助推发射示意图

图2 助推阶段导弹受力分析示意图

根据物体的运动学，导弹的加速度：

导弹的速度：

导弹的位移：

从而可以得到以下参数：

电磁助推阶段导弹所承受的过载数：

助推时间：

导弹在助推阶段所受到的力有：助推器作用在导弹上的电磁推力F，导弹重力G，空气阻力r和导轨的摩擦力f，导弹受力分析如图2所示。

根据牛顿第二定律：

2.2 相关参数计算与仿真

考虑到助推过程中导轨的摩擦力和空气阻力、电磁发射系统本身的能量转换效率及能量释放不完全等因素，假设电磁发射系统所储能量转换为导弹能量的效率为η。表1是η取不同值时，某电磁发射系统需要具备的基本性能参数。

表1 不同能量转换效率下的基本性能参数

2.3 相关参数的扩展讨论

由式（7）可以看出，在不考虑能量损失的情况下，电磁发射系统需提供的能量最终转换为了导弹的动能和重力势能两大部分。下面主要讨论初始参数，即导弹质量m、助推距离S和出筒速度V与电磁发射系统相关参数的变化和影响关系。

图3 导弹助推距离、出筒速度与过载间的关系

在不同的助推距离下，助推阶段导弹所承受的过载n与助推距离S和出筒速度V之间的关系如图3所示。

在不同的助推距离下，助推器所提供的推力F与助推距离S和出筒速度V之间的关系如图4所示。

图4 导弹助推距离、出筒速度与推力间的关系

由导弹出筒速度所体现的导弹动能，占据了电磁发射系统能量最主要的部分。增加助推距离，能量需求的增加仅为导弹的重力势能。在相同的出筒速度下，助推距离的改变，对电磁发射系统能量需求的影响较小。因此，从能量角度来考虑，导弹助推距离对电磁发射的影响较小。

假设能量的转换效率为60%，在不同的助推距离S下，导弹出筒速度V与所需功率P之间的关系如图5所示。

图5 导弹助推距离、出筒速度与所需功率间的关系

由图5可以看出，随着助推距离的增加，电磁系统的功率需求会大大减少。因此从功率角度考虑，导弹助推距离对电磁发射系统的功率有重大影响。综合图3和图4可以看到，在条件允许的情况下，应尽可能增加导弹的助推距离。

3 导弹电磁发射系统功能分析

3.1 电能供应能力

机动发射是提高导弹生存能力的重要途径，因此电磁发射系统需要具备独立的能量供应能力，确保在需要的时间内给导弹弹射时提供足够的能量。

3.2 能量快速储放能力

在助推发射阶段，导弹自身的动能完全来自于电磁发射系统，电能快速储存并有效释放与转换为导弹动能是电磁发射系统需要具备的最基本的能力之一［5～6］。导弹电磁发射系统的最主要的功能是将电能转换为导弹的动能，为导弹提供必要的初始速度。

可以看出，弹射阶段导弹在短时间内（约1s）需要巨大的能量，直接供电的情况下电网无法承受如此巨大的负荷（按380V的动力电源计算，电网需要的提供的稳态瞬时电流高达12万安），供电强度极不匹配，必须进行储能。使用储能装置，可以在发射前储备足够的能量，发射时将储能装置中的能量在要求的时间内释放出来，以满足导弹弹射助推阶段的能量需求。所以电磁发射系统本身要具备强大的能量储备能力和快速的能量释放能力。

3.3 电力控制和安全监测能力

在将电能转换为导弹机械能的过程中，瞬时功率要求非常大（兆瓦级），需要对电磁发射系统中的电气推进部件进行协调，因此电磁发射系统还需要具备相应的电力分配、规划、输送和电力安全保证等能力。

电磁发射系统在导弹弹射助推过程中，需要根据导弹参数和环境的变化完成助推参数的调整，既保证将导弹所承受的过载控制在一定范围内，又确保导弹在助推结束后达到所需要的初始速度。同时，电磁发射系统还需要担负整个电磁发射系统的故障预警和报警任务。因此，电磁发射系统需要具备电能供应、快速储电、瞬时放电、能量转换、调控和监测等五大能力。

图6 电磁发射系统的基本功能

4 导弹电磁弹射系统初步设计

根据电磁发射系统所应具备的基本功能要求，通过分析可以得到电磁发射系统的基本构成。对系统进行设计时，在满足功能目标的同时，还要充分考虑实际作战运用下对系统体积质量的要求。技术上要从现有实际出发，也可适当超前，防止出现设计完成即已技术落后的现象。

4.1 电源子系统

按现有条件和实战要求，电源系统可由柴油发电机组和民用动力电源加变电设备组成，在规定的时间内为强迫储能子系统提供足够的电能。柴油发电机组在无外接电源的情况下使用，为导弹发射提供独立的能量来源，保证导弹的独立与机动发射。在有外接民用动力电源的情况下，经变电及供配电设备后，供电磁发射系统使用。根据文章初步计算，可采用输出功率为20kW的柴油发电机作为移动式电源系统，经过变电设备后控制输出电流达到一定的电压和电流值（如1000V，16A）即可基本满足设计要求，实现短时间对储能系统的充电。

4.2 储能子系统

由于导弹电磁助推阶段时间短，能量需求巨大，在目前条件下，无法利用现有电力系统完成导弹发射时所需能量的实时供给，必须依靠强迫储能子系统将所需电能事先储存起来，在导弹弹射时完成在要求时间内的电能释放，它要求在1s内或更短时间内提供一个高功脉冲电流。考察现有的储能技术，在符合高功率密度、使用寿命和实体体积质量的情况下，较好的方案是采用超级电容进行储能。超级电容是一种根据双电层理论所提出的新型电容器，性能稳定，使用寿命长，充放电速度非常快，单个电容容量远大于传统电容器［7～11］。但超级电容存在单体电压耐性差的问题，可采取多级超级电容进行串并联组合的方式提高总输出电压和电流［12］可以实现大容量高功率的要求。图7为超级电容储能陈列示意图。

图7 超级电容储能阵列示意图

4.3 导弹电磁助推子系统

导弹电磁助推子系统接收来自强迫储能系统的电能，通过电力电子系统的分配调节，按时序和功率等要求将电能输送至导弹电磁助推子系统转换成电磁推力，电磁助推子系统电磁推力做功转换成导弹机械能，逐步加速导弹到需要的速度。电磁助推子系统的核心直线弹射电机，目前适用于电磁弹射系统的弹射电机主要包括直线感应电机和直线同步电机两种，其中直线同步电机又分为永磁型和超导励磁型同［13］。直线感应电机可以设计强固的次结构，次级导电板与发射体质量比很小，环境耐受性良好，运行可靠，但其工作电流大，功率因数偏低。永磁直线同步电机功率因数高、推力密度大，但永磁体加工装配困难，磁体存在退磁问题，输出推力较大时动子尺寸较大。超导励磁直线同步电机功率因素最高，电力电子变换装置尺寸最小、成本最低，但超导线圈对温度要求高，维护困难，为维护低温使得次级质量大较［14～20］。

综上分析，直线感应电机在动子制动以及与现有大功率开关器件的匹配程度方面比另外两种电机更有优势，因此电磁助推子系统方案选择直线感应电机。电机采用长初级短次级双边直线感应电机。在实际系统设计中，直线电机的结构参数和电磁参数还需经过科学的设计，以达到推力的稳定输出和对弹射速度及位置的精确控制。

4.4 其他子系统

电力电子与自动控制子系统：电力电子变换系统的主要作用是从储能系统获取电能，实现助推系统的分段供电策略和弹射器速度与位移控制［11］。位置和速度检测装置可采用光栅尺和激光测速测距等［21］，利用反馈信息，可设计PID闭环的速度与位移控制，或采用自律分散控制技术进行自动控制等。

状态监测子系统：状态监测子系统通过实时监测电磁发射系统的技术参数与健康状态，判断电磁发射系统能否完成发射任务，进行故障报警和剩余寿命预测，同时担负整个电磁发射系统的状态显示与故障报警任务，将电磁发射系统的实时状态反馈给电力电子与自动控制子系统。作为附属子系统，其所起的作用并不亚于其他子系统，是整个导弹电磁弹射系统可靠性安全性的关键。状态监测和预警处理的科学设计也是导弹电磁弹射系统整体设计的重要组成部分。

5 结语

导弹电磁弹射系统的设计是一个复杂的系统工程，需要考察作战需求和相关技术、工艺发展现状等多方面因素。本文通过建模和仿真计算，对系统进行了功能分析和初步设计，在可能条件下，增加助推行程可较明显地改善弹射器推力与过载数、发射速度的矛盾，降低设计难度。生活用电、工业用电和大功率发电机，通过变压等方式，可以实现弹射器的有效能源供给。超级电容是导弹电磁弹射器储能装置较好的选择，其主要困难在于体积质量较大，还需要相关技术的进一步发展。直线感应电机可作为导弹电磁弹射系统驱动装置。为保证系统的可靠性和安全性，需要对导弹电磁弹射用直线电机进行科学的结构设计和控制系统开发。