小型無人機(jī)電磁彈射器

孫文智

摘要：小型無人機(jī)電磁彈射器是一款可以使小型滑翼式無人機(jī)在短距離加速起飛的裝置，主要的技術(shù)核心在于彈射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置的革新。本論文涵蓋了研發(fā)過程中的三代產(chǎn)品。第一代小型無人機(jī)電磁彈射器完成了儲(chǔ)能裝置、電路、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及仿真模型的實(shí)物制作。成功彈射起飛一架0.2KG的小型滑翔式無人機(jī)，驗(yàn)證了電磁彈射原理的可行性。第二代小型無人機(jī)電磁彈射器在第一代的結(jié)構(gòu)上將線圈數(shù)量增加了9倍，大大的提高了動(dòng)力。第三代小型無人機(jī)電磁彈射器重新進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，完成了動(dòng)力線圈模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)反饋模塊、電容儲(chǔ)能模塊，支架以及外殼的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電磁場(chǎng)有限元分析。

關(guān)鍵詞：電磁力;電磁彈射;超級(jí)電容器

1、引言

彈射器是在航空母艦上用來推動(dòng)艦載機(jī)，增大其起飛速度、縮短其滑跑距離的裝置，全稱為艦載機(jī)起飛彈射器。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，先后出現(xiàn)了壓縮空氣式、火藥式、火箭式、電動(dòng)式、液壓式、蒸汽式以及先進(jìn)的電磁彈射式等多種形式的彈射器。目前，除了蒸汽彈射器和電磁彈射器外，其他形式的彈射器都已經(jīng)被淘汰。即使廣泛使用的蒸汽彈射器由于環(huán)境溫度的限制，彈射能量不可調(diào)節(jié)，也制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。

電磁彈射器由美國(guó)最新下水的（2013年10月11日）福特號(hào)航母首先裝備，其彈射艦載機(jī)的效果明顯優(yōu)于以往的任何一種彈射器。電磁彈射器具有容積小、對(duì)艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低廉等好處。電磁彈射器主要由電源、強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置、直線電機(jī)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。電磁彈射器的原理很簡(jiǎn)單，但是其結(jié)構(gòu)卻相當(dāng)復(fù)雜而且材料工藝要求很高。由于彈射器的目的是在短時(shí)間內(nèi)將幾噸重的飛機(jī)彈射出去，期間消耗的電能很多，電源無法在短時(shí)間供電完畢，所以就需要設(shè)計(jì)一個(gè)可快速轉(zhuǎn)化電能的裝置，于是強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置就被設(shè)計(jì)了出來。

強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置的原理是利用一個(gè)交流發(fā)電機(jī)給一個(gè)交流電動(dòng)機(jī)供電。這其實(shí)很容易辦到，但這個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同時(shí)要拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)和一個(gè)慣性特別大的自由轉(zhuǎn)子（約上百噸）一起旋轉(zhuǎn)，這樣自由轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)就具有非常大的動(dòng)能，但是想要使如此龐大的轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行卻又十分困難。強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置簡(jiǎn)單來說就是將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能，依靠慣性儲(chǔ)存能量，然后在需要時(shí)，快速減慢速度，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈射短時(shí)間內(nèi)所需要的大量電能。強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置的缺點(diǎn)就是在每次將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的上百噸飛輪快速減速時(shí)損耗過多，這也是整個(gè)彈射器最容易出故障的地方，也是技術(shù)難度最大的地方。

2、作品介紹

2.1作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的

解決短距離快速?gòu)椛浼铀俚碾y題。

2.2基本思想

模塊化多功能電磁彈射器是利用電磁力作為動(dòng)力，使物體在短距離彈射加速的裝置。設(shè)計(jì)的主要目的就是要改進(jìn)傳統(tǒng)電磁彈射器中的不足之處，并使其小型化、模塊化，快速短距離彈射物體。

傳統(tǒng)電磁彈射器主要有三大部分，分別是強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置、彈射裝置、控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)電磁彈射器的強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置是利用巨大的飛輪儲(chǔ)能能量，耗費(fèi)大量空間、能量轉(zhuǎn)化率不高等缺點(diǎn)不適合安裝于小型軍艦。小型無人機(jī)電磁彈射器利用超級(jí)電容器作為能量?jī)?chǔ)存裝置，采用電化電的能量轉(zhuǎn)化形式，經(jīng)考察，我國(guó)自主研發(fā)的超級(jí)電容器電容已經(jīng)達(dá)到10000F以上，可以作為一個(gè)良好的儲(chǔ)能裝置，并且利用單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)出一套為大功率超級(jí)電容器快速充電的裝置。

模塊化多功能電磁彈射器擁有一套更簡(jiǎn)潔的彈射裝置，有利于使用及維護(hù)。

2.3創(chuàng)新點(diǎn)

（1）應(yīng)用電磁彈射原理實(shí)現(xiàn)短距離快速?gòu)椛浼铀俚哪康摹?/p>

（2）應(yīng)用超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理實(shí)現(xiàn)能量的高效率轉(zhuǎn)換。

（3）模塊化設(shè)計(jì)便于使用和維修。

2.4.技術(shù)關(guān)鍵

（1）線圈匝數(shù)的確定和布局

（2）彈射器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（3）儲(chǔ)能電容的選擇

（4）電路的設(shè)計(jì)

2.5.主要的技術(shù)指標(biāo)

模塊化多功能電磁彈射器經(jīng)過不斷的改進(jìn)完善，共設(shè)計(jì)了三代產(chǎn)品。

第一代彈射器驗(yàn)證了電磁彈射的可行性，在實(shí)驗(yàn)中只有了10000uf的電容量和700匝線圈成功彈射起一架0.2KG的小型滑翼式無人機(jī)。

第二代彈射器是第一代線圈的疊加版本，將各項(xiàng)參數(shù)放大了9倍

第三代彈射器重新設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)，模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)更便于使用及維修，電路更加規(guī)范，又進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。最終可實(shí)現(xiàn)在450mm的加速段上實(shí)現(xiàn)200N的推力。

3、創(chuàng)新點(diǎn)說明

3.1超級(jí)電容器儲(chǔ)能

模塊化多功能電磁彈射器采用全新的超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能的重要部分。超級(jí)電容器的功率密度高，穩(wěn)定性好，可以反復(fù)充放電幾十萬次，所以利用超級(jí)電容器進(jìn)行儲(chǔ)能遠(yuǎn)勝于飛輪儲(chǔ)能。

但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電的時(shí)間特別長(zhǎng)。于是我便想到了現(xiàn)在流行的閃充技術(shù)。閃充技術(shù)是利用低電壓高電流的模式，在電量固定的前提下，通過增強(qiáng)電壓或電流的方式來縮短充電時(shí)間。根據(jù)超級(jí)電容器的特點(diǎn)，超級(jí)電容器接受電能時(shí)有一個(gè)很重要的因素，那就是充電電壓，超級(jí)電容在接收電能時(shí)，它的電壓由零逐漸升高到額定電壓，而且充電電壓與超級(jí)電容電壓差越大，超級(jí)電容接收電能的速度就越快，功率就越高。也就是說，提高充電電壓，可以減少充電時(shí)間。所以我在對(duì)超級(jí)電容器的充電選擇了高電壓低電流的模式。

當(dāng)需要彈射重型飛機(jī)時(shí)，就需要更多更大的超級(jí)電容器，那時(shí)需要的電壓也會(huì)非常大，為了獲得更大電壓，可以采用單相橋式全控整流電路。

3.2彈射裝置

將超級(jí)電容器組所積攢的電能快速釋放，會(huì)得到一股脈沖電流，將脈沖電流通向一組線圈，線圈會(huì)產(chǎn)生突變的磁場(chǎng)，會(huì)使附近電子定向運(yùn)動(dòng)。在線圈的后面放置一個(gè)鐵質(zhì)物體，鐵質(zhì)物體中的電子定向運(yùn)動(dòng)而形成了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與線圈相互作用，產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)鐵質(zhì)物體運(yùn)動(dòng)，再通過一系列傳動(dòng)桿將動(dòng)力傳送到彈射臺(tái)上就可以彈射物體了。

3.3纏繞線圈

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，線圈纏繞過多或者不當(dāng)而產(chǎn)生的電感會(huì)對(duì)彈射效果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這也限制了獲取的動(dòng)力的大小。經(jīng)過多次嘗試，最佳的線圈纏繞方法是：在同一位置使用多組相同且適當(dāng)匝數(shù)線圈并聯(lián)在一起，使多組線圈的磁場(chǎng)耦合在一起，這就避免了電感對(duì)彈射線圈的不利影響。

3.4控制系統(tǒng)

模塊化多功能電磁彈射器與電磁彈射器同樣是利用電能來彈射飛機(jī)，所以小型無人機(jī)電磁彈射器也應(yīng)該具備一系列的控制系統(tǒng)，如超級(jí)電容器的充放電過程電壓電流的大小，電量?jī)?chǔ)存的多少，每次彈射所需放出的電量，彈射角度等

3.5第一代小型無人機(jī)電磁彈射器的仿真模型設(shè)計(jì)

使用3塊4.2V的鋰電池作為電源，再用12V升500V的變壓器升壓，用這500V的直流電對(duì)10個(gè)并聯(lián)在一起的耐壓為450V電容為1000uf的電解電容充電，電容器充電完成后，將這些電能對(duì)一個(gè)由7組100匝線圈并聯(lián)在一起的線圈一次性放電，線圈會(huì)產(chǎn)生突變的磁場(chǎng)，進(jìn)而使鐵質(zhì)物體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁力，將其作為動(dòng)力，再通過連接桿將動(dòng)力轉(zhuǎn)移到飛機(jī)上，將飛機(jī)彈射出去。

第一代小型無人機(jī)電磁彈射器仿真模型

3.6第三代小型無人機(jī)電磁彈射器

第三代小型無人機(jī)電磁彈射器圖紙

3.6.1圖紙

模塊化設(shè)計(jì)：動(dòng)力線圈模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)反饋模塊、電容儲(chǔ)能模塊，支架以及外殼。

3.6.2電磁場(chǎng)有限元分析

第三代小型無人機(jī)電磁彈射器有限元分析

第三代模塊化多功能電磁彈射器纏繞10對(duì)500匝共10000匝線圈，由20個(gè)10000uf的儲(chǔ)能電容作為儲(chǔ)能模塊的儲(chǔ)能單元，由9個(gè)光電開關(guān)作為彈射器牽引座的運(yùn)動(dòng)反饋模塊，最大水平推力大約200N，加速段長(zhǎng)度450mm。

3.7使用說明

開關(guān)有儲(chǔ)能開關(guān)、彈射開關(guān)。按下儲(chǔ)能開關(guān)即開始蓄能，大約10s蓄能結(jié)束，松開儲(chǔ)能開關(guān)，按下彈射開關(guān)，小型滑翔式無人機(jī)即可被彈射出去，然后手動(dòng)搬回彈射牽引塊即可進(jìn)行第二次彈射。

4、結(jié)論

本論文中的小型無人機(jī)電磁彈射器是基于電磁彈射原理、超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理而研發(fā)出來的，使用了UG、CAD、protues、Motor等軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品。此論文論述了其三代的產(chǎn)品的研發(fā)過程，其最大的優(yōu)勢(shì)在于電容儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)化率高、電磁彈射動(dòng)力足、模塊化設(shè)計(jì)方便使用以及維修。小型無人機(jī)電磁彈射器適用于軍艦等不便于提供飛機(jī)跑道的場(chǎng)合，快速短距離彈射大量無人戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)，形成無人機(jī)集群，進(jìn)行集群作戰(zhàn)。（指導(dǎo)老師：谷耀新）

參考文獻(xiàn)

[1]胡毅，陳軒恕，杜硯，尹婷.超級(jí)電容器的應(yīng)用與發(fā)展【J】.《電力設(shè)備》，2008，9（1）：19-22.

[2]李黎，劉云龍，俞斌，葛亞峰，謝龍君.螺旋線型特斯拉變壓器諧振充電特性研究【J】.《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》，2013，33（33）：145-151.

[3]趙宏濤，吳峻.艦載無人機(jī)電磁彈射器應(yīng)用能力分析【J】.《艦船科學(xué)技術(shù)》，2010，32（3）：78-80.

[4]吳始棟.美國(guó)海軍電磁彈射器現(xiàn)狀【J】.《船電技術(shù)》，2005，25（3）：5-6.