一種新型艦載導彈垂直發射技術①

鄒本貴，曹延杰，孫學鋒，單岳春，薛魯強

(海軍航空工程學院 指揮系，煙臺 264001)

0 引言

艦載導彈垂直發射裝置經過近40年的發展，其發射方式主要有“熱”發射和“冷”發射［1－3］。“熱”發射也稱自推力發射，是一種利用導彈固體助推火箭將導彈從發射裝置中垂直推出的一種發射方式。該發射方式必須有一套處理火箭燃氣的復雜排導系統;在發射過程中會排出高溫、高速、強腐蝕性的燃氣，威脅發射平臺和發射陣地，并產生大量煙霧，不利于發射平臺和發射陣地的隱蔽。“冷”發射又稱為外動力發射，是一種利用導彈以外的動力(燃氣)將導彈彈射出發射筒，離開甲板一定安全高度后，再由導彈發動機在空中點火的一種發射方式。該發射方式發射導彈型號單一，無法實現通用化。

為有效減輕或解決上述問題，降低導彈發射成本，提出一種新型艦載導彈垂直發射裝置——艦載導彈線圈發射器(electromagnetic coil launcher for shipborne missile，EMCLSM)，它利用電磁線圈發射技術把電能轉換為導彈的動能，將導彈從垂直發射筒彈出一定高度后，導彈的主發動機再點火［4］。EMCLSM既克服“熱”發射的缺點，又彌補了傳統“冷”發射的不足。與“熱”發射方式相比，有如下優點:一是利用電能發射大質量物體，噪聲低、后坐力小，不會產生強大的沖擊波和煙霧，消除了燃氣火焰等紅外特征，具有良好的隱蔽性;二是消除了艦載導彈化學能發射所產生的大量高溫、高速燃氣對艦船設備的危害，無需復雜的燃氣排導系統，減小了垂直發射裝置的體積和重量。與“冷”發射方式相比，克服了發射導彈型號單一的不足;可以根據發射目標的性質和要求，通過改變發射線圈的級數和脈沖功率電源的儲能發射多種型號的導彈，易實現通用化。美國桑迪亞國家實驗室和洛克希德·馬丁公司通過合作研究和發展協議共同開發設計了這種新型的導彈助推裝置，并于2004年12月14日利用EMCLSM成功地將649 kg重的試驗樣機推進到7.3 m的高度，最大速度達到12 m/s，充分展示了EMCLSM助推導彈的應用潛能，同時展現了電力驅動武器系統的美好前景［5－6］。

本文首先闡述EMCLSM的基本組成和工作原理，根據工作原理建立其數學模型，以某型導彈為發射目標，利用三級EMCLSM對其發射過程進行仿真，探索發射器工作過程的動態特性，驗證EMCLSM能否實現該型導彈的垂直發射。

1 EMCLSM結構組成與工作原理

1.1 結構組成

EMCLSM主要由脈沖功率電源、開關、彈射線圈、驅動線圈、發射組件(電樞與導彈)及觸發控制電路等組成，如圖1所示。

圖1 EMCLSM結構組成Fig.1 Components of EMCLSM

由于彈射線圈與電樞的磁耦合更緊密，在相同電流作用下，彈射線圈較驅動線圈能產生更大的加速力，發射組件能以更高的速度進入第一級驅動線圈，減少了發射線圈級數，降低了同步控制的復雜程度，簡化了模型結構，且工程上易于實現。該發射器結構已申請了國防專利［7］。

1.2 工作原理

EMCLSM中的彈射線圈和每級驅動線圈都有各自獨立的脈沖功率電源饋電。當彈射線圈回路開關閉合時，彈射線圈在脈沖電流的作用下產生變化的磁場，變化的磁場使發射組件中的電樞產生感應電流(渦流)，渦流與磁場相互作用產生電磁力推動導彈向上運動。當導彈向上運動到第一級驅動線圈的最佳觸發放電位置時，給第一級驅動線圈饋電，電樞中感應出的渦流與驅動線圈產生的磁場相互作用產生電磁力，推動發射組件繼續向上加速運動。依此類推，導彈被一系列發射線圈不斷加速，直至達到導彈的發射要求。

2 EMCLSM數學模型

2.1 等效電路方程

EMCLSM電磁發射過程中的等效電路如圖2所示。為消除回路中的反向電流，在回路中加入了續流硅堆D。因為彈射線圈和驅動線圈對電樞的作用原理相同，為便于書寫，文中統稱為發射線圈，且依次編號為第m級發射線圈(m=1，2，…，n)。

圖2 EMCLSM等效電路Fig.2 Equivalent circuit of EMCLSM

圖2中脈沖功率電源為電容器組。其中，Um0和Cm是第m級電容器組初始充電電壓和電容量;Rm為第m級放電回路固有電阻(包括電容器電阻、放電開關電阻和接線電阻);Lm為第m級放電回路固有電感(包括電容器電感、放電開關電感和接線電感);Rdm和Ldm分別為第m級發射線圈的電阻和電感;Rp和Lp分別為電樞的電阻和電感;Mdmp為第m級發射線圈與電樞之間的互感;K為開關;v為導彈速度。

某一時刻t，當給第m級發射線圈饋以脈沖電流時，其等效電路方程如下:

2.2 動力學方程

力是儲存能量在運動中的變化率，即在運動方向上的能量梯度［8］。儲存在EMCLSM載流導體中的磁能與系統的電感有關。理想情況下，EMCLSM中的總儲能:

如果發射組件沿z方向運動(忽略空氣阻力的影響)，自感項磁能不變化，只有互感項磁能隨z變化。因為導彈垂直向上運動，所以要克服自身重力的作用，設發射組件的總質量為mp，t時刻作用在發射組件上沿z方向的合力:

由式(4)可看出，要得到發射組件沿z方向的推力，只需要計算發射線圈與電樞沿z方向上的互感梯度。在EMCLSM系統中，發射線圈和電樞均可等效為理想的軸對稱空心圓柱線圈，2個空心圓柱線圈之間的互感和互感梯度，可使用等效圓環線圈法進行計算［9－10］。

2.3 運動學方程

由EMCLSM的動力學方程根據牛頓定律可得發射組件的加速度:

t時刻發射組件的速度:

t時刻發射組件的位移:

EMCLSM系統的電路方程、動力學方程和運動學方程構成了系統的數學模型，為研究EMCLSM工作過程的動態特性奠定了理論基礎。

3 EMCLSM工作過程仿真

3.1 物理模型及系統初始參數

EMCLSM物理模型的結構示意圖如圖3所示。結構參數和外置電路參數如表1所示。

3.2 仿真結果及分析

以建立的數學模型為基礎，物理模型的結構參數和電路參數為初始條件，仿真得出放電回路中的電流、發射組件所受的電磁力、速度和位移隨時間的變化規律，如圖4～圖7所示。

由圖4可見，彈射線圈中峰值電流小于驅動線圈的峰值電流，主要是由于彈射線圈的匝數遠大于驅動線圈的匝數，所以彈射線圈的自感和電阻較大，故在相同回路參數的激勵下，電流峰值較小。

圖3 EMCLSM結構示意圖Fig.3 Structure diagram of EMCLSM

表1 EMCLSM結構參數與電路參數Table 1 Structure and circuit parameters of EMCLSM

由圖5可見，3級發射線圈對發射組件的作用力依次減小，彈射線圈對發射組件的作用力遠大于驅動線圈的作用力，主要源于彈射線圈與電樞的磁耦合更緊密，這也說明了在EMCLSM底部加注彈射線圈的結構優于全是驅動線圈的EMCLSM結構。同樣結構的第2級驅動線圈對發射組件的作用力大于第3級，主要是因為隨著發射組件速度的增大，精確的觸發控制難度增大;同時，電樞在高速運動時產生的反電動勢也阻礙了發射組件速度的持續增大。所以，隨著速度的增大，發射線圈對發射組件的加速效果越來越小。

圖4 放電回路電流隨時間的變化Fig.4 Current of discharge loop vs time

圖5 電樞受力隨時間的變化Fig.5 EM force acting on the armature vs time

圖6 發射組件速度隨時間的變化Fig.6 Velocity of the launch package vs time

圖7 發射組件位移隨時間的變化Fig.7 Displacement of the projectile vs time

從圖6、圖7看出，經過3級發射線圈的加速，EMCLSM可將質量為700 kg的導彈垂直加速到最大速度為20.79 m/s，滿足導彈的點火要求，實現了導彈的垂直發射。當導彈達到最大速度時，導彈共運動了1.6 m的距離。

從EMCLSM整個發射過程看出，EMCLSM的發射過程是可通過改變發射線圈的級數，或改變系統的初始儲能來控制的。所以，EMCLSM可發射不同型號的導彈，易實現通用化。

4 結束語

本文提出了一種基于電磁線圈發射技術的新型艦載導彈垂直發射裝置(EMCLSM)，建立了發射器工作過程的數學模型，并對其工作過程進行了動態仿真。仿真結果表明，利用該發射器可實現導彈的垂直發射。具備高儲能密度及快速充放電特性的脈沖功率電源技術是制約EMCLSM實用化的關鍵因素，同時精確同步控制技術和新材料技術的發展，將大大提高EMCLSM的發射效率，拓寬電磁線圈發射技術的軍事應用領域，并加快其實用的步伐。

［1］芮守禎，邢玉明.導彈發射動力系統發展研究［J］.戰術導彈技術，2009(5):4-9.

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［3］譚漢清，田義宏.國外飛航導彈艦面垂直發射關鍵技術研究［J］.飛航導彈，2007(4):36-38.

［4］George Raymond Root，JR.Electromagnetic missile launcher［P］.US:US20100089227，Apr.28，2009.

［5］Michael Padilla.Sandia，lockheed martin develop electromagnetic missile launcher for naval shipboard operations［J］.Sandia Lab News，2005，52(2):1-5.

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