小型无人机电磁弹射器

孙文智

摘要：小型无人机电磁弹射器是一款可以使小型滑翼式无人机在短距离加速起飞的装置，主要的技术核心在于弹射结构的设计以及强迫储能装置的革新。本論文涵盖了研发过程中的三代产品。第一代小型无人机电磁弹射器完成了储能装置、电路、结构的设计，以及仿真模型的实物制作。成功弹射起飞一架0.2KG的小型滑翔式无人机，验证了电磁弹射原理的可行性。第二代小型无人机电磁弹射器在第一代的结构上将线圈数量增加了9倍，大大的提高了动力。第三代小型无人机电磁弹射器重新进行模块化设计，完成了动力线圈模块、运动模块、运动反馈模块、电容储能模块，支架以及外壳的设计，并进行了电磁场有限元分析。

关键词：电磁力;电磁弹射;超级电容器

1、引言

弹射器是在航空母舰上用来推动舰载机，增大其起飞速度、缩短其滑跑距离的装置，全称为舰载机起飞弹射器。经过几十年的发展，先后出现了压缩空气式、火药式、火箭式、电动式、液压式、蒸汽式以及先进的电磁弹射式等多种形式的弹射器。目前，除了蒸汽弹射器和电磁弹射器外，其他形式的弹射器都已经被淘汰。即使广泛使用的蒸汽弹射器由于环境温度的限制，弹射能量不可调节，也制约了其进一步的发展。

电磁弹射器由美国最新下水的（2013年10月11日）福特号航母首先装备，其弹射舰载机的效果明显优于以往的任何一种弹射器。电磁弹射器具有容积小、对舰上辅助系统要求低、效率高、重量轻、运行和维护费用低廉等好处。电磁弹射器主要由电源、强迫储能装置、直线电机以及控制系统构成。电磁弹射器的原理很简单，但是其结构却相当复杂而且材料工艺要求很高。由于弹射器的目的是在短时间内将几吨重的飞机弹射出去，期间消耗的电能很多，电源无法在短时间供电完毕，所以就需要设计一个可快速转化电能的装置，于是强迫储能装置就被设计了出来。

强迫储能装置的原理是利用一个交流发电机给一个交流电动机供电。这其实很容易办到，但这个电动机的转子同时要拖动直流发电机和一个惯性特别大的自由转子（约上百吨）一起旋转，这样自由转子高速运行时就具有非常大的动能，但是想要使如此庞大的转子高速运行却又十分困难。强迫储能装置简单来说就是将发电机产生的电能转化为飞轮的动能，依靠惯性储存能量，然后在需要时，快速减慢速度，将动能转化为弹射短时间内所需要的大量电能。强迫储能装置的缺点就是在每次将高速运转的上百吨飞轮快速减速时损耗过多，这也是整个弹射器最容易出故障的地方，也是技术难度最大的地方。

2、作品介绍

2.1作品设计、发明的目的

解决短距离快速弹射加速的难题。

2.2基本思想

模块化多功能电磁弹射器是利用电磁力作为动力，使物体在短距离弹射加速的装置。设计的主要目的就是要改进传统电磁弹射器中的不足之处，并使其小型化、模块化，快速短距离弹射物体。

传统电磁弹射器主要有三大部分，分别是强迫储能装置、弹射装置、控制系统。

传统电磁弹射器的强迫储能装置是利用巨大的飞轮储能能量，耗费大量空间、能量转化率不高等缺点不适合安装于小型军舰。小型无人机电磁弹射器利用超级电容器作为能量储存装置，采用电化电的能量转化形式，经考察，我国自主研发的超级电容器电容已经达到10000F以上，可以作为一个良好的储能装置，并且利用单相桥式全控整流电路设计出一套为大功率超级电容器快速充电的装置。

模块化多功能电磁弹射器拥有一套更简洁的弹射装置，有利于使用及维护。

2.3创新点

（1）应用电磁弹射原理实现短距离快速弹射加速的目的。

（2）应用超级电容器的储能原理实现能量的高效率转换。

（3）模块化设计便于使用和维修。

2.4.技术关键

（1）线圈匝数的确定和布局

（2）弹射器结构的设计

（3）储能电容的选择

（4）电路的设计

2.5.主要的技术指标

模块化多功能电磁弹射器经过不断的改进完善，共设计了三代产品。

第一代弹射器验证了电磁弹射的可行性，在实验中只有了10000uf的电容量和700匝线圈成功弹射起一架0.2KG的小型滑翼式无人机。

第二代弹射器是第一代线圈的叠加版本，将各项参数放大了9倍

第三代弹射器重新设计了机械结构，模块化的机械结构更便于使用及维修，电路更加规范，又进行了电磁场仿真。最终可实现在450mm的加速段上实现200N的推力。

3、创新点说明

3.1超级电容器储能

模块化多功能电磁弹射器采用全新的超级电容器作为储能的重要部分。超级电容器的功率密度高，稳定性好，可以反复充放电几十万次，所以利用超级电容器进行储能远胜于飞轮储能。

但是在实验中发现，对超级电容器进行充电的时间特别长。于是我便想到了现在流行的闪充技术。闪充技术是利用低电压高电流的模式，在电量固定的前提下，通过增强电压或电流的方式来缩短充电时间。根据超级电容器的特点，超级电容器接受电能时有一个很重要的因素，那就是充电电压，超级电容在接收电能时，它的电压由零逐渐升高到额定电压，而且充电电压与超级电容电压差越大，超级电容接收电能的速度就越快，功率就越高。也就是说，提高充电电压，可以减少充电时间。所以我在对超级电容器的充电选择了高电压低电流的模式。

当需要弹射重型飞机时，就需要更多更大的超级电容器，那时需要的电压也会非常大，为了获得更大电压，可以采用单相桥式全控整流电路。

3.2弹射装置

将超级电容器组所积攒的电能快速释放，会得到一股脉冲电流，将脉冲电流通向一组线圈，线圈会产生突变的磁场，会使附近电子定向运动。在线圈的后面放置一个铁质物体，铁质物体中的电子定向运动而形成了感应电流，感应电流与线圈相互作用，产生电磁力，推动铁质物体运动，再通过一系列传动杆将动力传送到弹射台上就可以弹射物体了。

3.3缠绕线圈

在实验中发现，线圈缠绕过多或者不当而产生的电感会对弹射效果会产生严重的影响，这也限制了获取的动力的大小。经过多次尝试，最佳的线圈缠绕方法是：在同一位置使用多组相同且适当匝数线圈并联在一起，使多组线圈的磁场耦合在一起，这就避免了电感对弹射线圈的不利影响。

3.4控制系统

模块化多功能电磁弹射器与电磁弹射器同样是利用电能来弹射飞机，所以小型无人机电磁弹射器也应该具备一系列的控制系统，如超级电容器的充放电过程电压电流的大小，电量储存的多少，每次弹射所需放出的电量，弹射角度等

3.5第一代小型无人机电磁弹射器的仿真模型设计

使用3块4.2V的锂电池作为电源，再用12V升500V的变压器升压，用这500V的直流电对10个并联在一起的耐压为450V电容为1000uf的电解电容充电，电容器充电完成后，将这些电能对一个由7组100匝线圈并联在一起的线圈一次性放电，线圈会产生突变的磁场，进而使铁质物体中产生感应电流，感应电流的磁场与线圈的磁场相互作用，产生电磁力，将其作为动力，再通过连接杆将动力转移到飞机上，将飞机弹射出去。

第一代小型无人机电磁弹射器仿真模型

3.6第三代小型无人机電磁弹射器

第三代小型无人机电磁弹射器图纸

3.6.1图纸

模块化设计：动力线圈模块、运动模块、运动反馈模块、电容储能模块，支架以及外壳。

3.6.2电磁场有限元分析

第三代小型无人机电磁弹射器有限元分析

第三代模块化多功能电磁弹射器缠绕10对500匝共10000匝线圈，由20个10000uf的储能电容作为储能模块的储能单元，由9个光电开关作为弹射器牵引座的运动反馈模块，最大水平推力大约200N，加速段长度450mm。

3.7使用说明

开关有储能开关、弹射开关。按下储能开关即开始蓄能，大约10s蓄能结束，松开储能开关，按下弹射开关，小型滑翔式无人机即可被弹射出去，然后手动搬回弹射牵引块即可进行第二次弹射。

4、结论

本论文中的小型无人机电磁弹射器是基于电磁弹射原理、超级电容器储能原理而研发出来的，使用了UG、CAD、protues、Motor等软件创新设计出来的产品。此论文论述了其三代的产品的研发过程，其最大的优势在于电容储能能量转化率高、电磁弹射动力足、模块化设计方便使用以及维修。小型无人机电磁弹射器适用于军舰等不便于提供飞机跑道的场合，快速短距离弹射大量无人战斗机、侦察机，形成无人机集群，进行集群作战。（指导老师：谷耀新）

参考文献

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