舰载机的电磁弹射器研究

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第 14卷　第 6期 哈尔滨理工大学学报 Vol114 No16
　　
2009年 12月JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITYOF SCIENCEAND TECHNOLOGY　 Dec. 2009
　　　　　　
舰载机的电磁弹射器研究
王福金 ,　姚智慧
(哈尔滨工业大学机电工程学院 ,黑龙江哈尔滨 150001)
摘　要 :由于航空母舰上舰载机电磁弹射器即将代替目前使用的蒸汽弹射器 .这是一个全集成的机电系统 ,将大大提高航母的作战能力 .因此在介绍电磁弹射器的基本原理及组成的基础上 ,从舰载飞机起飞运动分析入手
,根据直线电机基本原理
,给出了一种电磁弹射器设计方案 ,并对辅助系统及相关新技术应用进行了探讨 .
关键词 :电磁弹射器 ;直线电机 ;舰载机中图分类号 : U665111; U665113文献标志码 : A-0106-05
StudyofElectronicMagneticAircraftLaunch System for Carrier2borne Aircraft
WANG Fu2jin,　YAO Zhi2hui
(School ofMechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract:On the aircraft carrier, the EMALS will replace the Catapult being used on the aircraft. This is a fully2integrated electro2mechanical system which greatly enhanced the aircraft carrier combat capabilities. This pa2 per, will introduce basic principle and composition of EMALS, the plane took off from the carrier2based movement analysis, inaccordancewiththebasicprinciplesoflinearmotor, putforwardadesignofEMALSandauxiliarysys2 temsand relatedapplicationsofnew technologiestoexploration.
Key words: electronic magnetic aircraft launch system; linearmotor; carrier2borhe aircraft
速手段 ,在短距离内 ,使飞机达到或接近起飞速度实0　引　言施起飞的一种发射方式 [ 1] .改用电磁弹射后 ,不仅飞机发射过程全程可控 ,而且可节约 30%的人力资舰载机起飞技术是制造航母的关键技术之一 .本 ,重量降低 50% ,容积减少 65% ,效率提高 10倍.研究人员试图在航母上装置电磁弹射系统 ( Elec2 因此 ,电磁弹射器将逐步取代现有的蒸汽弹射器 . tronicMagneticAircraftLaunch System ),用电磁弹射 2009年 5月 5日 ,美国海军有关项目负责人宣布 ,( EML )代替现有的蒸汽弹射器发射舰载飞机 .现有虽然在新建造的“杰拉德 ·福特 ”号上安装电磁弹
的蒸汽弹射器最主要的不足就是操作过程没有闭环射系统会使工期推迟 15～18个月 ,还要花费数亿美控制 ,会使机身受到不必要的过应力 ,而且其体积庞元 ,但与蒸汽弹射器对比评估后 ,最终决定 ,仍要采大、效率低、维护困难 .电磁弹射是指以电磁力为加用电磁弹射器 .
收稿日期 : 2009-05-22
作者简介 :王福金 (1969—),男 ,硕士研究生 ,E2mail: wywfj969@ sohu. com.姚智慧 (1955—),男 ,教授 .


通过运动学分析
,明确机构的位置、速度、加速力装置、减速缓冲与刹车装置等 .这些分系统、装置度和时间的关系 .通过动力学分析 ,明确直线电机的
组合在一起 ,形成一个高性能的弹射系统 ,如图 1所驱动力与动子不同运动状态的关系 ,确定驱动力和示.储能系统在特定的时间周期内从航空母舰的配定子及动子在运动过程中的力的关系 .这是确定伺电系统获得电能 ,并将储存的能量在 2～3s的弹射服电机规格的基础 ,也是控制系统设计的重要依据 .
1　设计方案
由于电磁弹射器是一个高科技技术集成应用的设备 ,各分系统性能参数匹配是关键问题之一 ,分系统的设计要充分考虑彼此之间相互协调、高效运转 .研究表明 ,各个分系统中高功率脉冲电源技术和电力电子调节控制技术是难点 ,即满足大负荷冲击困难很大 .因此 ,在进行其他分系统的设计时 ,要尽量降低对脉冲电源和电力电子系统的要求 .
111　电磁弹射系统组成与基本原理
电磁弹射器主要包括储能系统、电力电子系统、直线电机、控制系统 ,另外还要有冷却系统、预加动
期内以脉冲形式转换为电能
.电力电子系统控制储
到起飞速度 .控制系统保证弹射过程按规定的参数
完成弹射 .
电磁弹射器实质是能量型直线电机 .直线电机的动子滑块在电磁力作用下 ,通过拖钩拖动飞机 ,使其达到起飞速度 .
112　电磁弹射系统技术指标
不同的舰载机有不同的起飞要求 ,弹射质量从 5～40 t不等 ,要根据航母搭载舰载机情况确定 EMALS技术指标 .
1988年 ,美国海军提出的指标如表 1[ 3 ] .
113　电磁弹射器在舰上的配置
电磁弹射器重量很大 ,在航空母舰上必须对其合理布局、配置 ,否则会引起舰体重心偏移 .美国计划在新航母上配置 4台电磁弹射器 ,一方面提高发射效率、工作能力 ,另一方面 ,这 4台电磁弹射器对称分布 ,保持舰体重心 .而电磁弹射器成对配置 ,又为采用拦阻技术回收舰载机提供可能 .
表 1　美国电磁弹射系统的技术指标
项目参数
末速度  28～103 m / s
最大峰值平均拖力比 弹射能量  1105122MJ
循环周期  45 s
质量 体积  < 2125 ×105 kg< 425 m3
末速度变异  0～115 m / s  


2　运动学、动力学分析
下面分别对飞机和电磁弹射器动子滑块进行运动学、动力学分析 .
211　飞机起飞受力分析
飞机从航母上起飞本身是一个复杂的问题 .舰面是一个海上六自由度运动的平台 ,它不仅在海平面上作平面运动 ,而且在海浪的作用下还会产生纵向和横向的摇动以及升降运动 .航母上的大气紊流情况也比较复杂 ,除了陆地机场通常存在的大气紊流以外 ,由于航母庞大的舰体以及自身的运动 ,还会在舰首产生上洗气流 ,并在舰尾处形成较强的公鸡尾状的尾流 .气候、浪涌、风力、风向、航母行进速度、航母纵摇、横摇都直接影响飞机起飞效果 .飞机本身要设置为一个最佳起飞状态 ,如起飞迎角、加力大小等.作为初步研究 ,可只进行纵向运动分析 ,其运动方程形式与陆基飞机是一样的 .
弹射起飞时 ,舰载飞机达到起飞速度、脱离拖动装置即认为弹射过程结束 .飞机在舰面弹射滑跑时 ,将飞机视为质点 ,设甲板坡度为零 ,飞机可用推力始终与甲板平行 .在不计飞机弹性变形、不计轮胎压缩量及起落架液压支柱的压缩量的刚性假设下 ,舰载机弹射加速滑跑的受力分析如图 2.其中 ,OXZ为质心航迹坐标系 , OXjZj为机体坐标系 .
在以 OXZ为质心的航迹坐标系上 ,飞机在铅垂面内的弹射起飞运动方程组为
dVx
m 1= Tcos(α +σp) + Ft -Fd -Ff
dt
( 1)
dVz m 1= T sin (α +σp) +N + FL -G
d t


式中 :m1为飞机质量 ;T为飞机推力 ; Ft为弹射器在飞机上的作用力 ; Ff为飞机与甲板摩擦力 ; Fd为飞机前进方向上的动阻力 ,它是飞行速度 V的函数 ; FL为飞机升力 ; α为飞机起飞预置迎角 ;σ为发动机推
p
力安装角 ;G为重力 ;N为甲板对飞机的支撑力 .


图 4　动子滑块加速段受力分析
动子滑块在加速运动过程中的电磁力作用方
程为
F
= Fm + Ff ′+ FF
( 5)
在定子上运动时 ,滚轮与导轨的摩擦力 ;N ′为接触副之间的正压力 ;F为接触副之间的摩擦系数 ; FF为动子滑块运动时所受的风的阻力 .
即 , FF = 12 CK ρSKV2 .其中 : CK是风阻系数 , SK是动
子滑块的迎风面积 .
设动子位移 x,运动时间 t,将式 ( 1)至式 ( 5)整理得
x 1
F = (m1+m2 ) d22 + (CK SK + CX S)ρdx +
d t 2d t F′ f + Ff -Tcos(α +σp) ( 6)
制动时 ,动子将受到制动电磁力、风阻力、摩擦阻力、机械制动力作用 .动子滑块减速段简化受力分析如图 5.

图 5　动子滑块减速段受力分析简图
动子受力作用方程为
d2
x 1dx
m1 2= CK ρSK + Ff ′+ F′+ Fq ( 7)
dt 2dt 式中 :F′为制动电磁力 ; Fq为机械制动力 .

图 3　电磁弹射器结构
动子滑块加速段简化受力分析简图如图 4所示 .

永磁无刷直线直流电机的推力公式为 组合形式 ,二是定子的模块化设计 ,三是结构参数的

∫
w
F (x) = ∑dφk ×I= ∑×N ×I ×L Md Bk dx( x) dx
k =M1dx k=1
( 8)式中 :M为电机定子的绕组总数 ;K为绕组的序号 ; φk为代表第 k个绕组所包围的磁通 ;x为磁极运动方向坐标 ;w为铁心齿的宽度 ; B (x)为铁心齿表面沿 x分布的磁通密度函数 ;N为绕组匝数 ;L为铁芯齿长度 ;I为初级绕组电流 .
动子以初速度 V1开始运动 ,此时直线电机通入电流 I,则产生的洛仑兹力会使动子进一步加速 ,在时间 t内达到起飞速度 V2 ,飞机与动子拖钩分离 ,而高速运动的动子则迅速在短距离内停下来 ,再在电磁力作用下 ,返回初始位置 ,一个工作循环结束 (见图 6).
图 6　电磁弹射器工作过程示意图

3　电磁弹射器设计
确定 .
动子与定子组合有两种 :一是倒 “U ”型结构 ,如图 7;二是片式结构 ,如图 8.比较而言 ,倒“ U ”型结构定子质量小 ,但动子质量大 ,同时定子强度设计和散热问题是难点 ,启动和刹车都是问题 .在片式结构中 ,定子质量大 ,动子质量小 ,有利于制动系统的设计 ,散热充分 ,因此不需要设计主动冷却系统 .相比之下 ,片式结构更值得选择 .

311　电机选型
直线电机类型较多 ,主要集中在两种类型的选择 ,永磁直线电机和直线感应电机 .二者区别仅在于动子的构成 .永磁式电机的动子是将永磁铁嵌在非磁感应材料构成的框架中 ,而感应电机的动子则由大面积铜板构成 ,两种类型各有利弊 . 20世纪 40年代 ,美国海军曾经利用感应电动机技术设计、建造和进行了飞机弹射试验 .但成本高昂 ,效果不理想 .
有关研究表明 ,永磁直线电机比感应电机具有明显优势 :力能指标高、体积小、重量轻 ,且具有发电制动功能 .而直线感应电机还存在发热高、结构复杂、不方便维护的缺点 .现在看来 ,永磁直线同步电机将是首选 .
312　电机结构确定
电机结构设计包括 3个方面 :一是动子与定子
动子支撑可选用滚轮或磁悬浮方式完成 .滚轮设计结构简单 ,但润滑、摩擦问题难解决 .可以参考动车组车轮单元设计 .磁悬浮方式无摩擦 ,但结构复杂 ,增加供电系统负担 .可以移植磁悬浮列车技术 .
结构参数的确定比较复杂 ,是大推力的直线电机设计关键所在 .设计时可采用三相供电方式 ,结合最终弹射速度、考虑电源供电频率及定位精度等因素的影响确定结构参数 .

313　控制系统设计
控制系统是整个 EMALS系统的大脑 ,通过运算控制程序 ,大量的位置、温度、速度等不同类型的传感器 ,不间断地指挥、监视着 EMALS全系统的工作.控制系统要根据飞机类型、环境气候、航母运行状态 ,发出控制指令 ,按照要求使飞机达到起飞速第度.同时 ,通过控制 ,还要使发电、储能、电力电子分 系统高度协同 ,从而使系统工作获得高速度、高精确度和高可靠性 .


力的加载时间、大小控制非常关键 .通过加载方式的改变 ,一方面满足飞机起飞要求 ,另一方面 ,尽可能降低对电力电子系统、电源、储能系统的冲击 .
另外 ,还要尽量使管理对象模块化 ,即不同类型飞机对应一个模块 ,同一类型飞机不同环境条件对应一个子模块 .这样 ,便于进行 “傻瓜式 ”操作 ,提高工作效率 .该控制系统应该是舰上计算机集成指挥系统的子系统 ,必须建立良好的上下游通讯、控制联系 .

314　电力电子装置
电力电子装置用来精确控制、供给直线电机的电脉冲的电压和频率 .大功率配电的、使用固态元器

目前的资料看 ,储能技术可有三种 ,即飞轮储能、电容储能、超导磁储能 .飞轮储能发展应用较早 ,电容储能和超导磁储能是近年发展的新技术 .
飞轮储能方式有储能密度大、效率高、寿命长、维护成本低等优点 .
储能电容既具有电容器可以快速充放电的特点 ,又具有电化学电池的储能机理 ,与蓄电池组构成储能系统 ,循环使用寿命长 ,近年研究应用越来越成熟 .
超导磁储能系统由储能磁体 (含低温系统 )、变流器及监控装置组成 .超导磁储能系统可以高效储能、快速响应电力系统功率变化 .因此 ,它既可以提高电力系统的稳定性 ,也能改善电力系统的供电品质 ,甚至能用作不间断电源 .

316　辅助设施
31611　预加动力装置
弹射时如果能利用某种方法 ,如气动或机械 ,来提供一个初速度 ,对于起动时克服被发射物体的惯性力 ,加速弹射进程中会降低电力系统负荷 ,提高电机品质因数 .在发射前 ,飞机与动子做有效连接 ,预加动力装置储存势能 ,飞机自身动力处于加力状态 .此阶段可称为预紧阶段 .当预加动力和飞机自身动力之和达到某一值时 ,动子得以脱开锁扣 ,获得一定初速 ,再在电磁力作用下拖动飞机高速前进 .理论上 ,预加动力装置提供的势能越大越能降低电力系统负荷 .
可制成超导储能装置、超导电机和电磁推进装置 .目前 ,每千米长铋系带材的平均工程电流密度已经达
14 000 A /cm2.而成熟的、先进的永磁技术在电磁弹射器上应用 ,必将大大提高弹射器性能 .
412　空气 —高弹橡胶驱动技术
气弹簧与机械弹簧不同 ,具有近乎线性的弹性曲线 .气弹簧与高弹橡胶结合 ,就产生了压缩空气 —伸缩橡胶驱动技术 .它的最大特点是功率重量比高 ,在尺寸相同的情况下 ,它的驱动力比普通的液压、气压大 3～9倍 ,而且能够进行程序控制 .可以考虑采用这种橡胶弹簧制造预加动力装置、缓冲刹车装置 .

5　结　语
在航空母舰上安装电磁弹射器可以适应不同类型舰载机的起飞 ,大幅提高舰载机起飞效率 ,改善飞机受力情况 ,延长飞机寿命 ,从而提高航母海空作战能力 .研制 EMALS过程中 ,尽量采用通用技术、民用技术 ,这也是当代军事装备研制的一个指导思想 .但是 ,当经过充分论证 ,可靠性、可维护性、性价比符合总体要求时 ,不能完全排除新技术的应用 .新技术的应用可以大幅提高系统性能是毋庸置疑的 .不论采用何种技术 ,各分系统之间必须高度统一、协调 ,充分发挥各自效能 ,保证大系统工作高效、可靠、持久.并且 ,地面弹射试验必不可少 ,这是电磁弹射器得以实际应用的前提 .
(下转第 116页 )


4　结　语
本文设计了以开放式多轴运动控制器 PMAC为核心的磨螺纹数控系统 ,实现了管道梯形螺纹的预锥和螺纹磨削在一台机床上的加工 .通过实践 ,证明该系统具有加工精确度高、响应速度快、运行稳定的特点 .
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(编辑 :温泽宇 )