1、 电驱动及电推进技术课程报告 题目： 航空母舰舰载机 电磁弹射技术 姓名： 学号： 航空母舰舰载机电磁弹射技术 1 1. 电磁弹射技术背景 目前世界上的航母起飞方式有两种，滑跃式起飞及弹射式起飞。滑跃式起飞是让飞机从12左右的滑跃式甲板起飞。滑跃式技术简单、维护方便，节约淡水，但是滑跃式起飞的飞机不仅载重量小导致持空时间，还有一个致命缺陷就是滑跃起飞的航母不能装固定翼式预警机，只能采用预警直升机，它不仅置空时间短，而且预警能力有限。可以说预警机直接关系到航母的作战能力。 而美国的航空母舰以及法国的戴高乐号航母的甲板为完全水平，这类航空母舰所用的起飞方式就是弹射起飞。弹射技术是一种新兴的直线推进
2、技术，适宜于短行程发射大载荷，在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。目前被广泛采用的弹射技术为蒸汽弹射技术。蒸汽弹射器是目前航母飞机起飞的主要弹射装置，但它体积笨重、噪声大，特别是其浪费航母上宝贵的淡水储备，并且技术复杂，全世界目前只有美国能造出蒸汽弹射器。 本文所研究的电磁弹射器具有加速均匀、力量可控、能量输出调节范围大等诸多优势，使技术更先进、质量更大、速度更快的战机从航母上起飞成为可能。改用电磁弹射后，不仅飞机发射过程全程可控，而且可节约30%的人力资本， 重量降低50%，容积减少65%，效率提高10倍，因此受到各国军方的重视，所以说电磁弹射器将逐步取代现有的蒸汽弹射器。电磁弹射装置可
3、以也用在滑跃式起飞的航母，解决无法起飞大质量飞机的弊端。 2. 电磁弹射器的组成及原理 如图1所示，电磁弹射器主要包括储能系统、电力电子系统、直线电机、控制系统，另外还要有冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等。这些分系统、装置组合在一起，形成一个高性能的弹射系统，储能系统在特定的时间周期内从航空母舰的配电系统获得电能，并将储存的能量在 23s 的弹射期内以脉冲形式转换为电能。电力电子系统控制储能系统脉冲放电，调节直线电机动子速度，使飞机达到起飞速度。控制系统保证弹射过程按规定的参数完成弹射。 图2所示为导轨型电磁弹射器的基本原理。开关S接通时，电源G通过导轨 A、电枢 D 和导轨 C
4、构成了一个电流回路；电流 I 产生磁场 B，它对在磁场中流动的电荷产生了力F。由于导轨固定于刚体上不能移动，而电枢是活动体，所以电枢会在力的作用下以速度V向右运动。 航空母舰舰载机电磁弹射技术 2 图1 电磁弹射器的基本组成 图2 导轨式电磁弹射器原理示意图 电磁发射系统中电磁力 21 2FLI= (1) L 为发射装置的电感梯度，I 为流过电枢体的电流强度。经过时间t后物体的速度为： 221112FLItVVatVtVmm=+=+=+ (2) 物体在发射装置内以速度 1V 运动过程中，当装置通入电流I ，则产生的洛仑兹力会使物体进一步加速，在时间t内达到 2V 。 图3所示为线圈型电磁发射系
5、统基本原理 驱动线圈和一发射线圈同轴排列。发射线圈上以永磁或电励磁方式建立一恒定磁场，当驱动线圈中通以一定规律的电流时，发射线圈上始终要受到一个轴向力F，从而使其加速，沿着 X 轴的正方向前进。 航空母舰舰载机电磁弹射技术 3 a)单匝线圈结构 b)整体结构 图3 线圈型电磁发射系统原理示意图 3. 电磁弹射器的设计 3.1 直线电机的选择 直线电机类型较多，主要集中在两种类型的选择，永磁直线电机和直线感应电机。二者区别仅在于动子的构成。 永磁式电机的动子是将永磁铁嵌在非磁感应材料构成的框架中，而感应电机的动子则由大面积铜板构成，两种类型各有利弊。有关研究表明，永磁直线电机比感应电机具有明显优
6、势：力学性能能指标高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。而直线感应电机还存在发热高、结构复杂、不方便维护的缺点。 3.2 电机结构的确定 电机结构设计包括3个方面：一是动子与定子组合形式，二是动子支撑方式，三是结构参数的确定。 动子与定子组合有两种：一是倒 U 型结构，如图 4 所示，二是片式结构，如图 5 所示比较而言，倒 U 型结构定子质量小，但动子质量大，同时定子强度设计和散热问题是难点，启动和刹车都是问题。在片式结构中，定子质量大，动子质量小，有利于制动系统的设计，散热充分，因此不需要设计主动冷却系统。 相比之下，片式结构更值得选择。 图5 倒U型结构 图6 片式结构 动子支撑可选用
7、滚轮或磁悬浮方式完成。滚轮设计结构简单，但润滑、摩擦问题难解决。可以参考动车组车轮单元设计。磁悬浮方式无摩擦，但结构复杂，增加供电系统负担。可以移植磁悬浮列车技术。结构参数的确定比较复杂，是大航空母舰舰载机电磁弹射技术 4 推力的直线电机设计关键所在。设计时可采用三相供电方式，结合最终弹射速度、考虑电源供电频率及定位精度等因素的影响确定结构参数。 3.3 控制系统的设计 控制系统是整个电磁弹射系统的大脑，通过运算控制程序，大量的位置、温度、速度等不同类型的传感器，不间断地指挥、监视着电磁弹射全系统的工作。控制系统要根据飞机类型、环境气候、航母运行状态，发出控制指令，按照要求使飞机达到起飞速度。
8、同时，通过控制，还要使发电、储能、电力电子分系统高度协同，从而使系统工作获得高速度、高精确度和高可靠性。 力的加载时间、大小控制非常关键。通过加载方式的改变，一方面满足飞机起飞要求，另一方面，尽可能降低对电力电子系统、电源、储能系统的冲击。 另外，还要尽量使管理对象模块化，即不同类型飞机对应一个模块，同一类型飞机不同环境条件对应一个子模块。这样，便于进行傻瓜式操作，提高工作效率。该控制系统应该是舰上计算机集成指挥系统的子系统， 必须建立良好的上下游通讯、控制联系。 3.4 电力电子装置 电力电子装置用来精确控制、供给直线电机的电脉冲的电压和频率。大功率配电的、使用固态元器件的电力电子装置，在民
9、用工业领域已使用多年，很多人以为，完全能够实现电磁弹射系统要求的高可控性、高效率、高性能，适当集成便可以在电磁弹射中应用。但是，最近的资料表明，美国开发电磁弹射系统时，困难之一就出现在这里。所以, 必须谨慎对待。 3.5 储能设计 储能技术可有三种，即飞轮储能、电容储能、超导磁储能。飞轮储能发展应用较早，电容储能和超导磁储能是近年发展的新技术。 飞轮储能方式有储能密度大、效率高、寿命长、维护成本低等优点。 储能电容既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理，与蓄电池组构成储能系统，循环使用寿命长，近年研究应用越来越成熟。 超导磁储能系统由储能磁体(含低温系统)、变流器及监控装
10、置组成。超导磁储能系统可以高效储能、快速响应电力系统功率变化。因此，它既可以提高电力系统的稳定性，也能改善电力系统的供电品质，甚至能用作不间断电源。 3.6 辅助设施 预加动力装置：弹射时如果能利用某种方法，如气动或机械，来提供一个初速度，对于起动时克服被发射物体的惯性力，加速弹射进程中会降低电力系统负航空母舰舰载机电磁弹射技术 5 荷，提高电机品质因数。 缓冲刹车装置：动子将飞机拖动到起飞速度后，马上要减速，在较短的距离内(不超过10 m )刹车，完全靠电机反向制动，对电机及电力系统冲击很大。所以，还要考虑缓冲刹车装置。当完全采用摩擦制动时，会产生较大热量，不利于电机工作。缓冲装置既减小冲击
11、，又与摩擦刹车配合，使动子得以停止，同时还可为动子返回初始位置提供预加动力。 4. 电磁弹射技术的发展趋势与展望 应该说，无论是在军事领域的航母舰载飞机弹射，还是在民用领域的电磁列车等方面，以加速大载荷为特征的电磁弹射技术拥有广阔的应用空间。在工业技术领域中一些行程较短、以直线运动为主的驱动或传动环节上也可能会大有作为。以下几方面是该项技术发展的几个关键问题。 4.1 导电材料 在普通电机中用的导电材料以铜居多，但在电磁弹射技术中却至少存在二个问题。其一，从物理过程上看发射线圈的导体材料密度强烈地影响其速度和加速度，铜的密度太大；其二，在数以兆焦耳能量的发射过程中电流可能达到几兆安培，这在发射
12、线圈与驱动线圈中都会产生数量可观的欧姆损失。解决此问题的方法是采用超导材料，发射线圈采用铝、镁等轻质材料或采用特殊的结构 ,如等离子体电枢等。 4.2 铁磁材料的影响 在作为电磁炮的发射技术中，被发射物体一般质量较小，不含有铁磁材料。使用铁磁材料的优点是可以减小等效气隙，增加磁场强度，提高效率；缺点是有非线性，铁心损耗，而且普通铁磁材料的饱和磁密较低。在一般的民用或工业领域采用普通的铁磁材料和永磁材料是比较合理和可行的。 4.3 驱动线圈的同步控制 为了获得均匀而持久的加速，驱动线圈在包括发射线圈在内的发射物体上产生的加速力也应当是均匀而持久的，这就要求驱动部分要根据发射物体的具体位置进行同步控制，就象无刷直流电动机的电子换向一样。这个问题的解决是最困难的，相比而言，在工业或民用技术领域应用的场合，无刷直流电动机型的电磁弹射技术应该具有很好的应用前景。 4.4 初速度 在作直线驱动或传动的场合不需要。在作弹射时如果能利用某种方法，如气航空母舰舰载机电磁弹射技术 6 动或机械，来提供一个初速度，对于起动时克服被发射物体的惯性力，加速弹射进程会大有好处。 5 结束语 航母飞机弹射系统是提高航空母舰作战能力的最重要的一个组成设备，而电磁飞机弹射系统代表了未来飞机弹射技术的发展方向。中国若想组建一支实力强大的航母战斗群，发展电磁弹射技术是必由之路。
