模擬電磁彈射裝置的設(shè)計(jì)

江漢大學(xué)人工智能學(xué)院 陽(yáng)明軒 肖博文 胡津鳴 周俊

電磁彈射是將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為拋射物體所需的瞬時(shí)動(dòng)能，從而完成對(duì)物體推進(jìn)的技術(shù)。利用彈射器助推使飛機(jī)獲得更高的加速度，這樣對(duì)甲板的長(zhǎng)度要求得以降低，降低甲板設(shè)計(jì)的硬性要求，提高航母設(shè)計(jì)的靈活性。模擬電磁彈射裝置，可以展現(xiàn)飛機(jī)飛行的現(xiàn)象，有助于同學(xué)了解相關(guān)知識(shí)。作為教學(xué)演示的物理實(shí)驗(yàn)裝置，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易操作，安全穩(wěn)定，現(xiàn)象簡(jiǎn)明有趣。

航空母艦戰(zhàn)斗力的發(fā)揮依賴(lài)于各種艦載機(jī)，艦載機(jī)能適應(yīng)多種海洋環(huán)境，可以對(duì)地面、海上甚至空中目標(biāo)造成強(qiáng)有力的打擊，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。因此，艦載機(jī)的起飛能力和效率很大程度上決定著航母編隊(duì)的作戰(zhàn)能力，重型飛機(jī)要想從航空母艦上起飛，必須有彈射器[1]。彈射器的優(yōu)勢(shì)主要有：全天候起飛作戰(zhàn)能力，不受惡劣天氣限制可以起飛固定翼預(yù)警機(jī)，大幅增加預(yù)計(jì)距離，艦載機(jī)起飛時(shí)，不必為減輕起飛重量，而減少載彈量、載油量、使艦載機(jī)發(fā)揮不出正常作戰(zhàn)性能。彈射器發(fā)展中曾出現(xiàn)過(guò)五花八門(mén)的類(lèi)型，經(jīng)典案例有彈簧復(fù)力彈射器、蒸汽彈射器、電磁彈射器等。

彈簧復(fù)力彈射器不能直接把飛機(jī)彈射起飛，飛機(jī)必須在發(fā)動(dòng)機(jī)的推力下滑行一段才能起飛。它彈射飛機(jī)次數(shù)不高，因?yàn)樗强績(jī)?chǔ)能機(jī)構(gòu)完成儲(chǔ)能的，而工作末端拉力又非常小，關(guān)鍵時(shí)候不能助推起飛。蒸汽彈射器這種彈射器是目前在役航母使用的彈射器，是以高壓蒸汽推動(dòng)活塞帶動(dòng)彈射軌道上的滑塊把聯(lián)結(jié)其上的艦載機(jī)投射出去的。蒸汽彈射器工作時(shí)要消耗大量蒸汽，維護(hù)成本大，U 型密封條更換頻繁而又十分麻煩，對(duì)材質(zhì)要求高。蒸汽彈射器使用成本大，效率低，使用過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都有很高的要求。電磁彈射器分為兩種，分別是電磁線(xiàn)圈彈射器及電磁軌道彈射器[2]。本裝置參考較為流行的電磁線(xiàn)圈炮及電磁軌道炮[3]的設(shè)計(jì)思路，并在其基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)型電磁彈射模型，能減輕軌道炮的攜帶壓力和安全問(wèn)題，減小線(xiàn)圈炮的尾部回吸影響。

1 方案設(shè)計(jì)及原理實(shí)現(xiàn)

參考市面上較為流行的電磁線(xiàn)圈炮及電磁軌道炮[4]的設(shè)計(jì)思路，自主研發(fā)出了模擬航母電磁彈射裝置，運(yùn)用和電磁炮類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)原理采用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電磁彈射功能。電磁彈射功能的基本物理原理是通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受力而運(yùn)動(dòng)。本裝置用線(xiàn)圈軸承作為彈射塊，并且在彈射塊的左，右，下方放置強(qiáng)磁鐵塊，通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中會(huì)受到一個(gè)向前的力，而彈射塊有多級(jí)線(xiàn)圈包裹[5]，因此彈射塊會(huì)受到一個(gè)疊加力，將軸承彈射出去，而飛機(jī)通過(guò)尾勾和軸承相連，因此飛機(jī)也能借助軸承彈射出去。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 彈射主體部分

彈射部分的整體參考如圖2所示，借鑒了市面上流傳較多的電磁線(xiàn)圈炮和電磁軌道炮原理。其中，中心紅色部分是繞著線(xiàn)圈的鋼套直線(xiàn)軸承。軸承上面纏繞了若干圈線(xiàn)圈，并牽引出兩頭用來(lái)連接電源。直線(xiàn)軸承的三面分別了布置磁鋼，用于提供較強(qiáng)的磁場(chǎng)。磁鋼和中心的光桿的固定是通過(guò)3D 打印設(shè)備自行打印的固定裝置實(shí)現(xiàn)的，它能使軸承處于一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)中。裝置開(kāi)始工作時(shí)，電源部分向線(xiàn)圈通電，通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)，每一圈線(xiàn)圈都收到一個(gè)向前的力，若干線(xiàn)圈疊加導(dǎo)致力也疊加，使得線(xiàn)圈會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生爆發(fā)性的速度，帶動(dòng)繩子向前運(yùn)動(dòng)。

圖2 彈射裝置主體概念3D 渲染圖Fig.2 3D rendering of ejection device body concept

軌道炮對(duì)電源電壓要求極高，需要設(shè)計(jì)升壓電路和繼電器以及保護(hù)裝置，過(guò)于復(fù)雜，不易攜帶。本裝置輕便，體積小，對(duì)于電源要求低，對(duì)裝置損耗小，能量利用率高。線(xiàn)圈炮的發(fā)射彈丸，材質(zhì)要求較高，電磁線(xiàn)圈加速，在磁場(chǎng)加速末端會(huì)產(chǎn)生吸引力，減小速度，需要額外設(shè)計(jì)電控裝置。本裝置的加速部分全程在磁場(chǎng)中，沒(méi)有大的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，故不會(huì)有回吸的影響。

2.2 彈射能源部分

我們采用市面上常見(jiàn)的航空電池給彈射線(xiàn)圈提供電流。另外，還設(shè)計(jì)了降壓電路將電池12V 的電壓降到5V。5V 電壓可以給我們?cè)O(shè)計(jì)的光電門(mén)傳感器電路供電，使得軸承接觸到光電門(mén)能自主斷電，安全保護(hù)，且減少電流損耗、儀器撞擊等不必要的負(fù)面影響。5V 電源也可以給單片機(jī)供電，通過(guò)單片機(jī)的ADC 采樣和霍爾元件來(lái)得到彈射中的磁場(chǎng)強(qiáng)度值。雖然本次設(shè)計(jì)用的是12V 電源，但是瞬時(shí)電流較大，具有一定的傷害性，使用時(shí)切記安全。電源部分詳細(xì)電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design diagram of power supply circuit

在本次設(shè)計(jì)中使用了STM32 主控的多路ADC[6]部分用于采集霍爾元件旁的電壓值并且將其轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度值，通過(guò)串口輸出到上位機(jī)或者用OLED 顯示屏顯示，整體電路圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體電路圖Fig.4 Overall circuit diagram of the system

2.3 彈射飛行部分

飛機(jī)機(jī)翼利用了伯努利效應(yīng)，把機(jī)翼下弧線(xiàn)做的比較平直，上弧線(xiàn)向上彎曲，利用上下的壓強(qiáng)差，給機(jī)翼一個(gè)向上的升力。氣流對(duì)升力的影響是非常大的，因此我們使用迎風(fēng)投擲模型，為的就是要“吃”到較大相對(duì)氣流速度，以提高升力。

此飛機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于：（1）采用的是EPP 航模專(zhuān)用泡沫，耐摔耐撞；（2）機(jī)頭防撞風(fēng)葉設(shè)計(jì)，尼龍材質(zhì)，韌性十足。螺旋槳?jiǎng)悠胶獗憩F(xiàn)優(yōu)良，柔韌度高不易折斷；（3）強(qiáng)馬力電機(jī)，動(dòng)力強(qiáng)勁穩(wěn)定，飛機(jī)尾鉤設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單好用；（4）飛機(jī)機(jī)身凈重200 克，輕便，安裝簡(jiǎn)單，飛機(jī)模型概念圖如圖5所示。

圖5 飛機(jī)模型概念模擬圖Fig.5 Conceptual view of aircraft model

僅通過(guò)飛機(jī)自身電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要較長(zhǎng)的起飛距離，通過(guò)彈射裝置，提供一個(gè)較大的動(dòng)力，產(chǎn)生較大的初速度，將起飛距離縮短至數(shù)十厘米的平臺(tái)。

紅色物體是彈射部分與飛機(jī)的連接部分，簡(jiǎn)稱(chēng)推進(jìn)器（如圖6所示），推進(jìn)器兩底面各有一個(gè)凹槽與軸承固定，使其成為一個(gè)整體。推進(jìn)器后端的凹槽與飛機(jī)尾勾部分（如圖7所示）相連接。彈射部分啟動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈受力帶動(dòng)著軸承向前移動(dòng)，使得與推進(jìn)器連接的飛機(jī)受到較大的動(dòng)力，飛機(jī)獲得初速度，減小起飛距離。

圖6 推進(jìn)器實(shí)物圖Fig.6 Physical view of propeller

圖7 尾勾實(shí)圖Fig.7 Tail sketch diagram

3 裝置功能及測(cè)量數(shù)據(jù)

磁場(chǎng)測(cè)量部分的原理圖如圖8所示，該部分電路采用5V 電源供電，OUT 為檢測(cè)到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓的輸出信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)的多路ADC 功能讀取電壓值，由于ADC 的輸入電壓范圍為0 ～3.3V，因此在ADC 只能讀取0 ～3.3V 的電壓值，因此在輸出端利用10k 和30k來(lái)組成一個(gè)分壓電路，將電壓限制在3V 左右，利用線(xiàn)性霍爾元件AH94E 的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的特性，通過(guò)單片機(jī)將AD 采集到的電壓轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度，最后輸出出來(lái)。

圖8 霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)電路圖Fig.8 Circuit diagram of Hall element for measuring magnetic field

輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸，再利用VOFA 軟件來(lái)進(jìn)行處理。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理例程。該軟件可以把數(shù)據(jù)整合成圖表，如圖9所示。

圖9 VOFA 軟件整合圖像Fig.9 Integrated image of VOFA software

以下是我們彈射裝置不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，A，B，C，D 至于發(fā)射軸承的四方。當(dāng)啟動(dòng)電源，軸承彈射出去之時(shí)，可以測(cè)量其彈射過(guò)程中的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，其詳細(xì)數(shù)值如表1所示。

表1 磁場(chǎng)強(qiáng)度變化表Tab.1 Change of magnetic field intensity

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的電磁軌道炮，導(dǎo)軌電阻大，容易發(fā)熱，會(huì)破壞導(dǎo)軌本身，對(duì)電源電壓的要求較高，裝置不安全且復(fù)雜，相比于電磁軌道炮，本裝置節(jié)省了導(dǎo)軌部分，更加輕便簡(jiǎn)潔，不易發(fā)熱，電阻小，能量利用率高，發(fā)射動(dòng)能大，效果更加明顯。

電磁線(xiàn)圈炮對(duì)于發(fā)射物體的體積要求過(guò)高，并且在彈丸離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)與彈丸相互作用，使得彈丸速度降低，影響實(shí)驗(yàn)效果。本裝置對(duì)于彈射物體較大的限制，節(jié)省成本，并且實(shí)驗(yàn)效果明顯，容易實(shí)現(xiàn)。