模拟电磁弹射装置的设计

2022-12-05江汉大学人工智能学院阳明轩肖博文胡津鸣周俊

数字技术与应用 2022年11期

江汉大学人工智能学院阳明轩肖博文胡津鸣周俊

电磁弹射是将电能转化为电磁能，进而转化为抛射物体所需的瞬时动能，从而完成对物体推进的技术。利用弹射器助推使飞机获得更高的加速度，这样对甲板的长度要求得以降低，降低甲板设计的硬性要求，提高航母设计的灵活性。模拟电磁弹射装置，可以展现飞机飞行的现象，有助于同学了解相关知识。作为教学演示的物理实验装置，该设计简单易操作，安全稳定，现象简明有趣。

航空母舰战斗力的发挥依赖于各种舰载机，舰载机能适应多种海洋环境，可以对地面、海上甚至空中目标造成强有力的打击，具有很强的战斗力。因此，舰载机的起飞能力和效率很大程度上决定着航母编队的作战能力，重型飞机要想从航空母舰上起飞，必须有弹射器[1]。弹射器的优势主要有：全天候起飞作战能力，不受恶劣天气限制可以起飞固定翼预警机，大幅增加预计距离，舰载机起飞时，不必为减轻起飞重量，而减少载弹量、载油量、使舰载机发挥不出正常作战性能。弹射器发展中曾出现过五花八门的类型，经典案例有弹簧复力弹射器、蒸汽弹射器、电磁弹射器等。

弹簧复力弹射器不能直接把飞机弹射起飞，飞机必须在发动机的推力下滑行一段才能起飞。它弹射飞机次数不高，因为它是靠储能机构完成储能的，而工作末端拉力又非常小，关键时候不能助推起飞。蒸汽弹射器这种弹射器是目前在役航母使用的弹射器，是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块把联结其上的舰载机投射出去的。蒸汽弹射器工作时要消耗大量蒸汽，维护成本大，U 型密封条更换频繁而又十分麻烦，对材质要求高。蒸汽弹射器使用成本大，效率低，使用过程中的各个环节都有很高的要求。电磁弹射器分为两种，分别是电磁线圈弹射器及电磁轨道弹射器[2]。本装置参考较为流行的电磁线圈炮及电磁轨道炮[3]的设计思路，并在其基础上，提出一种改进型电磁弹射模型，能减轻轨道炮的携带压力和安全问题，减小线圈炮的尾部回吸影响。

1 方案设计及原理实现

参考市面上较为流行的电磁线圈炮及电磁轨道炮[4]的设计思路，自主研发出了模拟航母电磁弹射装置，运用和电磁炮类似的实验原理采用新的机械结构，实现了电磁弹射功能。电磁弹射功能的基本物理原理是通电导线在磁场中受力而运动。本装置用线圈轴承作为弹射块，并且在弹射块的左，右，下方放置强磁铁块，通电线圈在磁场中会受到一个向前的力，而弹射块有多级线圈包裹[5]，因此弹射块会受到一个叠加力，将轴承弹射出去，而飞机通过尾勾和轴承相连，因此飞机也能借助轴承弹射出去。系统结构如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 装置实现

2.1 弹射主体部分

弹射部分的整体参考如图2所示，借鉴了市面上流传较多的电磁线圈炮和电磁轨道炮原理。其中，中心红色部分是绕着线圈的钢套直线轴承。轴承上面缠绕了若干圈线圈，并牵引出两头用来连接电源。直线轴承的三面分别了布置磁钢，用于提供较强的磁场。磁钢和中心的光杆的固定是通过3D 打印设备自行打印的固定装置实现的，它能使轴承处于一个稳定的磁场中。装置开始工作时，电源部分向线圈通电，通电导线在磁场中受力运动，每一圈线圈都收到一个向前的力，若干线圈叠加导致力也叠加，使得线圈会在极短的时间内产生爆发性的速度，带动绳子向前运动。

图2 弹射装置主体概念3D 渲染图Fig.2 3D rendering of ejection device body concept

轨道炮对电源电压要求极高，需要设计升压电路和继电器以及保护装置，过于复杂，不易携带。本装置轻便，体积小，对于电源要求低，对装置损耗小，能量利用率高。线圈炮的发射弹丸，材质要求较高，电磁线圈加速，在磁场加速末端会产生吸引力，减小速度，需要额外设计电控装置。本装置的加速部分全程在磁场中，没有大的磁感应强度的变化，故不会有回吸的影响。

2.2 弹射能源部分

我们采用市面上常见的航空电池给弹射线圈提供电流。另外，还设计了降压电路将电池12V 的电压降到5V。5V 电压可以给我们设计的光电门传感器电路供电，使得轴承接触到光电门能自主断电，安全保护，且减少电流损耗、仪器撞击等不必要的负面影响。5V 电源也可以给单片机供电，通过单片机的ADC 采样和霍尔元件来得到弹射中的磁场强度值。虽然本次设计用的是12V 电源，但是瞬时电流较大，具有一定的伤害性，使用时切记安全。电源部分详细电路图如图3所示。

图3 电源电路设计图Fig.3 Design diagram of power supply circuit

在本次设计中使用了STM32 主控的多路ADC[6]部分用于采集霍尔元件旁的电压值并且将其转化为磁感应强度值，通过串口输出到上位机或者用OLED 显示屏显示，整体电路图如图4所示。

图4 系统整体电路图Fig.4 Overall circuit diagram of the system

2.3 弹射飞行部分

飞机机翼利用了伯努利效应，把机翼下弧线做的比较平直，上弧线向上弯曲，利用上下的压强差，给机翼一个向上的升力。气流对升力的影响是非常大的，因此我们使用迎风投掷模型，为的就是要“吃”到较大相对气流速度，以提高升力。

此飞机优点在于：（1）采用的是EPP 航模专用泡沫，耐摔耐撞；（2）机头防撞风叶设计，尼龙材质，韧性十足。螺旋桨动平衡表现优良，柔韧度高不易折断；（3）强马力电机，动力强劲稳定，飞机尾钩设计简单好用；（4）飞机机身净重200 克，轻便，安装简单，飞机模型概念图如图5所示。

图5 飞机模型概念模拟图Fig.5 Conceptual view of aircraft model

仅通过飞机自身电机驱动，需要较长的起飞距离，通过弹射装置，提供一个较大的动力，产生较大的初速度，将起飞距离缩短至数十厘米的平台。

红色物体是弹射部分与飞机的连接部分，简称推进器（如图6所示），推进器两底面各有一个凹槽与轴承固定，使其成为一个整体。推进器后端的凹槽与飞机尾勾部分（如图7所示）相连接。弹射部分启动时，线圈受力带动着轴承向前移动，使得与推进器连接的飞机受到较大的动力，飞机获得初速度，减小起飞距离。

图6 推进器实物图Fig.6 Physical view of propeller

图7 尾勾实图Fig.7 Tail sketch diagram

3 装置功能及测量数据

磁场测量部分的原理图如图8所示，该部分电路采用5V 电源供电，OUT 为检测到的磁场转换为电压的输出信号。通过单片机的多路ADC 功能读取电压值，由于ADC 的输入电压范围为0 ～3.3V，因此在ADC 只能读取0 ～3.3V 的电压值，因此在输出端利用10k 和30k来组成一个分压电路，将电压限制在3V 左右，利用线性霍尔元件AH94E 的输出电压与磁场强度成正比的特性，通过单片机将AD 采集到的电压转化为磁场强度，最后输出出来。