電磁彈射原理和前景探討sugarly@摘要：本文介紹了電磁彈射技術的原理和特點，尤其深入闡述了電磁學原理在該技術里的應用。本文還展望了電磁彈射技術在軍事，民用，工業領域應用的光明前景Abstract：Thepaperintroducedthebasicprincipleandfeaturesofthenewtechnique（EMALS）,especiallytheuseoftheknowledgeofelectromagnetism.Inthispaper,thebrightfutureoftheapplicationofthisnewtechnologyinmilitary、civil、industrialareasisalsobeintroduced.電磁彈射技術是一種新興的直線推進技術，適宜于短行程發射大載荷，在軍事、民用和工業領域具有廣泛應用前景。電磁彈射系統(EMALS)是世界發達國家競相研究的一種高新技術。它是一種航空母艦艦載機起飛技術，是對傳統艦載機起飛技術的重大突破。電磁彈射系統可以彈射不同型號的飛機，能夠彈射蒸汽彈射器所不能彈射的預警機，方便控制與維護。（一）電磁彈射系統組成與基本原理電磁彈射器主要包括儲能系統、電力電子系統、直線電機、控制系統，另外還要有冷卻系統、預加動力裝置、減速緩沖與剎車裝置等。這些分系統、裝置組合在一起，形成一個高性能的彈射系統。儲能系統在特定的時間周期內從航空母艦的配電系統獲得電能，并將儲存的能量在2-3S的彈射期內以脈沖形式轉換為電能。電力電子系統控制儲能系統脈沖放電，調節直線電機動子速度，使飛機達到起飛速度。控制系統保證彈射過程按規定的參數完成彈射。電磁彈射器實質是能量型直線電機。直線電機的動子滑塊在電磁力作用下，通過拖鉤拖動飛機，使其達到起飛速度。（1）運動學、動力學分析通過運動學分析，明確機構的位置、速度、加速度和時間的關系。通過動力學分析，明確直線電機的驅動力與動子不同運動狀態的關系，確定驅動力和定子及動子在運動過程中的力的關系。這是確定伺服電機規格的基礎，也是控制系統設計的重要依據。（2）飛機起飛受力分析飛機從航母上起飛本身是一個復雜的問題。艦面是一個海上六自由度運動的平臺，它不僅在海平面上作平面運動，而且在海浪的作用下還會產生縱向和橫向的搖動以及升降運動。航母上的大氣紊流情況也比較復雜，除了陸地機場通常存在的大氣紊流以外，由于航母龐大的艦體以及自身的運動，還會在艦首產生上升氣流，并在艦尾處形成較強的公雞尾狀的尾流。氣候、浪涌、風力、風向、航母行進速度、航母縱搖、橫搖都直接影響飛機起飛效果。飛機本身要設置為一個最佳起飛狀態，如起飛迎角、加力大小等。作為初步研究，可只進行縱向運動分析，其運動方程形式與陸基飛機是一樣的。彈射起飛時，艦載飛機達到起飛速度、脫離拖動裝置即認為彈射過程結束。飛機在艦面彈射滑跑時，將飛機視為質點，設甲板坡度為零，飛機可用推力始終與甲板平行。在不計飛機彈性變形、不計輪胎壓縮量及起落架液壓支柱的壓縮量的剛性假設下飛機起飛受力分析在以OXZ為質心的航跡坐標系上，飛機在鉛垂面內的彈射起飛運動方程為（1）式中：--------飛機質量----------飛機推力--------彈射器在飛機上的作用力--------飛機與甲板之間的摩擦力------飛機前進方向的動阻力，是飛機速度的函數---------飛機升力-------飛機起飛預置迎角--------發動機推力安裝角---------飛機重力-------甲板對飛機的支持力其中飛機升力和飛機動阻力可以由下式計算：（2）（3）--------飛機風阻系數--------升力系數---------空氣密度-----飛機迎風面積飛機和甲板的阻力可以這么算（4）是飛機起飛時輪子和甲板的滾動摩擦系數（3）動子滑塊的運動學、動力學分析在電磁力推動下，動子滑塊在拖動飛機前進過程中，將受到飛機的反作用力、風阻力、運動摩電磁彈射器工作過程示意圖（二）電磁彈射器電機選型直線電機類型較多，主要集中在兩種類型的選擇，永磁直線電機和直線感應電機。二者區別僅在于動子構成。永磁式電機的動子是將永磁鐵嵌在非磁感應材料構成的框架中，而感應電機的動子則由大面積銅板構成，兩種類型各有利弊。有關研究表明，永磁直線電機比感應電機具有明顯優勢：力能指標高、體積小、重量輕，且具有發電制動功能。而直線感應電機還存在發熱高、結構復雜、不方便維護的缺點。現在看來，永磁直線同步電機將是首選。下面介紹永磁直線電機永磁直線電機（1）電磁推力動圈式永磁電機工作時，動圈上承受的電磁推力，可以認為有兩個分量合成。一是由永磁體產生的空載線圈與動圈電流相互作用產生的主電磁推力；二是由于磁路對線圈不對稱，單獨存在動圈電流時的磁阻推力。即（2）力移特性分析永磁直線電機的相方程式式中P為微分算子，，是各相繞組的自感和互感；為永磁體與初級各相繞組的互感，是初級各相電流；為初級各相的電阻；為永磁體的等效定子電流。永磁體與初級各相繞組的互感為為極距；X為動子磁軸與初級A相相繞組磁軸之間的實際運行距離;為互感系數且，為空載電勢幅值。以A相初級繞組為參考軸，三相電流為其中為初級電樞電流幅值.根據電磁場理論，永磁電機的磁場能量為為永磁體的等效磁鏈。繼而的永磁直線電動機的電磁推力為其中3個位置的正弦信號為，三相對稱繞組的電流所以綜合以上各式得電磁推力為（3）推力波動優化磁阻力分析式中，為初級長度，將DF展開為傅里葉級數，從而得因此，對于任意有限長度的初級鐵心，其為，式中DF最小化分析從上述分析中可以得出，合成的DF幅值與初級長度密切相關。因此可以選擇合適的長度減小DF的幅值，即使的絕對值最小，即優化的值為但一般情況下，不可能完全消除DF，消除DF基波的優化長度為（三）電磁彈射器儲能設計儲能的目的是給直線電機提供瞬時高能量。從目前的資料看，儲能技術可有三種，即飛輪儲能、電容儲能、超導磁儲能。飛輪儲能發展應用較早，電容儲能和超導磁儲能是近年發展的新技術。飛輪儲能方式有儲能密度大、效率高、壽命長、維護成本低等優點。儲能電容既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電化學電池的儲能機理，與蓄電池組構成儲能系統，循環使用壽命長，近年研究應用越來越成熟。（四）無人機電磁彈射原理無人機電磁彈射起飛裝置主要由兩根互相平行且具有一定發射角的導軌、高功率脈沖電源系統、電樞以及發射架等組成。固定的導軌作為直線直流電動機的定子部分，沿導軌移動的電樞則作為直線直流電動機的動子部分。支承無人機的發射架與電樞固定連接組成發射體。無人機受電磁推力作用沿X方向運動的導軌,電阻和電感分別為R(X)和L(X)，電樞電阻為,電樞上的電壓降為，由于回路線路的電感和電阻很小，一般可忽略，回路中的自感電動勢為，則路端電壓u為中i為脈沖電流，t為無人機沿導軌運動時間。如果忽略、導軌電阻以及其它形式的能量損失，則高功率脈沖電源系統輸出功率P為電磁彈射起飛系統的能量則由載流線圈的磁場能量以及被加速組件的動能兩部分構成，該式中被加速組件質量為m、速度為V,電源輸出功率為系統能量對時間的變化率電容器組C經整流充電后再接通前置電路D，放電電流i似直流，狀態供電，則得到被加速組件的加速度a為為導軌單位長度的電感。令t=0時，被加速組件的初始速度，被加速組件的初始位置，最后，被加速組件的速度V為被加速組件的運動距離X為無人機導軌起飛運動學分析電磁推力作用于電樞時，發射體支承著無人機作為被加速組件一起沿導軌高速運動，無人機加速達到起飛速度時，無人機與發射架自動分離后離架起飛。無人機的起飛速度可以按常規起飛速度的計算方法進行計算，但是無人機的起飛迎角不能用最大飛行迎角，因此在發射導軌上的離軌起飛加速度要比常規性起飛加速度大。無人機導軌起飛運動學分析簡圖G為無人機起飛重量，T為發動機推力，V為無人機在導軌面沿運動方向的速度，為飛機軸線與水平面的夾角(起飛迎角)，為飛機軸線與導軌面之間的夾角，為發動機推力線與飛機軸線之間的夾角，為導軌面與水平面之間的夾角(發射角)。起飛迎角與發射角之間的關系為，如果發射角設置太大，無人機所受推力就要大；發射角設置小了，無人機離軌時的飛行高度就小，對無人機飛行的安全性不利。對于一般的無人機，發射角設置在15°到35°比較合適。無人機起飛速度為（五）電磁彈射原理的應用前景（1）電磁彈射原理可作為物料輸送與搬運傳輸設備的驅動裝置。利用直線電機作為核心拖動技術生產的全自動郵政包裹印刷品自動分揀系統在我國也已開始投入使用。（2）電磁彈射的核心組件直線電機在辦公設備方面主要應用在計算機磁盤、電唱機、復印機、打字機及繪圖儀等設備中。（3）在軍事上的一個應用是電磁炮。電磁炮是利用電磁場加速度加速彈丸的原理實現軍事用途的動能武器系統。（4）隨著工廠自動化、精細加工及辦公機械的快速發展，對移動機構的定位、執行元件的性能及控制技術提出了日益嚴格的要求，電磁彈射技術在一些重要場合取得了顯著的進步。在新的需求和新材料新