小型無人機電磁彈射器

孫文智

摘要：小型無人機電磁彈射器是一款可以使小型滑翼式無人機在短距離加速起飛的裝置，主要的技術核心在于彈射結構的設計以及強迫儲能裝置的革新。本論文涵蓋了研發過程中的三代產品。第一代小型無人機電磁彈射器完成了儲能裝置、電路、結構的設計，以及仿真模型的實物制作。成功彈射起飛一架0.2KG的小型滑翔式無人機，驗證了電磁彈射原理的可行性。第二代小型無人機電磁彈射器在第一代的結構上將線圈數量增加了9倍，大大的提高了動力。第三代小型無人機電磁彈射器重新進行模塊化設計，完成了動力線圈模塊、運動模塊、運動反饋模塊、電容儲能模塊，支架以及外殼的設計，并進行了電磁場有限元分析。

關鍵詞：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艦載機，增大其起飛速度、縮短其滑跑距離的裝置，全稱為艦載機起飛彈射器。經過幾十年的發展，先后出現了壓縮空氣式、火藥式、火箭式、電動式、液壓式、蒸汽式以及先進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被淘汰。即使廣泛使用的蒸汽彈射器由于環境溫度的限制，彈射能量不可調節，也制約了其進一步的發展。

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，其彈射艦載機的效果明顯優于以往的任何一種彈射器。電磁彈射器具有容積小、對艦上輔助系統要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉等好處。電磁彈射器主要由電源、強迫儲能裝置、直線電機以及控制系統構成。電磁彈射器的原理很簡單，但是其結構卻相當復雜而且材料工藝要求很高。由于彈射器的目的是在短時間內將幾噸重的飛機彈射出去，期間消耗的電能很多，電源無法在短時間供電完畢，所以就需要設計一個可快速轉化電能的裝置，于是強迫儲能裝置就被設計了出來。

強迫儲能裝置的原理是利用一個交流發電機給一個交流電動機供電。這其實很容易辦到，但這個電動機的轉子同時要拖動直流發電機和一個慣性特別大的自由轉子（約上百噸）一起旋轉，這樣自由轉子高速運行時就具有非常大的動能，但是想要使如此龐大的轉子高速運行卻又十分困難。強迫儲能裝置簡單來說就是將發電機產生的電能轉化為飛輪的動能，依靠慣性儲存能量，然后在需要時，快速減慢速度，將動能轉化為彈射短時間內所需要的大量電能。強迫儲能裝置的缺點就是在每次將高速運轉的上百噸飛輪快速減速時損耗過多，這也是整個彈射器最容易出故障的地方，也是技術難度最大的地方。

2、作品介紹

2.1作品設計、發明的目的

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力，使物體在短距離彈射加速的裝置。設計的主要目的就是要改進傳統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。

傳統電磁彈射器主要有三大部分，分別是強迫儲能裝置、彈射裝置、控制系統。

傳統電磁彈射器的強迫儲能裝置是利用巨大的飛輪儲能能量，耗費大量空間、能量轉化率不高等缺點不適合安裝于小型軍艦。小型無人機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化形式，經考察，我國自主研發的超級電容器電容已經達到10000F以上，可以作為一個良好的儲能裝置，并且利用單相橋式全控整流電路設計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。

2.3創新點

（1）應用電磁彈射原理實現短距離快速彈射加速的目的。

（2）應用超級電容器的儲能原理實現能量的高效率轉換。

（3）模塊化設計便于使用和維修。

2.4.技術關鍵

（1）線圈匝數的確定和布局

（2）彈射器結構的設計

（3）儲能電容的選擇

（4）電路的設計

2.5.主要的技術指標

模塊化多功能電磁彈射器經過不斷的改進完善，共設計了三代產品。

第一代彈射器驗證了電磁彈射的可行性，在實驗中只有了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。

第二代彈射器是第一代線圈的疊加版本，將各項參數放大了9倍

第三代彈射器重新設計了機械結構，模塊化的機械結構更便于使用及維修，電路更加規范，又進行了電磁場仿真。最終可實現在450mm的加速段上實現200N的推力。

3、創新點說明

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，穩定性好，可以反復充放電幾十萬次，所以利用超級電容器進行儲能遠勝于飛輪儲能。

但是在實驗中發現，對超級電容器進行充電的時間特別長。于是我便想到了現在流行的閃充技術。閃充技術是利用低電壓高電流的模式，在電量固定的前提下，通過增強電壓或電流的方式來縮短充電時間。根據超級電容器的特點，超級電容器接受電能時有一個很重要的因素，那就是充電電壓，超級電容在接收電能時，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。

當需要彈射重型飛機時，就需要更多更大的超級電容器，那時需要的電壓也會非常大，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，會得到一股脈沖電流，將脈沖電流通向一組線圈，線圈會產生突變的磁場，會使附近電子定向運動。在線圈的后面放置一個鐵質物體，鐵質物體中的電子定向運動而形成了感應電流，感應電流與線圈相互作用，產生電磁力，推動鐵質物體運動，再通過一系列傳動桿將動力傳送到彈射臺上就可以彈射物體了。

3.3纏繞線圈

在實驗中發現，線圈纏繞過多或者不當而產生的電感會對彈射效果會產生嚴重的影響，這也限制了獲取的動力的大小。經過多次嘗試，最佳的線圈纏繞方法是：在同一位置使用多組相同且適當匝數線圈并聯在一起，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

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，所以小型無人機電磁彈射器也應該具備一系列的控制系統，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第一代小型無人機電磁彈射器的仿真模型設計

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個并聯在一起的耐壓為450V電容為1000uf的電解電容充電，電容器充電完成后，將這些電能對一個由7組100匝線圈并聯在一起的線圈一次性放電，線圈會產生突變的磁場，進而使鐵質物體中產生感應電流，感應電流的磁場與線圈的磁場相互作用，產生電磁力，將其作為動力，再通過連接桿將動力轉移到飛機上，將飛機彈射出去。

第一代小型無人機電磁彈射器仿真模型

3.6第三代小型無人機電磁彈射器

第三代小型無人機電磁彈射器圖紙

3.6.1圖紙

模塊化設計：動力線圈模塊、運動模塊、運動反饋模塊、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10000uf的儲能電容作為儲能模塊的儲能單元，由9個光電開關作為彈射器牽引座的運動反饋模塊，最大水平推力大約200N，加速段長度450mm。

3.7使用說明

開關有儲能開關、彈射開關。按下儲能開關即開始蓄能，大約10s蓄能結束，松開儲能開關，按下彈射開關，小型滑翔式無人機即可被彈射出去，然后手動搬回彈射牽引塊即可進行第二次彈射。

4、結論

本論文中的小型無人機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出來的，使用了UG、CAD、protues、Motor等軟件創新設計出來的產品。此論文論述了其三代的產品的研發過程，其最大的優勢在于電容儲能能量轉化率高、電磁彈射動力足、模塊化設計方便使用以及維修。小型無人機電磁彈射器適用于軍艦等不便于提供飛機跑道的場合，快速短距離彈射大量無人戰斗機、偵察機，形成無人機集群，進行集群作戰。（指導老師：谷耀新）

參考文獻

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