舰载机悬浮式电磁弹射器的系统研究*

王媛 张伟

(北京工业大学机电学院，北京 100124)

舰载机悬浮式电磁弹射器的系统研究*

王媛†张伟

(北京工业大学机电学院，北京 100124)

电磁弹射技术一直是世界发达国家竞相发展的高新技术，电磁弹射器将代替目前航母上使用的蒸汽弹射器．本文从舰载飞机起飞运动分析入手，以磁悬浮导轨技术和永磁无刷直线电机技术运用到磁悬浮电磁弹射设计中，简述了该项技术的基本原理、组成及其特点，并对悬浮电磁弹射系统进行分析．

电磁弹射， EMALS， 磁悬浮， 永磁无刷直线电机

引言

蒸汽弹射器是目前航母常规固定翼舰载机起飞主要的弹射装置，但其存在着体积大、能量效率低、噪声大等缺点，尤其是随着战机的性能、质量、速度的提高，蒸汽弹射器已难以满足发展需求［1］．电磁飞机弹射系统EMALS(Electromagnetic aircraft launch system)以电磁力(或洛仑磁力)为加速原理，可以在短距离内用电磁推力使舰载机达到起飞速度，弹射时全程可控，效率高，体积重量小，维护方便的一种新型发射方式［2］．从理论上分析，其动能不受传统蒸汽弹射发射方式的能量限制，因而成为新兴的航空母舰舰载机起飞技术．随着技术的发展，电磁弹射技术使装备更先进、质量更大、速度更快的战机从航母上起飞成为可能．

在电磁弹射器的研究上，国内方面，国防科学技术大学罗宏浩等人［3］，提出了一种基于动磁型永磁无刷直线直流电机的弹射器设计方案，结合理论分析与有限元仿真对电机参数进行了优化设计;武汉理工大学的丁国良［4］对磁悬浮式电磁发射结构进行结构设计和磁场分析，为国内电磁发射方面的研究提供了参考;国外方面，文献［2］中提出了无槽型永磁同步直线电机的EMALS，对系统的总体构成进行了详细说明，但没有分析电机性能，线圈受力的问题也没有解决．Patterson等人［5］，提出了基于齿槽结构的永磁同步直线电机的EMALS，对系统的电源和静态推力特性进行了仿真分析．Stumberger等人［6］，对电磁飞机弹射系统中使用线性永磁同步电机和直线感应电机进行了设计和比较，结论是线性永磁同步电机更适合电磁弹射系统．

悬浮式电磁弹射系统将磁悬浮导轨技术与永磁无刷直线电机相结合设计一种新型的弹射器．充分利用了磁悬浮导轨技术使动子运动无摩擦，方便控制的优点和特点，这样该电磁弹射系统将实现稳定、高效的性能，从而提高航母的作战能力．

1 电磁弹射原理分析

1．1 悬浮原理及特征

本悬浮弹射电机采用磁吸型悬浮原理，其系统组成和功能如图1所示［7］．图1电磁铁固定在导轨两侧，铁磁体及弹射平台处于悬浮状态;电磁铁周围缠绕了线圈，与铁磁体及气隙形成闭合的磁路．通电后，电磁铁和铁磁体在间隙将产生磁吸力．如要实现物体的稳定悬浮，就要根据电磁铁及弹射平台的的悬浮位置连续不断地调节线圈缠绕的电磁铁的磁场强度．传感器检测悬浮位置偏离参考点的位移，控制器将检测到的位移信号转变成控制信号，最后功率放大器将控制信号转换成控制电流，控制电流将修正电磁铁中产生的电磁力，从而保证弹射平台悬浮位不变，实现动子及弹射平台的悬

浮［4］．

图1 电磁铁固定图Fig．1 Electromagnet fixed

1．2 永磁无刷直流电机的原理

永磁无刷直流电机共分为两种—动圈式和动磁式．动圈式即将永磁体装在定子上，电机动子上有铁心绕组，存在拖线的问题，且质量较大，不适宜将电机做得较长，不适用于在短时间内推动负载快速的加速;动磁式即永磁体装在电机动子上，动子无铁心，质量较小，定子的铁心绕组接线方便，可将电机做得稍长，并可以实现推动负载以较大的加速度加速，因此本弹射电机选用动磁式永磁无刷直流电机，定子对称装配在左右导轨内侧上;动子位于两侧的导轨内运动，动子上部与弹射装置装配成一体，使动子直线运动时始终保持在两个定子的对称中心［8］．

图2 直线永磁无刷直流电机结构原理图Fig．2 Schematic structure of linear permanent magnet brushless DC motor

本直线电机的设计依据是参考文献［4］提出的一种动磁式双边直线永磁无刷直流电机，如图2所示，动子中的永磁体在导轨间产生磁场，磁场与定子线圈之间相互作用产生电磁力，推动动子做直线运动．想实现改变动子运动的方向，可以通过改变定子电流的方向即可实现．因此在完成一次弹射后，弹射架可快速减速至弹射的位置，为下一次弹射做准备．如采用单侧定子与动子，其之间会产生很大的磁吸力，选用双边型的定子后，当动子始终保持在直线电机中间位置时，两边的吸引力完全可以抵消，从更有利于推动动子的加速运动．

永磁无刷直线直流电机的推力公式为:

式中:K:绕组的序号;M:电机定子的绕组总数;φk:代表第k个绕组所包围的磁通;x:磁极运动方向坐标;I:初级绕组电流;w:铁心齿的宽度;B(x):铁心表面沿x分布的磁通密度函数;N:绕组匝数;L:铁芯长度．

2 运动学、动力学分析

通过运动学的分析，明确机构的所处位置、速度、加速度和时间的关系，明确直线电机的驱动力与动子在不同运动状态的关系，进而确定驱动力和定子及动子在弹射过程中的力的关系．下面分别对飞机及电磁弹射器动子部分进行运动学、动力学分析［9］．

2．1 舰载机起飞时的受力分析

飞机自身要设置一个最佳的起飞状态，如加力大小、起飞迎角等．仅作为初步研究，只进行纵向运动分析，其运动方程形式如同陆基飞机．

图3 飞机起飞时受力分析Fig．3 Aircraft take － off force analysis

在弹射起飞过程中，舰载飞机达到指定的起飞速度、脱离弹射装置即完成弹射过程．飞机在航母甲板弹射滑跑时，将飞机视为质点，设甲板坡度为零．在不计舰载机弹性变形、轮胎压缩量及起落架的液压支柱的压缩量的刚性假设条件下，舰载机电磁弹射加速时的受力分析如图3［9］．其中OXZ，为整体的质心航迹坐标系，OXiZi为舰载机机体坐标系．

在OXZ坐标系上，飞机在X、Z方向的弹射起飞运动方程组为:

式中:m1为飞机质量;G为重力;T为飞机推力;N为甲板对飞机的支撑力;Ff为飞机与甲板摩擦力;Ft为弹射器在飞机上的作用力;FL为飞机升力;Fd为飞机前进方向上的动阻力，它是飞行速度V的函数;σp为发动机的推力安装角;α为飞机起飞预置迎角．

其中，飞机升力FL、动阻力Fd可以由下式计算:

式中:Cx:飞机风阻系数;Cz:升力系数;ρ:航母舰面上的空气密度;S:飞机的迎风面积．Cx、Cz、S不同的飞机，运动状态差别很大．飞机与甲板摩擦力由下式计算:

其中μ是舰载机起飞时飞机轮胎与航母甲板的滚动摩擦系数．

2．2 动子滑块的运动学、动力学分析

在电磁力作用下，动子滑块在推动飞机前进过程中，将受到弹射飞机的反作用力、自身惯性力及风阻力的作用．图4是电磁弹射器结构简图．

图4 电磁弹射器结构简图Fig．4 Electromagnetic catapult structure diagram

将动子滑块进行简化，其加速段受力分析简图如图5所示．

动子滑块在加速运动过程中的电磁力作用方程为:

式中:m2:动子质量;F:推动动子滑块所需的电磁力;Fm:加速运动的动子滑块的惯性力，方向与运动方向相反;a:动子的加速度;Fo:向上的悬浮力;FF:动子滑块运动时所受的风的阻力．

设动子位移x，运动时间t，将式(1)至式(5)整理得:

图5 动子加速段受力分析简图Fig．5 Mechanical Analysis of acceleration of the mover

制动时，动子将受到制动电磁力、机械制动力、风阻力作用．动子滑块减速段简化受力分析简图如图6所示

图6 动子减速段受力分析简图Fig．6 Mechanical analysis of the deceleration of the mover

动子受力作用方程为:

式中F'为制动电磁力;Fq为机械制动力．

当直线电机通入电流I时，动子处于悬浮状态，开始加速运动，此时，则产生的洛仑兹力会使动子进一步加速，在时间t内达到起飞速度V2，舰载机机与动子拖钩分离，而具有高速运动的动子将迅速在短距离减速至零，再在电磁力作用下，返回弹射初始位置，完成一个工作循环．

3 系统功能组成

航母舰载机电磁弹射系统弹射飞机的示意图如图7所示，弹射系统组成如图8所示［10］．其弹射系统主要由储能分系统、弹射电动机分系统、电力调节分系统、控制分系统以及与舰船和外部的信息接口等分系统组成．

图7 电磁弹射系统概念安排Fig．7 Electromagnetic aircraft launch system arrangement

图8 电磁飞机弹射系统组成框图Fig．8 Electromagnetic aircraft launch system

3．1 各分系统及其功能

(1)弹射电动机分系统

弹射电动机分系统是一种将输入的电能转换为动子直线运动的动能的功率执行部件，从而实现舰载机在短时间内快速加速至规定起飞速，因此它是弹射系统的核心部分．本系统中采用永磁无刷直流电动机作为驱动装置．

(2)储能分系统

弹射电机在工作过程中，为实现大质量的舰载机在短时间完成弹射，需要极大的能量供给，因而需要在一定时间内储存足够的电网能量，并在工作时瞬时释放出来，为弹射电机供电．本系统中的储能装置可以选用电容器或交流飞轮发电机等设备．

(3)电力调节分系统

电力调节分系统即根据弹射电动机需要的形式把输入电源进行变换，同时根据不同的工作要求(弹射飞机的质量)提供不同的能量，根据储能形式选用直－直、交－直变换装置或其他形式的调节系统．

(4)控制分系统

控制分系统是由各种高性能传感器、光纤通讯网络、控制器和智能化数据采集系统等器部件组成，该系统会根据舰载机类型、所处环境条件及其它各种条件进行综合运算，输出工作信号，实现即时的控制，实现对弹射舰载机的控制功能，使磁悬浮电磁弹射系统成为一种高可靠性和高性能的舰载机弹射系统．

(5)外部信息接口

外部信息接口是弹射时外界工作条件、参数的输入口，是速度、位移、电流、电压等参量的弹射电动机分系统的输出口，其是实现有序安全运行必要的交换的接口．

3．2 系统方案分析

该舰载机磁悬浮电磁弹射系统方案有一定的理论依据，而从原理试验可以看出，磁悬浮式电磁弹射系统只要输入足够的电流是完全可以把载荷加速至规定要求的速度，因此这一方案的原理是可行的．弹射系统主要由以上五个分系统组成，只要把对应分系统的相关类型装置或设备在满足特性要求、接口匹配的前提下，即成为一个完整的电磁弹射系统．

4 结论

悬浮式电磁弹射系统通过对悬浮技术以及永磁无刷直流电机的研究表明，该方案的原理是可行的，从理论上讲是可以实现飞机弹射的．通过运动学的分析，确定了在弹射过程中驱动力和定子及动子的力的关系，进而明确机构的位置、速度、加速度和时间的关系．对于弹射系统的组成，各分系统之间必须相互协调、高度统一、充分发挥各自效能，从而保证整个系统工作高效、持久、可靠．

1 李梅武，崔英，薛飞．航母飞机起飞的最佳选择－电磁弹射系统．舰船科学技术，2008，30(2):78～80(Li M W，Cui Y，Xue F．Electromagnetic ejection system－the best choice for carrier aircraft taking－off．Ship Science And Technology，2008，30(2):78 ～80(in Chinese))

2 Doyle M R，Samuel D J，Conway T，Klimawski R R ．Electromagnetic Aircraft Launch System－EMALS．IEEE Transactions on Magnetics，1995，31(1):528～533

3 罗宏浩，吴峻，常文森．新型电磁弹射器的动态性能仿真．系统仿真学报，2006，18(8):2285～2288(Luo H H，Wu J，Chang W S．Dynamic performance simulation of a novel electromagnetic launcher．Journal of System Simulation，2006，18(8):2285～2288(in Chinese))

4 丁国良，胡业发，刘小静．磁悬浮电磁弹射系统结构设计与磁场分析．机械工程师，2008，1(1):23～55(Ding G L，Hu Y F，Liu X J．Maglev electromagnetic catapult system architecture design and analysis of magnetic field．Mechanical Engineer，2008，1(1):23 ～ 55(in Chinese))

5 Patterson D，Monti A，Brice C，Dougal R，Pettus R，Srinivas D，Dilipchandra K，Bertoncelli T．Design and simulation of an electromagnetic aircraft launch system．37th Annual Industry Applications Conference 3，2002，3:1950～1957

6 Stumberger G，Zarko D，Aydemir T M，Lipo T A．Design and comparison of linear synchronous motor and linear induction motor for electromagnetic aircraft launch system．IEEE Transactions on Magnetics，2003，1(1):494 ～500

7 邓永权．磁悬浮列车静悬稳定性与仿真分析［博士学位论文］．成都:西南交通大学，2002(Deng Q．Static levitation stability researches and simulation of maglev［PhD Thesis］．Chengdu:Southwest Jiaotong University，2002(in Chinese))

8 张安平，陈国平，裴锦华．基于直线直流电机的无人机发射技术研究．兵工学报，2010，31(2):257～260(Zhang A P，Chen G P，Pei J H．Research on launch technology of unmanned aerial vehicle based on linear DC motor．Acta Armamentarii，2010，31(2):257 ～ 260(in Chinese))

9 王福金，姚智慧．舰载机的电磁弹射器设计探讨．电子工业专用设备，2009，9(176):59～64(Wang F J，Yao Z H．Study for electronic magnetic aircraft launch system for carrier－borne aircraft．Equipment for Electronic Products Manufacturing，2009，9(176):59～64(in Chinese))

10 李梅武，魏建中，薛飞．一种航母电磁飞机弹射系统研究．舰船科学技术，2007，1(29):33～35(Li M W，Wei J Z，Xue F．Research on a sort of electromagnetic aircraft launch system．Ship Science And Technology，2007，1(29):33～35(in Chinese))

*The project supported by the Key National Natural Science Foundation of China(10732020)and the National Natural Science Foundation of China(11072008)

† Corresponding author E－mail:sandyzhang0@yahoo．com

MAGLEV ELECTORMAGNETIC CATAPULT SYSTEM FOR SHIPBOARD AIRCRAFTS*

Wang Yuan†Zhang Wei
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

As a more advanced technology than the current steam catapult on the aircraft carrier，electromagnetic launch technology is a research focus for many developed countries．Based on the analysis of the plane’s take－off motion from carriers，this paper studied the application of maglev rail technology and permanent magnet brushless direct current linear motor technology in maglev electromagnetic catapult design，and introduced the basic principles，composition and characteristics of this technology．

electromagnetic catapults， EMALS， magnetic suspension， permanent magnet brushless direct current linear motor

27 June 2012，

18 September 2013．

10．6052/1672－6553－2013－057

2012－06－27 收到第 1 稿，2013－09－18 收到修改稿．

*国家自然科学基金重点项目(10732020)和国家自然科学基金资助项目(11072008)

E－mail:sandyzhang0@yahoo．com