一種無(wú)人機(jī)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王 湘，吳 峻，孟慶富

（國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)信息化、自動(dòng)化程度不斷提高，無(wú)人作戰(zhàn)已經(jīng)成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的主要形式，無(wú)人機(jī)作為一種迅速發(fā)展的新型信息化武器裝備，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有著舉足輕重的地位［1］。特別是近兩年，隨著人工智能的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)樣式逐漸由“單打獨(dú)斗”向“集群智能”發(fā)展［2］，無(wú)人機(jī)集群形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)，具有極佳的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和任務(wù)完成能力，美國(guó)空軍研究室（AFRL）的Bruce T.Clough 等通過(guò)研究表明，采用無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)可以用來(lái)完成在復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下的協(xié)同搜索、協(xié)同干擾、協(xié)同攻擊、集群對(duì)抗等任務(wù)［3］。無(wú)人機(jī)集群必將成為未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的重要作戰(zhàn)樣式。

由于其續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)載能力強(qiáng)，固定翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)在無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。但是，固定翼無(wú)人機(jī)在不同環(huán)境、不同場(chǎng)地的起飛問(wèn)題使得其對(duì)起飛方式有較高的需求，迫切需要有一種通用性強(qiáng)、安全性高、響應(yīng)迅速的起飛方式來(lái)提高戰(zhàn)斗力。

目前無(wú)人機(jī)集群起飛方式有：空中投放、多管火箭助推、多彈射器同時(shí)彈射多架無(wú)人機(jī)。例如，由美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)的“小精靈”項(xiàng)目［4］采用空中投放的方式發(fā)射和回收無(wú)人機(jī)，但空中投放對(duì)空軍基地依賴(lài)性高，且發(fā)射成本較高，獨(dú)立作戰(zhàn)能力不強(qiáng)［5］；美國(guó)無(wú)人機(jī)方案公司（UAV Solutions）開(kāi)發(fā)的平臺(tái)發(fā)射小型無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)［6］，以及美國(guó)海軍研究局公布的名為L(zhǎng)OCUST“蝗蟲(chóng)”的新型裝備屬于發(fā)射管發(fā)射小型無(wú)人機(jī)，其整個(gè)發(fā)射裝置具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性［7］，但只針對(duì)尺寸小、重量輕的折疊翼無(wú)人機(jī)，不適用于固定翼無(wú)人機(jī)，且采用火箭助推的方式，存在起飛發(fā)射能耗大、受火工品的制約和安全性差等缺點(diǎn)；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司通過(guò)多彈射器的方式成功演示了固定翼無(wú)人機(jī)的密集彈射起飛試驗(yàn)［8］，該試驗(yàn)存在占地面積大、機(jī)動(dòng)靈活性差、維護(hù)運(yùn)輸費(fèi)用高等缺點(diǎn)，需要大量彈射器同時(shí)彈射無(wú)人機(jī)，無(wú)法根據(jù)任務(wù)需求靈活增加無(wú)人機(jī)起飛數(shù)量，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)快速、機(jī)動(dòng)、靈活的要求。

固定翼無(wú)人機(jī)的彈射起飛方式主要有氣/液壓彈射和火箭發(fā)射方式［9］，其中，氣/液壓彈射器需要復(fù)雜的液壓或氣壓系統(tǒng)，功率密度低，連續(xù)彈射響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，從彈射完畢到下一次彈射時(shí)間為3 min～6 min［10］，無(wú)法適用于無(wú)人機(jī)快速連續(xù)地彈射起飛；火箭發(fā)射方式需要管理火工品，且成本高。而新近發(fā)展的電磁彈射具備裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡(jiǎn)便、功率密度高、彈射間隔短、編程可控的特點(diǎn)，可適用于不同機(jī)型的無(wú)人機(jī)起飛，相比較氣/液壓彈射，電磁彈射更適用于無(wú)人機(jī)連發(fā)型彈射系統(tǒng)。因此，本文針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)起飛裝備的不足，提出了一種無(wú)人機(jī)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)，考慮到戰(zhàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，需具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性［11-14］，在電磁彈射基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種車(chē)載彈射系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的全自動(dòng)化連續(xù)快速?gòu)椛淦痫w中小型固定翼無(wú)人機(jī)。

1 連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

1.1 技術(shù)指標(biāo)及其分析計(jì)算

以協(xié)同搜索任務(wù)為例，將“不死鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)作為連續(xù)彈射起飛的目標(biāo)?！安凰励B(niǎo)”無(wú)人機(jī)全重180 kg，巡航速度120 km/h。根據(jù)要求，連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下［15］：

表1 連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

以恒加速方式彈射起飛無(wú)人機(jī)，設(shè)加速度為a，無(wú)人機(jī)質(zhì)量為M，動(dòng)子和支撐架質(zhì)量為m，不考慮彈射軌道的傾角。設(shè)Fe表示電磁推力，fd為飛機(jī)受到空氣的阻力，ff為電磁彈射器動(dòng)子的摩擦阻力。則飛機(jī)在加速過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，S 為機(jī)翼面積，CD為阻力系數(shù)，ρ 為空氣密度，u 為軌道摩擦系數(shù)，v 為無(wú)人機(jī)的速度。u 取0.01，ρ為1.225 kg/m3，M 為180 kg，m 為20 kg。S=2 m2，CD=0.1，計(jì)算得到飛機(jī)所受空氣阻力為141.61 N。

若飛機(jī)以7 g 的加速度進(jìn)行加速，飛機(jī)的末速度為34 m/s，由：

得加速距離x=8.42 m，加速時(shí)間：

得t=0.48 s，F(xiàn)e=14.166 kN。

電磁彈射器的電磁推力計(jì)算公式為：

Z 為電機(jī)初級(jí)鐵心槽數(shù)，N 為電機(jī)初級(jí)繞組匝數(shù)，Im為電機(jī)初級(jí)繞組導(dǎo)體內(nèi)通入的電流，Bgm為電機(jī)次級(jí)永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，L 為電機(jī)初級(jí)電樞繞組導(dǎo)體縱向長(zhǎng)度。計(jì)算得電流的大小為1 760 A。

電磁彈射器提供的最大功率為：

考慮電機(jī)的效率和裕量，設(shè)定電機(jī)峰值功率為600 kW，則電機(jī)所需的供電電壓為340 V。

1.2 工作特性

連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)用于在短時(shí)間內(nèi)將一定數(shù)量的無(wú)人機(jī)連續(xù)彈射起飛，電磁彈射電機(jī)為加速-制動(dòng)-拉回的工作狀態(tài)［16］，其彈射時(shí)間短，一般為秒級(jí)。通常對(duì)彈射物以恒加速度方式進(jìn)行加速，以避免推力波動(dòng)過(guò)大對(duì)無(wú)人機(jī)造成破壞。單次彈射起飛完畢，采用反接的方式將電機(jī)動(dòng)子拉回。圖1為連續(xù)彈射工況下所提系統(tǒng)的電機(jī)功率-時(shí)間曲線(xiàn)，彈射一次所需時(shí)間為0.48 s，彈射完畢后，電機(jī)動(dòng)子和支撐架回到起點(diǎn)，并且重新裝載無(wú)人機(jī)的時(shí)間為彈射間隔tp，它可根據(jù)彈射指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)定。圖中可以反映出該系統(tǒng)具有固定時(shí)序的工作特點(diǎn)。

圖1 連續(xù)彈射電機(jī)功率-時(shí)間曲線(xiàn)

2 連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

如圖2 所示，系統(tǒng)包括彈射電機(jī)、無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、驅(qū)動(dòng)器和儲(chǔ)能模塊以及控制系統(tǒng)等5 個(gè)主要部分。

圖2 連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)方案

其中，彈射電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為無(wú)人機(jī)提供加速的推力；控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)的位置信號(hào)，電壓，電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈射電機(jī)和無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)的控制；機(jī)庫(kù)用于存貯和運(yùn)輸無(wú)人機(jī)；驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)；儲(chǔ)能設(shè)備為系統(tǒng)提供能量。

2.1 彈射電機(jī)

彈射電機(jī)主要由永磁體陣列、電樞鐵芯、支撐彈射平臺(tái)及分布在兩端的位置傳感器組成。傳感器的作用是檢測(cè)無(wú)人機(jī)支撐彈射平臺(tái)的位置，實(shí)現(xiàn)彈射平臺(tái)在彈射與拉回之間狀態(tài)的切換，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)彈射，提高彈射效率。

圖3 彈射電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)庫(kù)

機(jī)庫(kù)是一種集無(wú)人機(jī)貯存、運(yùn)輸?shù)南涫浇Y(jié)構(gòu)，包括機(jī)械箱體框架、PLC 電控系統(tǒng)、機(jī)電控制系統(tǒng)等。平時(shí)可以貯存一定數(shù)量規(guī)模的無(wú)人機(jī)，提高了無(wú)人機(jī)的維護(hù)性和可靠性；戰(zhàn)時(shí)可由傳動(dòng)系統(tǒng)連續(xù)向電磁彈射器裝填無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)連續(xù)彈射起飛，具有較強(qiáng)的戰(zhàn)時(shí)反應(yīng)能力。根據(jù)集群彈射起飛的指標(biāo)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、尺寸以保證空間利用率和系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性。

如圖4 所示，機(jī)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：伺服電機(jī)、齒輪齒條、減速箱、齒輪齒鏈和裝夾適配結(jié)構(gòu)。其中，伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)齒輪，在齒條方向進(jìn)行垂直方向運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)齒輪，并帶動(dòng)鏈條進(jìn)行水平方向運(yùn)動(dòng)；裝夾適配結(jié)構(gòu)能夠解決無(wú)人機(jī)從機(jī)庫(kù)到彈射器的過(guò)渡精準(zhǔn)裝夾的問(wèn)題。每彈射一架無(wú)人機(jī)，彈射架復(fù)位，機(jī)庫(kù)及傳送帶自動(dòng)將無(wú)人機(jī)架設(shè)在彈射器上，再進(jìn)行二次作業(yè)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)連續(xù)批量彈射，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化彈射。

圖4 無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)立體圖

2.3 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)永磁無(wú)刷直流彈射電機(jī)，由6 個(gè)全控性功率器件組成三相全橋交流電路。根據(jù)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)的工作特性，電磁彈射器加速距離有限，彈射電機(jī)的工作電流大，且連續(xù)彈射。在完成一次彈射后，需反向運(yùn)行將電機(jī)動(dòng)子拉回至初始位置。連續(xù)工作條件下，需要考慮外加散熱器將功率器工作所產(chǎn)生的熱量散出。

2.4 儲(chǔ)能設(shè)備

本系統(tǒng)具有周期性和秒級(jí)脈沖大功率輸出的特點(diǎn)，20 s 內(nèi)彈射一次，存儲(chǔ)的能量能夠支撐彈射起飛機(jī)庫(kù)中所有的無(wú)人機(jī)，這就要求儲(chǔ)能設(shè)備具有較大的功率密度和能量密度。

儲(chǔ)能采用超級(jí)電容與蓄電池組合的方式，其中，蓄電池提供穩(wěn)定低頻的平均功率，超級(jí)電容迅速提供負(fù)載剩余部分的高頻功率的。在提高功率密度和能量密度基礎(chǔ)上，這種組合能有效縮短彈射周期的充放電時(shí)間，提高電磁彈射速率，有效降低蓄電池放電電流，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

2.5 控制系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和負(fù)載條件實(shí)現(xiàn)對(duì)彈射電機(jī)和機(jī)庫(kù)的控制，使彈射電機(jī)與無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)協(xié)調(diào)工作，按照設(shè)定的方式完成連續(xù)彈射起飛的任務(wù)。

彈射電機(jī)的控制包括：對(duì)動(dòng)子位移的檢測(cè)，通過(guò)傳感器檢測(cè)的位移信號(hào)，作為電機(jī)換相的輸入。同時(shí)，也包括對(duì)彈射電機(jī)的電氣參數(shù)的檢測(cè)，為彈射電機(jī)的閉環(huán)控制提供參量，并且是驅(qū)動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)；微處理器有單片機(jī)、ARM 和DSP。這3 種微處理器中DSP 的資源和功能十分強(qiáng)大，并且擁有很高的運(yùn)算速度和精度，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈射電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

機(jī)庫(kù)的控制：這是一種過(guò)程控制系統(tǒng)，隨著可編程邏輯控制器（PLC）的廣泛應(yīng)用［17］，與單片機(jī)相比，其抗干擾能力強(qiáng)、故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，因此，可采用PLC 實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。根據(jù)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，將PLC 的接口與計(jì)算機(jī)的串行口連通［18］，觸摸屏作為人機(jī)交互接口（HMI），對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，包括查看各元件工作狀態(tài)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并發(fā)送運(yùn)行控制命令。

2.6 系統(tǒng)方案分析

該系統(tǒng)方案具有一定的理論依據(jù)，在準(zhǔn)備階段，通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)控制無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從機(jī)庫(kù)到彈射電機(jī)的裝填；發(fā)射時(shí)，按照儲(chǔ)能設(shè)備的固定時(shí)序或傳感器對(duì)彈射電機(jī)動(dòng)子位置檢測(cè)依次觸發(fā)放電，并且通過(guò)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生三相電流。可以看出，連發(fā)型無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)只要輸入足夠的周期性電流，完全可以實(shí)現(xiàn)彈射電機(jī)的連續(xù)彈射。無(wú)人機(jī)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)組成如圖5 所示，系統(tǒng)通過(guò)PLC 控制伺服電機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)的傳輸功能，并控制彈射電機(jī)動(dòng)作，各分系統(tǒng)之間必須相互協(xié)調(diào)、高度統(tǒng)一、充分發(fā)揮各自效能，達(dá)到無(wú)人機(jī)連續(xù)彈射的高效率、高精度。

圖5 無(wú)人機(jī)連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)框圖

3 控制系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)需在彈射間隔時(shí)間內(nèi)，從機(jī)庫(kù)中快速移動(dòng)無(wú)人機(jī)，并裝填到彈射器上，具體控制流程如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

傳送過(guò)程是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［19］。布置光電傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)的彈射狀態(tài)進(jìn)行判斷，若處于未彈射狀態(tài)，可通過(guò)兩自由度的機(jī)庫(kù)運(yùn)動(dòng)將無(wú)人機(jī)裝夾固定至彈射器。運(yùn)用PLC 電控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)的啟停，并通過(guò)增加PLC 的模擬量模塊控制伺服電機(jī)PWM 占空比，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)庫(kù)平臺(tái)的加（減）速運(yùn)行。采用Siemens s7-200 型號(hào)的PLC 控制器，其中的EM253 模塊能夠產(chǎn)生高速脈沖對(duì)伺服電機(jī)的位置或速度進(jìn)行控制。

3.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案，具體為：彈射準(zhǔn)備階段，利用蓄電池給超級(jí)電容補(bǔ)充充電；彈射起飛階段，采用蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)向彈射電機(jī)供電；制動(dòng)階段，通過(guò)能量回饋過(guò)程，將多余的功率回饋至超級(jí)電容；彈射電機(jī)動(dòng)子返回階段，蓄電池為彈射電機(jī)供電并將電機(jī)動(dòng)子拉回至初始位置，同時(shí)也給超級(jí)電容充電。這種方式可避免蓄電池長(zhǎng)時(shí)間大電流的放電，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，克服了蓄電池單獨(dú)供電無(wú)法應(yīng)對(duì)大功率波動(dòng)、超級(jí)電容單獨(dú)供電無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的缺陷。

圖7 所設(shè)計(jì)的蓄電池- 超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，蓄電池與超級(jí)電容分別通過(guò)雙向DC/DC 變換器連接到直流母線(xiàn)，蓄電池與超級(jí)電容充放電功率能夠完全解耦，實(shí)現(xiàn)合理控制。首先通過(guò)基于模糊控制的能源管理策略，根據(jù)電機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)功率、蓄電池荷電狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)進(jìn)行功率分配；并設(shè)計(jì)用于混合儲(chǔ)能的充放電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。利用超級(jí)電容對(duì)直流母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)恒壓控制。圖8 為基于模糊控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理。

圖7 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

為實(shí)現(xiàn)上述功能，在整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3 個(gè)控制器，其控制原理圖如圖9 所示。

控制器1 通過(guò)采集蓄電池的放電電流與放電電壓，根據(jù)負(fù)載功率在低頻分量檢測(cè)以及模糊控制器得出的功率信號(hào)，得出蓄電池的實(shí)時(shí)放電電流大小；控制器2 采集負(fù)載的直流母線(xiàn)電壓以及超級(jí)電容放電電流，根據(jù)給定電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定；控制器3 采集超級(jí)電容電流和給定電流值，實(shí)現(xiàn)蓄電池給超級(jí)電容恒流充電。

圖9 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制原理圖

為了使無(wú)人機(jī)分離后彈射臺(tái)能在較短的距離實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)，并且有效地回收利用能量，回饋制動(dòng)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到儲(chǔ)能裝置。在制動(dòng)條件下，保證雙向DC/DC 變換器開(kāi)通，采用超級(jí)電容吸收回饋能量。

相比較蓄電池單獨(dú)供電的儲(chǔ)能系統(tǒng)，此方案明顯減少了蓄電池的使用數(shù)量，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度，提高了系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性；并且有效減小超級(jí)電容的放電電量，減少了蓄電池給超級(jí)電容充電的時(shí)間，從而有效縮短彈射周期，提高連續(xù)彈射速率。

4 仿真分析

本設(shè)計(jì)通過(guò)傳送機(jī)構(gòu)把固定翼無(wú)人機(jī)從機(jī)庫(kù)快速裝填至彈射器的過(guò)程，來(lái)驗(yàn)證整套基于PLC 的無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)的可行性。控制傳送機(jī)構(gòu)的PLC 梯形圖程序如下頁(yè)圖10 所示。

仿真測(cè)試結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳送機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確控制，可以完成實(shí)際應(yīng)用中的一些基本實(shí)用操作。且整個(gè)控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能良好，滿(mǎn)足連發(fā)型無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

并在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，分別仿真蓄電池與超級(jí)電容同時(shí)放電和超級(jí)電容組恒壓放電，以及電機(jī)的回饋制動(dòng)。

表2 仿真用超級(jí)電容參數(shù)

圖10 PLC 梯形圖程序

首先基于模糊控制對(duì)連發(fā)型電磁彈射器的負(fù)載需求功率進(jìn)行功率分配，如圖11 所示。

圖11 基于模糊控制的需求功率分配結(jié)果

再分別對(duì)采用單一超級(jí)電容組和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以及能量回饋制動(dòng)進(jìn)行仿真，得到超級(jí)電容電壓，如圖12、圖13 所示。

圖12 彈射階段超級(jí)電容電壓

從仿真結(jié)果來(lái)看，超級(jí)電容從滿(mǎn)電壓狀態(tài)到進(jìn)行一次彈射后端電壓分別變化為153.3 V 和163.2 V。

圖13 制動(dòng)狀態(tài)下的超級(jí)電容電壓

對(duì)于仿真所用的連發(fā)型電磁彈射器，如果僅用蓄電池供電，用12 V、100 Ah 的鉛酸蓄電池，單個(gè)重量為38 kg，則需要29 個(gè)蓄電池串聯(lián)使用，且單個(gè)蓄電池的放電電流達(dá)到1 760 A。而采用本文所設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，所需17 個(gè)蓄電池進(jìn)行串聯(lián)，以及3 個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)使用，每個(gè)超級(jí)電容的重量為13.7 kg，再加上兩個(gè)雙向DC/DC 變換器的重量為80 kg，則總重量為767.1 kg，達(dá)到了提高功率密度的目的。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種固定翼無(wú)人機(jī)車(chē)載連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)，結(jié)論如下：

1）將彈射電機(jī)、無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、驅(qū)動(dòng)器、儲(chǔ)能設(shè)備和控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，同時(shí)也將貯存運(yùn)輸彈射集于一體，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)、快速、連續(xù)彈射起飛。

2）PLC 電控系統(tǒng)的運(yùn)行效率和功能實(shí)現(xiàn)直接關(guān)系到系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，需合理設(shè)計(jì)硬件和軟件。

3）采用蓄電池與超級(jí)電容組合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠減小超級(jí)電容的放電電量，縮短充放電時(shí)間，提高電磁彈射速率，并且能有效提高系統(tǒng)的功率密度，增加系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性。

4）系統(tǒng)可以解決無(wú)人機(jī)集群彈射起飛方式存在的局限性問(wèn)題，對(duì)集群作戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)有力支撐。