艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射裝置電源系統(tǒng)仿真

李偉波,曹延杰,曲東森,金洪波

(海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264000)

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艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射裝置電源系統(tǒng)仿真

李偉波,曹延杰,曲東森,金洪波

(海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264000)

艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射系統(tǒng)是一種具有重要應(yīng)用前景的新概念艦載導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng),電源系統(tǒng)是其中的研究重點(diǎn),通過分析艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射系統(tǒng)的原理、組成及工作流程,針對(duì)電磁線圈發(fā)射艦載導(dǎo)彈指標(biāo)的需求,研究并得出了發(fā)射器發(fā)射能量、發(fā)射器效率、充電電壓與電容量關(guān)系,通過仿真計(jì)算完成了充電機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì),增強(qiáng)了艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射系統(tǒng)的艦載電源的可靠性,為其工程化提供了支持。

導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射系統(tǒng);能量;電容器;電源

0 引言

電磁線圈發(fā)射器是一種新概念電能發(fā)射器,與傳統(tǒng)的化學(xué)能發(fā)射方式相比電磁線圈發(fā)射是一種將電能轉(zhuǎn)換為載荷發(fā)射動(dòng)能的技術(shù)[1],符合未來全電推進(jìn)艦艇對(duì)裝備的發(fā)展要求,有利于艦載裝備系統(tǒng)的綜合保障工作。

艦載導(dǎo)彈電磁發(fā)射系統(tǒng)(electromagnetic vertical launcher for shipborne missile,EMVLSM)的優(yōu)點(diǎn)如下[2]:

一是發(fā)射過程精確可控。

二是電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射載荷質(zhì)量可調(diào),發(fā)射載荷速度可變,易于實(shí)現(xiàn)裝備的共架發(fā)射。

三是發(fā)射精度高,發(fā)射速率快。電磁線圈發(fā)射器的工作時(shí)間一般為毫秒量級(jí),易于連續(xù)快速發(fā)射導(dǎo)彈。

四是易于實(shí)現(xiàn)模塊化。

電磁發(fā)射技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)能夠有效滿足艦載平臺(tái)導(dǎo)彈發(fā)射的軍事需求,因此將電磁線圈發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于艦載平臺(tái)導(dǎo)彈發(fā)射具有廣闊的應(yīng)用前景。但同時(shí),電磁發(fā)射技術(shù)因?yàn)榧夹g(shù)上的難點(diǎn),使得電磁發(fā)射裝置應(yīng)用于艦載平臺(tái)大載荷發(fā)射存在許多待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題,其中電源系統(tǒng)是其中重點(diǎn)研究方向之一。

1 EMVLSM系統(tǒng)工作原理

EMVLSM系統(tǒng)工作原理如圖1所示[3]。發(fā)射器實(shí)際上是由多個(gè)感應(yīng)驅(qū)動(dòng)線圈串列而成的,各級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈由相應(yīng)的控制電路來驅(qū)動(dòng),首先閉合第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的控制開關(guān),電容器對(duì)第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈放電,圓筒電樞感應(yīng)出與驅(qū)動(dòng)線圈方向相反的電流,發(fā)射組件在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生一定的初速度,當(dāng)發(fā)射組件到達(dá)第二級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的觸發(fā)位置后,觸發(fā)第二級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的控制電路,由第二級(jí)的電容器對(duì)第二級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈放電,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射組件的再加速,然后發(fā)射組件經(jīng)過各級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的加速到達(dá)指定的速度。

圖1 電磁線圈彈射器發(fā)射過程

2 EMVLSM系統(tǒng)組成

2.1 EMVLSM系統(tǒng)基本組成及工作流程

EMVLSM系統(tǒng)主要包括多單元電磁線圈發(fā)射器、武器控制系統(tǒng)、發(fā)射控制器、電源系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)總線、信號(hào)線、脈沖電流總線。

圖2 艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射彈射系統(tǒng)

武器控制系統(tǒng)提供目標(biāo)和飛行信息并向發(fā)射控制器發(fā)送開火指令,發(fā)射控制器通過數(shù)據(jù)總線向?qū)棸l(fā)送目標(biāo)和飛行信息,同時(shí)通過信號(hào)線向功率系統(tǒng)發(fā)送充電指令,電源系統(tǒng)通過脈沖電流總線給驅(qū)動(dòng)線圈提供脈沖電流,電源系統(tǒng)還可以通過功率回收總線將系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余能量回收,如圖2所示。

2.2 電源系統(tǒng)組成

電源系統(tǒng)如圖3所示,主要由功率控制器、電流控制器、儲(chǔ)能設(shè)備、電力系統(tǒng)、脈沖電流總線和信號(hào)線組成。EMVLSM的電源系統(tǒng)所需電源主要取決于由導(dǎo)彈發(fā)射的頻率,發(fā)射不同類型導(dǎo)彈需要的能量和系統(tǒng)整體效率來決定。這在很大程度上依賴于高功率脈沖電源的發(fā)展。目前,高功率脈沖電源包括多種類型,如:脈沖交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電感儲(chǔ)能系統(tǒng)、電容器系統(tǒng)等。它們將慣性能和化學(xué)能等多種形式的能量分別轉(zhuǎn)化為EMVLSM系統(tǒng)所需的電能。

電磁發(fā)射裝置發(fā)射導(dǎo)彈為大載荷載體,一般需要電容器組供能幾兆焦,發(fā)射數(shù)枚導(dǎo)彈則需要幾十兆焦的能量,需要大功率的能量來源和充電設(shè)備,受電容器儲(chǔ)能密度的限制,研究發(fā)射器發(fā)射能量、發(fā)射器效率、充電電壓與電容量之間的關(guān)系,盡量降低對(duì)電容器儲(chǔ)能密度的要求具有重要意義。同時(shí)為了滿足多批次快速發(fā)射任務(wù)的要求,需要為電容器組快速充電,這對(duì)電容器充電速率提出了較高的要求。

圖3 電源系統(tǒng)

3 EMVLSM的電源系統(tǒng)分析

電源系統(tǒng)是EMVLSM系統(tǒng)的重要組成部分,是影響系統(tǒng)工程化的重要因素,其中電容器和充電機(jī)的性能參數(shù)是電源系統(tǒng)的核心技術(shù),本節(jié)通過仿真軟件的計(jì)算對(duì)電容器和充電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

結(jié)合EMVLSM發(fā)射對(duì)象的需求,確定仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)射對(duì)象的參數(shù)設(shè)計(jì)。下一步要根據(jù)發(fā)射任務(wù),確定EMVLSM系統(tǒng)電容器和充電機(jī)的參數(shù),以滿足發(fā)射載荷所需要的電能。

3.1 電容器參數(shù)仿真研究

假設(shè)對(duì)于載荷質(zhì)量范圍500～2 000 kg,初速度要求達(dá)到20～35 m/s的發(fā)射任務(wù),需要的發(fā)射動(dòng)能如圖4所示。

圖4 發(fā)射載荷質(zhì)量、速度與動(dòng)能關(guān)系

從圖中可以看出,發(fā)射500 kg載荷,初速度達(dá)到20 m/s時(shí)需要初動(dòng)能為0.1 MJ,發(fā)射2 000 kg載荷,初速度達(dá)到35 m/s需要?jiǎng)幽転?.225 MJ,發(fā)射動(dòng)能變化范圍為0.1～1.225 MJ。當(dāng)電磁線圈發(fā)射器的電磁-動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率分別為10%時(shí),質(zhì)量和速度與需要電源提供的電能的關(guān)系如圖5所示。

圖5 發(fā)射質(zhì)量、發(fā)射初速度與供能關(guān)系

從圖中可以看出,提高電磁線圈發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率,能夠有效降低電磁發(fā)射器電源系統(tǒng)的供能要求。

圖6為不同發(fā)射能量要求,不同發(fā)射器能量轉(zhuǎn)換效率,5級(jí)發(fā)射器電容器參數(shù)(各級(jí)電容器充電電壓和電容量相同)選擇關(guān)系。圖7為5級(jí)發(fā)射器給定電容器充電電壓條件下,發(fā)射能量、發(fā)射器效率與電容量之間的選擇關(guān)系。

圖6 發(fā)射器發(fā)射能量、發(fā)射器效率、充電電壓與電容量關(guān)系

圖7 發(fā)射器發(fā)射動(dòng)能、發(fā)射器效率與電容器電容量關(guān)系

通過仿真計(jì)算可以證明如果增加發(fā)射器級(jí)數(shù),能夠降低各級(jí)電容器的儲(chǔ)能。當(dāng)給定發(fā)射載荷所需動(dòng)能時(shí),增大電容器充電電壓,提高發(fā)射器效率,可有效降低電容量參數(shù)值。給定電容器額定充電電壓值,可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾娙萘亢桶l(fā)射器效率,來滿足不同發(fā)射初動(dòng)能的要求。

3.2 充電機(jī)參數(shù)仿真研究

高壓充電機(jī)是脈沖功率電容器組的充電設(shè)備,對(duì)于多個(gè)電磁線圈發(fā)射器,合理配置充電機(jī)數(shù)量,需要綜合考慮艦載平臺(tái)的供電功率、電容器組數(shù)量、充電機(jī)的輸出功率。圖8為滿足發(fā)射動(dòng)能1.225 MJ指標(biāo)條件下,充電機(jī)輸出功率與充電時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可看出,當(dāng)充電機(jī)的輸出功率達(dá)到30 kW時(shí),充電時(shí)間趨于平穩(wěn)。

如果設(shè)定發(fā)射載荷質(zhì)量650 kg,發(fā)射初速度20 m/s,發(fā)射載荷數(shù)量32個(gè)時(shí),發(fā)射器發(fā)射效率10%,平臺(tái)供電功率100 kW,不同充電機(jī)輸出功率(10～90 kW)條件下,充電機(jī)數(shù)量、電容器組數(shù)量與充電時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

圖8 充電功率與時(shí)間的關(guān)系

圖9 電容器組、充電機(jī)數(shù)量與充電時(shí)間關(guān)系

從圖中可以看出,給定艦載平臺(tái)供電功率,充電機(jī)輸出功率,電源能量需求,存在最佳的充電機(jī)與電容器組電源模塊數(shù)量。

表1是在給定100 kW供電功率,充電機(jī)輸出功率在20～100 kW范圍內(nèi),通過仿真計(jì)算得到的最佳充電機(jī)數(shù)量、電容器組數(shù)量和充電時(shí)間表。

表1 充電機(jī)數(shù)量和電容器組數(shù)量

4 結(jié)論

文中針對(duì)EMVLSM發(fā)射對(duì)象的需求,通過分析EMVLSM系統(tǒng)組成和電源系統(tǒng),著重研究了電容器和充電機(jī)參數(shù),利用仿真計(jì)算對(duì)發(fā)射器發(fā)射能量、發(fā)射器效率、充電電壓與電容量關(guān)系,電容器組、充電機(jī)數(shù)量與充電時(shí)間關(guān)系進(jìn)行了深入研究,得到了最佳充電機(jī)數(shù)量、電容器組數(shù)量和充電時(shí)間表,為EMVLSM的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

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Simulation on Power System of Electromagnetic Vertical Launcher for Shipborne Missile

LI Weibo,CAO Yanjie,QU Dongsen,JIN Hongbo

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264000, China)

Electromagnetic vertical launcher for shipborne missile is a promising innovative missile launching system; its power supply system is the focus of research. By analyzing the principles, composition and working process of shipborne missile vertical launch system, according to electromagnetic coil launch index, all of launcher energy, transmitter efficiency, the relationship between charge voltage and capacitance was got. Through simulation, design of charger parameters was completed, reliability of shipboard power of shipborne missile electro-magnetic vertical launch system was enhanced, providing reference data for the engineering.

electromagnetic vertical launcher for missile; energy; capacitor; power supply

2014-12-10

李偉波(1981-),男,山東招遠(yuǎn)人,講師,博士研究生,研究方向:海軍航空、導(dǎo)彈裝備發(fā)展研究。

TM306

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