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

無人機電磁彈射起飛方式與常規(guī)無人機彈射起飛方式相比，具有隱蔽性好、維護方便、通用性強、機動靈活、可靠性高、適應(yīng)性好等優(yōu)點。公開的試驗已經(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)用同樣的原理對大載荷實現(xiàn)高速驅(qū)動也是可行的，這就是感應(yīng)式無人機電磁彈射的基礎(chǔ)。

圖1 無人機彈射起飛示意圖

無人機電磁彈射系統(tǒng)大體上可分為電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩部分，其中電氣系統(tǒng)包括儲能分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、彈射電動機分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)以及信息接口分系統(tǒng)；機械系統(tǒng)包括滑行小車系統(tǒng)、緩沖吸能系統(tǒng)、彈射架系統(tǒng)、卸荷控制機構(gòu)、釋放機構(gòu)、無人機鎖閉機構(gòu)等多個分系統(tǒng)組成。

其工作原理是由電磁能為無人機彈射提供動力，以滑行小車系統(tǒng)為運動載體在彈射架上進行加速至無人機安全起飛速度，當(dāng)滑行小車與無人機的運動速度達到起飛速度時，卸荷控制機構(gòu)切斷動力源，滑行小車被緩沖吸能系統(tǒng)阻擋而急劇減速，而無人機則在慣性和發(fā)動機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無人機電磁彈射原理（略）

感應(yīng)式電磁彈射裝置是受直線電動機原理的啟發(fā)設(shè)計的，利用通電線圈產(chǎn)生的磁場給彈丸加速，可以由一個或多個線圈組成。感應(yīng)線圈炮利用多個脈沖電源對各級線圈同步放電和彈丸內(nèi)的磁通交變感應(yīng)加速彈丸運動。炮管由多個同口徑、同軸線圈串列而成，彈丸受力拋體為銅質(zhì)空心圓筒。

當(dāng)彈丸到達第1個驅(qū)動線圈的適當(dāng)位置時,該驅(qū)動線圈放電,其磁場在彈丸內(nèi)變化,彈丸感應(yīng)產(chǎn)生電流,磁場與感應(yīng)電流相互作用,推動彈丸前進；然后經(jīng)第2、3、4個線圈……直至最后1個線圈,逐級把彈丸加速到很高的速度。

1.2無人機電磁彈射原理試驗

1)原理試驗

無人機電磁彈射系統(tǒng)利用單級感應(yīng)電磁彈射裝置做原理試驗。選用電容器儲存能量，電網(wǎng)直接升壓充電，由于選用的負載僅為1kg重銅質(zhì)筒狀彈丸，因此在實驗室中只需要較低的電壓便可產(chǎn)生足夠的推力驅(qū)動電樞加速運動。

2)試驗結(jié)果

單級感應(yīng)電磁彈射試驗結(jié)果見表1，被彈射物體質(zhì)量m=1 kg。試驗過程中，通過調(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)使負載按一定加速度a達到速度V。

表1　彈射試驗結(jié)果摘錄

2 無人機電磁彈射電氣系統(tǒng)方案分析

2.1 無人機電磁彈射電氣系統(tǒng)組成

無人機電磁彈射電氣系統(tǒng)由儲能分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、彈射電動機分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)以及信息接口分系統(tǒng)等部分組成，無人機電磁彈射電氣系統(tǒng)組成如圖3所示。

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

圖3 電磁無人機彈射系統(tǒng)組成框圖

2.2 電磁無人機電氣系統(tǒng)功能

1)能源分系統(tǒng)

能源分系統(tǒng)為電氣系統(tǒng)提供初級能源，鑒于大多數(shù)無人機的發(fā)射質(zhì)量低于2000kg，發(fā)射速度一般低于80m/s，例如英國不死鳥無人機起飛速度為35m/s，最大起飛重量為180kg，發(fā)射動能為110kJ，實驗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)電機組提供電能，這尤其適用于車載發(fā)射的情況。

2)儲能分系統(tǒng)

感應(yīng)式彈射電動機工作過程中,短時間內(nèi)需要極大的能量供給, 例如英國不死鳥無人機要實現(xiàn)電磁彈射起飛，其電磁彈射系統(tǒng)必須滿足在9m長的導(dǎo)軌上在0.5s的時間內(nèi)把180kg的無人機加速到35m/s。因此必須把一定時間內(nèi)的能源系統(tǒng)提供的能量儲存起來,而在工作時快速釋放出來。

儲能裝置可以選用單極發(fā)電機、電容器、電感器或交流飛輪發(fā)電機等設(shè)備，實驗室試驗時多選用的電容器組儲能，目前電容器的儲能密度約為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機需要的形式,同時根據(jù)工作要求提供不同的能量。本系統(tǒng)實驗中電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)要在3kv高壓下短時（微秒級）產(chǎn)生強脈沖電流，作用于感應(yīng)式彈射電動機分系統(tǒng)。

4)彈射電動機分系統(tǒng)

彈射電動機分系統(tǒng)是無人機電磁彈射系統(tǒng)的核心部分，它把輸入的電能轉(zhuǎn)換為無人機動能，從而推動無人機在一定距離內(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)式直線電動機（線圈式電磁彈射電動機）作為驅(qū)動裝置，其原理見上文。

原理試驗時采用的是內(nèi)動子式直線感應(yīng)電動機，系統(tǒng)實際運行時需要選用外動子式直線感應(yīng)電動機，兩者運行機理相同，但做系統(tǒng)設(shè)計時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（包括計算機和單片機）等器部件組成?？刂品窒到y(tǒng)可根據(jù)環(huán)境條件、彈射無人機類型及其它條件進行綜合運算,輸出工作信號,實現(xiàn)精確控制,完成無人機彈射的控制功能 ,使電磁無人機彈射系統(tǒng)成為一種高性能和高可靠性的無人機彈射系統(tǒng)。

6)信息接口分系統(tǒng)

信息接口分系統(tǒng)是發(fā)射時外界各種工作條件、參數(shù)的輸入口,是彈射電動機分系統(tǒng)的速度、位移、電壓、電流等參量輸出口，是電氣系統(tǒng)實現(xiàn)安全、有序運行必備的一個分系統(tǒng)。

3 無人機電磁彈射機械系統(tǒng)方案分析

3.1 無人機電磁彈射機械系統(tǒng)組成

無人機電磁彈射機械系統(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)、釋放機構(gòu)、無人機鎖閉機構(gòu)等多個分系統(tǒng)組成，其中無人機閉鎖機構(gòu)、釋放機構(gòu)與常規(guī)無人機氣液壓彈射系統(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)等四個部分。

3.2 無人機電磁彈射機械系統(tǒng)功能

1) 滑行小車分系統(tǒng)

滑行小車分系統(tǒng)作為無人機的彈射載體，在彈射架上與無人機一起加速至無人機安全起飛的速度和高度。整個高速運動的過程，時間總共不超過l s，先由靜止加速至無人機起飛速度，然后緩沖減速至靜止。

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

無人機電磁彈射系統(tǒng)里滑行小車的設(shè)計更為重要的方面是不僅要與無人機進行協(xié)調(diào)設(shè)計，需根據(jù)無人機的布局形式進行滑行小車與無人機全過程協(xié)調(diào)運動的技術(shù)研究，必須設(shè)計一套滑行小車與無人機配合安裝、共同加速運動以及緩沖分離的技術(shù)方案；而且還要與彈射電動機系統(tǒng)的電樞進行一體化設(shè)計，因為滑動小車是由電樞直接驅(qū)動的。這就要求滑動小車必需綜合考慮無人機和電樞的具體要求，盡量優(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)，在無人機電磁彈射系統(tǒng)中的功能是：當(dāng)無人機加速到安全起飛速度時，滑行小車的動能由緩沖吸能系統(tǒng)吸收，同時無人機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、沒有反彈、無需專門控制的特點。

其中水渦輪作為主要吸能裝置，吸收滑行小車的大部分動能，緩沖時滑行小車在攔阻鋼絲繩作用下，帶動水渦輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，滑行小車動能轉(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能。在彈簧緩沖器工作過程中，滑行小車的動能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢能及橡膠套的勢能。

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入緩沖減速段時，無人機與滑行小車能快速分離并安全起飛，防止分離過程中無人機與滑行小車發(fā)生運動干涉。卸荷控制系統(tǒng)分工作時間精確度要求很高，必須精確到毫秒級。對于無人機電磁彈射系統(tǒng)而言，可以通過控制儲能電容器放電電流來控制滑行小車受力從而達到卸荷的目的，完全能夠達到毫秒級的精度。

由于滑行小車的前支撐機構(gòu)避讓動作較慢，為降低無人機發(fā)生運動干涉(如碰撞無人機后推式螺旋槳)的可能性，卸荷控制分系統(tǒng)可以同時采用自動機械卸荷機構(gòu)與電氣控制卸荷機構(gòu)相配套的技術(shù)，起到雙保險的作用。

4)彈射架分系統(tǒng)

對于無人機電磁彈射系統(tǒng)而言，彈射架分系統(tǒng)要與彈射電動機分系統(tǒng)進行一體化設(shè)計，必須綜合考慮兩者的需求。

5) 其它分系統(tǒng)

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

4 無人機電磁彈射系統(tǒng)方案分析

該無人機電磁彈射系統(tǒng)方案有一定的理論依據(jù),而從原理試驗可以看出,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,因而該方案在原理上是可行的。

無人機電磁彈射系統(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)動與電樞一體的滑行小車帶動無人機運動，電氣部分大體相同，主要是機械與結(jié)構(gòu)部分的不同；無人機電磁彈射系統(tǒng)與無人機氣液壓彈射系統(tǒng)相比執(zhí)行機構(gòu)的動力源由氣液壓換成電磁能，取消了滑輪增速系統(tǒng)，機械部分大體相同，主要是電氣部分的不同。

無人機電磁彈射技術(shù)本質(zhì)上是電磁發(fā)射技術(shù)在無人機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，又要具體分析無人機對彈射起飛的特殊要求。

5 結(jié)論

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

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“無人機電磁彈射系統(tǒng)研究”，作者為蘇子舟、國偉 等。）