無(wú)人機(jī)是一種由遙控設(shè)備或機(jī)上程序控制設(shè)備控制飛行的不載人飛機(jī)，也叫遙控飛行器。無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用中，發(fā)射是最困難的階段之一。無(wú)人機(jī)在發(fā)射結(jié)束后，必須確保其能達(dá)到一定的高度和速度，否則無(wú)法保證飛行安全。在起飛過(guò)程中，單靠發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力很難滿足這一要求，因此必須對(duì)無(wú)人機(jī)施加額外的輔助推力，以使無(wú)人機(jī)獲得足夠的運(yùn)動(dòng)能量，無(wú)人機(jī)彈射起飛過(guò)程如圖1所示。

無(wú)人機(jī)電磁彈射起飛方式與常規(guī)無(wú)人機(jī)彈射起飛方式相比，具有隱蔽性好、維護(hù)方便、通用性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、可靠性高、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。公開(kāi)的試驗(yàn)已經(jīng)證明，電磁發(fā)射裝置能夠突破常規(guī)發(fā)射出口速度的制約,實(shí)現(xiàn)更高速度的發(fā)射。本文研究表明,應(yīng)用同樣的原理對(duì)大載荷實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)也是可行的，這就是感應(yīng)式無(wú)人機(jī)電磁彈射的基礎(chǔ)。

圖1 無(wú)人機(jī)彈射起飛示意圖

無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)大體上可分為電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩部分，其中電氣系統(tǒng)包括儲(chǔ)能分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及信息接口分系統(tǒng)；機(jī)械系統(tǒng)包括滑行小車系統(tǒng)、緩沖吸能系統(tǒng)、彈射架系統(tǒng)、卸荷控制機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)、無(wú)人機(jī)鎖閉機(jī)構(gòu)等多個(gè)分系統(tǒng)組成。

其工作原理是由電磁能為無(wú)人機(jī)彈射提供動(dòng)力，以滑行小車系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)載體在彈射架上進(jìn)行加速至無(wú)人機(jī)安全起飛速度，當(dāng)滑行小車與無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到起飛速度時(shí)，卸荷控制機(jī)構(gòu)切斷動(dòng)力源，滑行小車被緩沖吸能系統(tǒng)阻擋而急劇減速，而無(wú)人機(jī)則在慣性和發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用下以起飛速度從滑行小車上分離起飛。

1感應(yīng)式電磁彈射原理

1.1無(wú)人機(jī)電磁彈射原理（略）

感應(yīng)式電磁彈射裝置是受直線電動(dòng)機(jī)原理的啟發(fā)設(shè)計(jì)的，利用通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)給彈丸加速，可以由一個(gè)或多個(gè)線圈組成。感應(yīng)線圈炮利用多個(gè)脈沖電源對(duì)各級(jí)線圈同步放電和彈丸內(nèi)的磁通交變感應(yīng)加速?gòu)椡柽\(yùn)動(dòng)。炮管由多個(gè)同口徑、同軸線圈串列而成，彈丸受力拋體為銅質(zhì)空心圓筒。

當(dāng)彈丸到達(dá)第1個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的適當(dāng)位置時(shí),該驅(qū)動(dòng)線圈放電,其磁場(chǎng)在彈丸內(nèi)變化,彈丸感應(yīng)產(chǎn)生電流,磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用,推動(dòng)彈丸前進(jìn)；然后經(jīng)第2、3、4個(gè)線圈……直至最后1個(gè)線圈,逐級(jí)把彈丸加速到很高的速度。

1.2無(wú)人機(jī)電磁彈射原理試驗(yàn)

1)原理試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)利用單級(jí)感應(yīng)電磁彈射裝置做原理試驗(yàn)。選用電容器儲(chǔ)存能量，電網(wǎng)直接升壓充電，由于選用的負(fù)載僅為1kg重銅質(zhì)筒狀彈丸，因此在實(shí)驗(yàn)室中只需要較低的電壓便可產(chǎn)生足夠的推力驅(qū)動(dòng)電樞加速運(yùn)動(dòng)。

2)試驗(yàn)結(jié)果

單級(jí)感應(yīng)電磁彈射試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，被彈射物體質(zhì)量m=1 kg。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)彈丸初始位置，求取最大出口速度。從表1可以看出，改變充電電壓和電容容量，在最佳初始位置處發(fā)射彈丸則電磁彈射裝置則在一定加速距離內(nèi)使負(fù)載按一定加速度a達(dá)到速度V。

表1　彈射試驗(yàn)結(jié)果摘錄

2 無(wú)人機(jī)電磁彈射電氣系統(tǒng)方案分析

2.1 無(wú)人機(jī)電磁彈射電氣系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)電磁彈射電氣系統(tǒng)由儲(chǔ)能分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)以及信息接口分系統(tǒng)等部分組成，無(wú)人機(jī)電磁彈射電氣系統(tǒng)組成如圖3所示。

用電磁力將無(wú)人機(jī)加速到起飛速度，它利用電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)給彈射電動(dòng)機(jī)饋電，生成一個(gè)同彈射系統(tǒng)的滑車相互作用的行進(jìn)磁場(chǎng)，滑車在電磁力的作用下，攜掛無(wú)人機(jī)沿彈射沖程加速到要求的起飛速度。無(wú)人機(jī)脫掛后，滑車在反方向行進(jìn)磁場(chǎng)的作用下，低速回復(fù)初始彈射陣位。

圖3 電磁無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)組成框圖

2.2 電磁無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)功能

1)能源分系統(tǒng)

能源分系統(tǒng)為電氣系統(tǒng)提供初級(jí)能源，鑒于大多數(shù)無(wú)人機(jī)的發(fā)射質(zhì)量低于2000kg，發(fā)射速度一般低于80m/s，例如英國(guó)不死鳥(niǎo)無(wú)人機(jī)起飛速度為35m/s，最大起飛重量為180kg，發(fā)射動(dòng)能為110kJ，實(shí)驗(yàn)室可以直接接入電網(wǎng)獲取電能，當(dāng)然也可以采用柴油發(fā)電機(jī)組提供電能，這尤其適用于車載發(fā)射的情況。

2)儲(chǔ)能分系統(tǒng)

感應(yīng)式彈射電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,短時(shí)間內(nèi)需要極大的能量供給, 例如英國(guó)不死鳥(niǎo)無(wú)人機(jī)要實(shí)現(xiàn)電磁彈射起飛，其電磁彈射系統(tǒng)必須滿足在9m長(zhǎng)的導(dǎo)軌上在0.5s的時(shí)間內(nèi)把180kg的無(wú)人機(jī)加速到35m/s。因此必須把一定時(shí)間內(nèi)的能源系統(tǒng)提供的能量?jī)?chǔ)存起來(lái),而在工作時(shí)快速釋放出來(lái)。

儲(chǔ)能裝置可以選用單極發(fā)電機(jī)、電容器、電感器或交流飛輪發(fā)電機(jī)等設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)多選用的電容器組儲(chǔ)能，目前電容器的儲(chǔ)能密度約為1MJ/m³, 成本約為1J/元，在大多數(shù)情況下還是可以接受的。

3)電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)

電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的功能是把輸入電源按要求變換成彈射電動(dòng)機(jī)需要的形式,同時(shí)根據(jù)工作要求提供不同的能量。本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)要在3kv高壓下短時(shí)（微秒級(jí)）產(chǎn)生強(qiáng)脈沖電流，作用于感應(yīng)式彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)。

4)彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)

彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)的核心部分，它把輸入的電能轉(zhuǎn)換為無(wú)人機(jī)動(dòng)能，從而推動(dòng)無(wú)人機(jī)在一定距離內(nèi)加速至彈射速度的功率執(zhí)行部件。本系統(tǒng)中采用感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)（線圈式電磁彈射電動(dòng)機(jī)）作為驅(qū)動(dòng)裝置，其原理見(jiàn)上文。

原理試驗(yàn)時(shí)采用的是內(nèi)動(dòng)子式直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要選用外動(dòng)子式直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，兩者運(yùn)行機(jī)理相同，但做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其特殊性。

5)控制分系統(tǒng)

控制分系統(tǒng)是由各種傳感器（測(cè)量速度、位移、電壓、電流等參量）、光纖通訊網(wǎng)絡(luò)（降低電磁干擾）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制器（包括計(jì)算機(jī)和單片機(jī)）等器部件組成?？刂品窒到y(tǒng)可根據(jù)環(huán)境條件、彈射無(wú)人機(jī)類型及其它條件進(jìn)行綜合運(yùn)算,輸出工作信號(hào),實(shí)現(xiàn)精確控制,完成無(wú)人機(jī)彈射的控制功能 ,使電磁無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)成為一種高性能和高可靠性的無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)。

6)信息接口分系統(tǒng)

信息接口分系統(tǒng)是發(fā)射時(shí)外界各種工作條件、參數(shù)的輸入口,是彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)的速度、位移、電壓、電流等參量輸出口，是電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、有序運(yùn)行必備的一個(gè)分系統(tǒng)。

3 無(wú)人機(jī)電磁彈射機(jī)械系統(tǒng)方案分析

3.1 無(wú)人機(jī)電磁彈射機(jī)械系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)電磁彈射機(jī)械系統(tǒng)包括滑行小車分系統(tǒng)、緩沖吸能分系統(tǒng)、彈射架分系統(tǒng)、卸荷控制分系統(tǒng)、釋放機(jī)構(gòu)、無(wú)人機(jī)鎖閉機(jī)構(gòu)等多個(gè)分系統(tǒng)組成，其中無(wú)人機(jī)閉鎖機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)與常規(guī)無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)基本相同，本文主要論述滑行小車分系統(tǒng)、緩沖吸能分系統(tǒng)、彈射架分系統(tǒng)、卸荷控制分系統(tǒng)等四個(gè)部分。

3.2 無(wú)人機(jī)電磁彈射機(jī)械系統(tǒng)功能

1) 滑行小車分系統(tǒng)

滑行小車分系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)的彈射載體，在彈射架上與無(wú)人機(jī)一起加速至無(wú)人機(jī)安全起飛的速度和高度。整個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，時(shí)間總共不超過(guò)l s，先由靜止加速至無(wú)人機(jī)起飛速度，然后緩沖減速至靜止。

因此在滑行小車自身的設(shè)計(jì)方面必須考慮加速及緩沖過(guò)程中復(fù)雜的受力狀態(tài)，必須解決滑行小車自身重量和其強(qiáng)度、剛度之間的矛盾關(guān)系，同時(shí)使其設(shè)計(jì)符合緩沖吸能分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，盡可能達(dá)到小車的重量盡量輕，這是因?yàn)閷?duì)緩沖吸能分系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需緩沖減速的物體越重，緩沖時(shí)間和距離就越長(zhǎng)，這樣彈射架就必需更長(zhǎng)，反之則可以縮短緩沖時(shí)間和距離，發(fā)射架也可以做的更短。

無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)里滑行小車的設(shè)計(jì)更為重要的方面是不僅要與無(wú)人機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，需根據(jù)無(wú)人機(jī)的布局形式進(jìn)行滑行小車與無(wú)人機(jī)全過(guò)程協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)研究，必須設(shè)計(jì)一套滑行小車與無(wú)人機(jī)配合安裝、共同加速運(yùn)動(dòng)以及緩沖分離的技術(shù)方案；而且還要與彈射電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電樞進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，因?yàn)榛瑒?dòng)小車是由電樞直接驅(qū)動(dòng)的。這就要求滑動(dòng)小車必需綜合考慮無(wú)人機(jī)和電樞的具體要求，盡量?jī)?yōu)化。

2) 緩沖吸能分系統(tǒng)

緩沖吸能分系統(tǒng)也即剎車系統(tǒng)，在無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)中的功能是：當(dāng)無(wú)人機(jī)加速到安全起飛速度時(shí)，滑行小車的動(dòng)能由緩沖吸能系統(tǒng)吸收，同時(shí)無(wú)人機(jī)則和滑行小車分離起飛。緩沖吸能分系統(tǒng)可以由水渦輪、攔阻鋼絲繩、剎車鼓輪、導(dǎo)向滑輪、緩沖橡膠墊和彈簧緩沖器等組成，這樣組成的緩沖吸能系統(tǒng)具有效率高、沒(méi)有反彈、無(wú)需專門控制的特點(diǎn)。

其中水渦輪作為主要吸能裝置，吸收滑行小車的大部分動(dòng)能，緩沖時(shí)滑行小車在攔阻鋼絲繩作用下，帶動(dòng)水渦輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，滑行小車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為水渦輪工作介質(zhì)的內(nèi)能。彈簧緩沖器作為輔助吸能裝置，吸收滑行小車經(jīng)水渦輪緩沖后未能完全被吸收的剩余動(dòng)能。在彈簧緩沖器工作過(guò)程中，滑行小車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能及橡膠套的勢(shì)能。

3) 卸荷控制分系統(tǒng)

卸荷控制分系統(tǒng)的功能是確保滑行小車進(jìn)入緩沖減速段時(shí)，無(wú)人機(jī)與滑行小車能快速分離并安全起飛，防止分離過(guò)程中無(wú)人機(jī)與滑行小車發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。卸荷控制系統(tǒng)分工作時(shí)間精確度要求很高，必須精確到毫秒級(jí)。對(duì)于無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)而言，可以通過(guò)控制儲(chǔ)能電容器放電電流來(lái)控制滑行小車受力從而達(dá)到卸荷的目的，完全能夠達(dá)到毫秒級(jí)的精度。

由于滑行小車的前支撐機(jī)構(gòu)避讓動(dòng)作較慢，為降低無(wú)人機(jī)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉(如碰撞無(wú)人機(jī)后推式螺旋槳)的可能性，卸荷控制分系統(tǒng)可以同時(shí)采用自動(dòng)機(jī)械卸荷機(jī)構(gòu)與電氣控制卸荷機(jī)構(gòu)相配套的技術(shù)，起到雙保險(xiǎn)的作用。

4)彈射架分系統(tǒng)

對(duì)于無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)而言，彈射架分系統(tǒng)要與彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，必須綜合考慮兩者的需求。

5) 其它分系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)閉鎖機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)等分系統(tǒng)與氣液壓彈射系統(tǒng)相比基本相同。由于無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)暴露在強(qiáng)電磁脈沖下，需要額外考慮電磁干擾的問(wèn)題，各部分信號(hào)采集、傳輸要盡量使用抗電磁干擾能力強(qiáng)的光纖網(wǎng)絡(luò)，以保證系統(tǒng)的可靠性。

4 無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)方案分析

該無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)方案有一定的理論依據(jù),而從原理試驗(yàn)可以看出,線圈式電磁彈射系統(tǒng)只要輸入足夠的電流完全可以把載荷以所需加速度驅(qū)動(dòng),因而該方案在原理上是可行的。

無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)與傳統(tǒng)電磁發(fā)射技術(shù)相比由發(fā)射彈丸改為驅(qū)動(dòng)與電樞一體的滑行小車帶動(dòng)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)，電氣部分大體相同，主要是機(jī)械與結(jié)構(gòu)部分的不同；無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)相比執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源由氣液壓換成電磁能，取消了滑輪增速系統(tǒng)，機(jī)械部分大體相同，主要是電氣部分的不同。

無(wú)人機(jī)電磁彈射技術(shù)本質(zhì)上是電磁發(fā)射技術(shù)在無(wú)人機(jī)彈射起飛上的具體應(yīng)用，既具有電磁發(fā)射技術(shù)的通用性，又要具體分析無(wú)人機(jī)對(duì)彈射起飛的特殊要求。

5 結(jié)論

感應(yīng)式電磁彈射系統(tǒng)通過(guò)理論計(jì)算與原理試驗(yàn)表明，該方案在原理上是可行的。在實(shí)踐中，需要著力解決的問(wèn)題是感應(yīng)式電磁彈射系統(tǒng)電樞與驅(qū)動(dòng)線圈間接觸部分由于無(wú)人機(jī)與滑動(dòng)小車的加入，摩擦力加大，受力也不均勻，難點(diǎn)是電樞與驅(qū)動(dòng)小車的一體化設(shè)計(jì)。隨著電磁發(fā)射技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“無(wú)人機(jī)電磁彈射系統(tǒng)研究”，作者為蘇子舟、國(guó)偉 等。）