无人机电磁弹射技术研究
2007年8月第24卷第4期沈阳航空工业学院学报
Journa l o f Shenyang Institute of A e ronautica l Eng ineer i ng A ug . 2007V o. l 24 N o. 4
文章编号:1007-1385(2007) 04-0017-03
无人机电磁弹射技术研究
张安平
(南京航空航天大学无人机研究院, 江苏南京 210016)
摘 要:与现有的各种无人机发射方式相比, 无人机电磁弹射方式具有更多的优点, 能更好地提高无人机发射效率。通过原理性分析以及导轨起飞运动学分析, 对无人机电磁弹射技术进行了可行性研究。高功率脉冲电源系统释放强直电流后, 电流经导轨与电枢形成回路, 在回路间产生强磁场, 无人机受电磁推力作用沿导轨高速运动。最后通过实例的计算数据比较, 确定无人机电磁弹射技术是可行的且优点明显。关键词:电磁弹射; 无人机; 脉冲电源; 导轨中图分类号:V 279; TM 153
文献标识码:A
电磁弹射器是利用电磁力推动物体, 使物体在短距离内加速到一定速度后发射出去的装置。/电磁发射0
[1]
过调节输出电流的大小来改变弹射能的大小, 使电磁弹射器具有高精确度控制弹射从轻型到重型无人机的能力。
无人机电磁弹射起飞技术作为一种新概念的无人机发射技术, 其本质是基于直线电机原理, 大多数无人机的发射质量一般都在2000kg 以内, 发射速度一般低于80m /s, 对这样的发射质量和发射速度, 目前的直线直流电动机技术和高功率脉冲电源技术完全能为工程应用提供技术保障, 因此, 采用电磁弹射起飞方式发射无人机在技术上是可行的。
的概念早在19世纪40年代就被
提出, 但是直到20世纪70年代, 随着电源和电子
技术水平的提高, 电磁弹射技术才开始有了飞速的发展。电磁弹射技术最初用于使小质量物体获得超高速的运动速度, 但从20世纪90年代以来, 国外研究机构已将电磁弹射技术应用于大质量、
[2][3]
较低速物体的加速发射。
目前, 无人机靠外力获得足够的运动能量实施发射起飞主要有火箭助推、气压弹射以及液压弹射三种方式。与火箭助推相比, 电磁发射的几乎全是有效载荷, 无人机无负重, 发射能源为电源, 比使用火药成本低, 对环境影响小。气压或液压弹射器主要由各种气体管路或液体管路、阀、泵以及储能装置等设备组成, 占地体积大、系统复杂以及维护工作量大。受储能装置影响, 如果发射质量更大速度更快的无人机, 需要提高弹射能, 将使气压或液压弹射器的体积更大、系统更复杂。电磁弹射器主要由电源和直线直流电机等设备组成, 电源的能量贮存系统把贮存的能量转变为高频脉冲, 控制能量输出以驱动直线直流电机, 直线直流电机就是弹射电动机, 对无人机提供弹射力。相比气压或液压弹射器的组成设备, 电源与直线直流电机等设备体积小且容易维护。由于直线直流电机具有很好的可控性, 可以方便且精确地通
收稿日期:2007-03-25
作者简介:张安平(1979-), 男, 江西南昌人, 研究实习员, 硕士
1 无人机电磁弹射可行性原理
过去几十年中, 电磁炮和其他电磁弹射技术已经被广泛地研究了
[4~9]
, 其原理同样可应用到
无人机的发射起飞。无人机通过导轨或轨道加速到起飞速度的装置称为轨道发射器。本文借鉴文献[5][6]中叙述的轨道型电磁发射原理对无人机电磁弹射起飞技术的可行性进行研究。
无人机电磁弹射起飞装置主要由两根互相平行且具有一定发射角的导轨、高功率脉冲电源系统、电枢以及发射架等组成。固定的导轨作为直线直流电动机的定子部分, 沿导轨移动的电枢则作为直线直流电动机的动子部分。支承无人机的发射架与电枢固定连接组成发射体。无人机电磁弹射起飞装置示意简图见图1。
无人机电磁弹射起飞装置等效电路简图见图2。高功率脉冲电源系统可由外电源、变压器、整流电路、电容器组等构成, 当闭合开关1, 断开开
式(3) 中被加速组件质量为m 、速度为v 。电源输出功率为系统能量对时间的变化率p =d E /d t
d i d L (x)
i[L(x) +i ]
d t d t =i L (x)
2+i +m v d t 2d t d t
(4)
2i =m v 2d t d t
图1 无人机电磁弹射起飞装置示意简图
电容器组C 经整流充电后再接通前置电路D, 放电电流i 似直流I 状态供电
[9]
关2时, 电容器组充电至所需电压, 然后断开开关1, 闭合开关2, 电容器组放电释放出强电流, 当强电流从一根导轨经电枢流过另一根导轨时形成回路, 在两导轨之间会产生强磁场, 根据弗莱明左手
定则又称电动机原理, 通电电枢在磁场中受电磁力作用, 推动无人机沿导轨高速运动。
, 则得到被加
速组件的加速度a 为
222
d v I d L (x) I d t d L (x ) I L c (x ) a ====
d t 2mv d t 2m d x d t 2m
(5)
式(5) 中L c (x ) 为导轨单位长度的电感。令t =0时, 被加速组件的初始速度v 0=0, 被加速组件的初始位置x 0=0, 最后, 被加速组件的速度v 为
v =v 0+0a d t =
2m
被加速组件的运动距离x 为x =x 0+0v d t =
4m
Q
t
t
2
(6)
Q
22
(7)
2 无人机导轨起飞运动学分析
图2 无人机电磁弹射起飞装置等效电路简图
无人机受电磁推力作用沿x 方向运动的导轨电阻和电感分别为R (x) 和L (x ), 电枢电阻为R s , 电枢上的电压降为u s , 由于回路线路的电感和电阻很小, 一般可忽略, 回路中的自感电动势为e L (x ), 则路端电压u 为u =e L (x) +i R (x ) +u s ==L (x )
[L(x) i]+i R (x ) +u s d t
(1)
电磁推力作用于电枢时, 发射体支承着无人机作为被加速组件一起沿导轨高速运动, 无人机加速达到起飞速度时, 无人机与发射架自动分离后离架起飞。
无人机的起飞速度可以按常规起飞速度的计算方法进行计算, 但是无人机的起飞迎角不能用最大飞行迎角, 因此在发射导轨上的离轨起飞加速度要比常规性起飞加速度大。无人机导轨起飞运动学分析简图如图3所示。
+i +i R (x) +u s d t d t
式中(1) 中i 为脉冲电流, t 为无人机沿导轨运动时间。
如果忽略u s 、导轨电阻以及其它形式的能量损失, 则高功率脉冲电源系统输出功率p 为
p =iu =i[L(x)
+i ]d t d t
(2)
电磁弹射起飞系统的能量则由载流线圈的磁场能量E 1以及被加速组件的动能E 2两部分构成,
22
E =E 1+E 2=L (x ) i +m v
22
图3 无人机导轨起飞运动学分析简图
(3) 在图3中, G 为无人机起飞重量, T 为发动机
推力, v 为无人机在导轨面沿运动方向的速度, H 为飞机轴线与水平面的夹角(起飞迎角), A 为飞机轴线与导轨面之间的夹角, B 为发动机推力线与飞机轴线之间的夹角, C 为导轨面与水平面之间的夹角(发射角) 。
起飞迎角与发射角之间的关系为H =A +C , 如果发射角设置太大, 无人机所受推力就要大; 发射角设置小了, 无人机离轨时的飞行高度就小, 对无人机飞行的安全性不利。对于一般的无人机, 发射角设置在15b ~35b 比较合适。
无人机起飞速度为
v =
L
(8)
时间更快、起飞距离更短等优点, 相比目前各种成熟的无人机发射起飞方式, 发射效率更高, 因此受到越来越多的关注。本文利用了过去几十年电磁
炮以及其它电磁弹射技术方面的研究成果, 移植到无人机的电磁弹射起飞, 研究了无人机电磁弹射起飞的可行性, 最后通过实例数据对比证实了无人机电磁弹射起飞方式的优点。参考文献:
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式(8) 中Q 为空气密度, S 为机翼参考面积, C L 为起飞升力系数。
以某型无人机为例
[10]
, 根据(8) 式确定了该
型无人机起飞速度为35m /s。目前该型无人机起飞方式采用的是气液压弹射起飞, 无人机与发射架总重为197kg , 达到起飞速度时的时间为0. 6s ,
导轨上的运动距离为8. 8m 。如果该型无人机采用电磁弹射起飞, 令I =3. 32@10A, L c (x ) =0. 5L H /m , 根据(6) 式可计算得到离轨起飞时间t U 0. 25s , 根据(7) 式可计算得到在轨运动距离x U 4. 375m 。通过比较, 可以得知电磁弹射起飞明显具有发射时间更快导轨距离更短的优点。
5
3 结论
无人机电磁弹射起飞技术作为一种新型的发射技术, 具有隐蔽性更好、操作维护更简便、发射
Researc h of electro m agnetic launc h technology
of un m anne d aerial vehicle
Z HANG An-p i n g
(Research I nstitute o fUnm anned A ircra ft V ehic l e , N an jing Un iversity o fA eronautics&A stronautics , Jiang su N anji n g 210016)
Abst ract :Co m paring w ith all k i n ds of launching m et h od of unm anned aeria l vehicles in ex istence , electro -m agnetic launch has m ore ex cellences and can enhance the launching efficiency o f the unm anned aerial veh-i cle . In this paper , the feasibility of the electro m agnetic l a unch techno logy of unm anned aeria l vehicle is re -searched by pri n c i p le analysis and the rail launch i n g kine m atics . A fter the h i g her-po w ered pulsed po w er sup -ply releases strong d irect curren, t the c ircu it of current is for m ed via the ra ils and t h e ar m ature , strong m ag -netic fie l d is produced , the un m anned aeria l veh icle is driven by electro m agnetic force and is m oved speed ily along the ra ils . F i n ally , ca lculating data of the test is co m pared, the electro m agnetic launch technology o f the un m anned aer i a l veh icle is con fir m ed to be feasible and its exce llences are obvious . K eywords :electro m agnetic launch ; unm anned aerial vehic le ; pulsed pow er supp l y ; ra il