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、電容儲能模塊，支架以及外殼的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電磁場有限元分析。

關(guān)鍵詞：電磁力;電磁彈射;超級電容器

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。

電磁彈射器由美國最新下水的（2013年10月11日）福特號航母首先裝備，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)迫儲能裝置就被設(shè)計(jì)了出來。

強(qiáng)迫儲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)迫儲能裝置簡單來說就是將發(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

解決短距離快速彈射加速的難題。

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)迫儲能裝置是利用巨大的飛輪儲能能量，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電容器作為能量儲存裝置，采用電化電的能量轉(zhuǎn)化形式，經(jīng)考察，我國自主研發(fā)的超級電容器電容已經(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)短距離快速彈射加速的目的。

（2）應(yīng)用超級電容器的儲能原理實(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超級電容器儲能

模塊化多功能電磁彈射器采用全新的超級電容器作為儲能的重要部分。超級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，所以利用超級電容器進(jìn)行儲能遠(yuǎn)勝于飛輪儲能。

但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對超級電容器進(jìn)行充電的時(shí)間特別長。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)超級電容器的特點(diǎn)，超級電容器接受電能時(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電容電壓差越大，超級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。所以我在對超級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，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，使多組線圈的磁場耦合在一起，這就避免了電感對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)，如超級電容器的充放電過程電壓電流的大小，電量儲存的多少，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，進(jìn)而使鐵質(zhì)物體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場與線圈的磁場相互作用，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、電容儲能模塊，支架以及外殼。

3.6.2電磁場有限元分析

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500匝共10000匝線圈，由20個(gè)10000uf的儲能電容作為儲能模塊的儲能單元，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，加速段長度450mm。

3.7使用說明

開關(guān)有儲能開關(guān)、彈射開關(guān)。按下儲能開關(guān)即開始蓄能，大約10s蓄能結(jié)束，松開儲能開關(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、超級電容器儲能原理而研發(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)勢在于電容儲能能量轉(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）

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