舰载导弹电磁垂直发射装置电源系统仿真

李伟波,曹延杰,曲东森,金洪波

(海军航空工程学院,山东烟台 264000)



舰载导弹电磁垂直发射装置电源系统仿真

李伟波,曹延杰,曲东森,金洪波

(海军航空工程学院,山东烟台 264000)

舰载导弹电磁垂直发射系统是一种具有重要应用前景的新概念舰载导弹发射系统,电源系统是其中的研究重点,通过分析舰载导弹电磁垂直发射系统的原理、组成及工作流程,针对电磁线圈发射舰载导弹指标的需求,研究并得出了发射器发射能量、发射器效率、充电电压与电容量关系,通过仿真计算完成了充电机参数的设计,增强了舰载导弹电磁垂直发射系统的舰载电源的可靠性,为其工程化提供了支持。

导弹电磁垂直发射系统;能量;电容器;电源

0 引言

电磁线圈发射器是一种新概念电能发射器,与传统的化学能发射方式相比电磁线圈发射是一种将电能转换为载荷发射动能的技术[1],符合未来全电推进舰艇对装备的发展要求,有利于舰载装备系统的综合保障工作。

舰载导弹电磁发射系统(electromagnetic vertical launcher for shipborne missile,EMVLSM)的优点如下[2]:

一是发射过程精确可控。

二是电磁线圈发射系统的发射载荷质量可调,发射载荷速度可变,易于实现装备的共架发射。

三是发射精度高,发射速率快。电磁线圈发射器的工作时间一般为毫秒量级,易于连续快速发射导弹。

四是易于实现模块化。

电磁发射技术的技术优点能够有效满足舰载平台导弹发射的军事需求,因此将电磁线圈发射技术应用于舰载平台导弹发射具有广阔的应用前景。但同时,电磁发射技术因为技术上的难点,使得电磁发射装置应用于舰载平台大载荷发射存在许多待解决的关键技术问题,其中电源系统是其中重点研究方向之一。

1 EMVLSM系统工作原理

EMVLSM系统工作原理如图1所示[3]。发射器实际上是由多个感应驱动线圈串列而成的,各级驱动线圈由相应的控制电路来驱动,首先闭合第一级驱动线圈的控制开关,电容器对第一级驱动线圈放电,圆筒电枢感应出与驱动线圈方向相反的电流,发射组件在洛伦兹力的作用下产生一定的初速度,当发射组件到达第二级驱动线圈的触发位置后,触发第二级驱动线圈的控制电路,由第二级的电容器对第二级驱动线圈放电,实现对发射组件的再加速,然后发射组件经过各级驱动线圈的加速到达指定的速度。

图1 电磁线圈弹射器发射过程

2 EMVLSM系统组成

2.1 EMVLSM系统基本组成及工作流程

EMVLSM系统主要包括多单元电磁线圈发射器、武器控制系统、发射控制器、电源系统以及数据总线、信号线、脉冲电流总线。

图2 舰载导弹电磁垂直发射弹射系统

武器控制系统提供目标和飞行信息并向发射控制器发送开火指令,发射控制器通过数据总线向导弹发送目标和飞行信息,同时通过信号线向功率系统发送充电指令,电源系统通过脉冲电流总线给驱动线圈提供脉冲电流,电源系统还可以通过功率回收总线将系统产生的剩余能量回收,如图2所示。

2.2 电源系统组成

电源系统如图3所示,主要由功率控制器、电流控制器、储能设备、电力系统、脉冲电流总线和信号线组成。EMVLSM的电源系统所需电源主要取决于由导弹发射的频率,发射不同类型导弹需要的能量和系统整体效率来决定。这在很大程度上依赖于高功率脉冲电源的发展。目前,高功率脉冲电源包括多种类型,如:脉冲交流发电机系统、电感储能系统、电容器系统等。它们将惯性能和化学能等多种形式的能量分别转化为EMVLSM系统所需的电能。

电磁发射装置发射导弹为大载荷载体,一般需要电容器组供能几兆焦,发射数枚导弹则需要几十兆焦的能量,需要大功率的能量来源和充电设备,受电容器储能密度的限制,研究发射器发射能量、发射器效率、充电电压与电容量之间的关系,尽量降低对电容器储能密度的要求具有重要意义。同时为了满足多批次快速发射任务的要求,需要为电容器组快速充电,这对电容器充电速率提出了较高的要求。

图3 电源系统

3 EMVLSM的电源系统分析

电源系统是EMVLSM系统的重要组成部分,是影响系统工程化的重要因素,其中电容器和充电机的性能参数是电源系统的核心技术,本节通过仿真软件的计算对电容器和充电器的设计进行研究。

结合EMVLSM发射对象的需求,确定仿真实验的发射对象的参数设计。下一步要根据发射任务,确定EMVLSM系统电容器和充电机的参数,以满足发射载荷所需要的电能。

3.1 电容器参数仿真研究

假设对于载荷质量范围500～2 000 kg,初速度要求达到20～35 m/s的发射任务,需要的发射动能如图4所示。

图4 发射载荷质量、速度与动能关系

从图中可以看出,发射500 kg载荷,初速度达到20 m/s时需要初动能为0.1 MJ,发射2 000 kg载荷,初速度达到35 m/s需要动能为1.225 MJ,发射动能变化范围为0.1～1.225 MJ。当电磁线圈发射器的电磁-动能转化效率分别为10%时,质量和速度与需要电源提供的电能的关系如图5所示。

图5 发射质量、发射初速度与供能关系

从图中可以看出,提高电磁线圈发射器的能量转换效率,能够有效降低电磁发射器电源系统的供能要求。

图6为不同发射能量要求,不同发射器能量转换效率,5级发射器电容器参数(各级电容器充电电压和电容量相同)选择关系。图7为5级发射器给定电容器充电电压条件下,发射能量、发射器效率与电容量之间的选择关系。

图6 发射器发射能量、发射器效率、充电电压与电容量关系

图7 发射器发射动能、发射器效率与电容器电容量关系

通过仿真计算可以证明如果增加发射器级数,能够降低各级电容器的储能。当给定发射载荷所需动能时,增大电容器充电电压,提高发射器效率,可有效降低电容量参数值。给定电容器额定充电电压值,可以通过选择适当的电容量和发射器效率,来满足不同发射初动能的要求。

3.2 充电机参数仿真研究

高压充电机是脉冲功率电容器组的充电设备,对于多个电磁线圈发射器,合理配置充电机数量,需要综合考虑舰载平台的供电功率、电容器组数量、充电机的输出功率。图8为满足发射动能1.225 MJ指标条件下,充电机输出功率与充电时间的关系曲线。从图中可看出,当充电机的输出功率达到30 kW时,充电时间趋于平稳。

如果设定发射载荷质量650 kg,发射初速度20 m/s,发射载荷数量32个时,发射器发射效率10%,平台供电功率100 kW,不同充电机输出功率(10～90 kW)条件下,充电机数量、电容器组数量与充电时间的关系如图9所示。

图8 充电功率与时间的关系

图9 电容器组、充电机数量与充电时间关系

从图中可以看出,给定舰载平台供电功率,充电机输出功率,电源能量需求,存在最佳的充电机与电容器组电源模块数量。

表1是在给定100 kW供电功率,充电机输出功率在20～100 kW范围内,通过仿真计算得到的最佳充电机数量、电容器组数量和充电时间表。

表1 充电机数量和电容器组数量

4 结论

文中针对EMVLSM发射对象的需求,通过分析EMVLSM系统组成和电源系统,着重研究了电容器和充电机参数,利用仿真计算对发射器发射能量、发射器效率、充电电压与电容量关系,电容器组、充电机数量与充电时间关系进行了深入研究,得到了最佳充电机数量、电容器组数量和充电时间表,为EMVLSM的电源系统设计提供了指标参数设计方案。

[1] 王莹, 马富学. 新概念武器原理 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 1997.

[2] 中国科学技术协会. 2010-2011兵器科学技术学科发展报告 [M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2011: 11-12.

[3] George Raymond Root, JR. Electromagnetic missile launcher: US, US20100089227 [P]. 2009-04-28.

[4] Skurdal B D, Gaigler R L. Multi-mission electromagnetic launcher [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 458-461.

[5] 李治源, 关晓存. 感应线圈炮电枢与驱动线圈间纵向动态边端效应的影响 [J]. 微电机, 2010, 43(6): 13-15.

[6] 李凤层, 雷彬, 李治源. 单级感应线圈发射器参数分析与动态特性计算 [J]. 兵器材料科学与工程, 2010, 33(4): 72-75.

[7] Lei Bin, Guan Xiaocun, Li Zhiyuan, et al. Performance analysis of single coil driver [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): 53-58.

[8] Zou Bengui, Cao Yanjie, Wu Jie, et al. Magnetic-structural coupling analysis of armature in induction coilgun [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): 65-70.

[9] 李献, 王秋良, 王厚生, 等. 两段直线感应电磁发射器实验分析 [J]. 高电压技术, 2010, 36(11): 2785-2790.

Simulation on Power System of Electromagnetic Vertical Launcher for Shipborne Missile

LI Weibo,CAO Yanjie,QU Dongsen,JIN Hongbo

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264000, China)

Electromagnetic vertical launcher for shipborne missile is a promising innovative missile launching system; its power supply system is the focus of research. By analyzing the principles, composition and working process of shipborne missile vertical launch system, according to electromagnetic coil launch index, all of launcher energy, transmitter efficiency, the relationship between charge voltage and capacitance was got. Through simulation, design of charger parameters was completed, reliability of shipboard power of shipborne missile electro-magnetic vertical launch system was enhanced, providing reference data for the engineering.

electromagnetic vertical launcher for missile; energy; capacitor; power supply

2014-12-10

李伟波(1981-),男,山东招远人,讲师,博士研究生,研究方向:海军航空、导弹装备发展研究。

TM306

A