李小民，李會(huì)來，向紅軍，李治源

(1．軍械工程學(xué)院無人機(jī)工程系，河北石家莊050003;2．軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北石家莊050003)

利用電磁力實(shí)現(xiàn)飛機(jī)推進(jìn)與制動(dòng)的新型彈射裝置具有小體積、高效率、高可靠性、低維護(hù)成本、寬使用范圍等諸多優(yōu)勢(shì)，能高精度、全程可控地彈射從小型無人機(jī)到戰(zhàn)斗機(jī)的大部分機(jī)種［1-2］。直線電機(jī)作為電磁彈射器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要應(yīng)用范圍是大載荷的短程加速，在軍事上比較典型的應(yīng)用是在航空母艦上艦載飛機(jī)的起飛彈射。設(shè)計(jì)和研發(fā)高性能的彈射用直線電機(jī)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)電磁彈射器研究工作的熱點(diǎn)。本文對(duì)飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)(ElectroMagnetic Aircraft Launch System，EMALS)的發(fā)展現(xiàn)狀、研究?jī)?nèi)容和電磁彈射用直線電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)其發(fā)展前景和應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1．1 美國(guó)飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)40年代起，世界軍事發(fā)達(dá)國(guó)家已認(rèn)識(shí)到電磁彈射技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，投入了大量的人力、物力和?cái)力進(jìn)行飛行器電磁彈射技術(shù)的研究工作，并在各自的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)上取得了明顯實(shí)效。其中，美國(guó)對(duì)艦載機(jī)電磁彈射技術(shù)的研究最早，也最為成熟，其主要側(cè)重于大載荷的艦載機(jī)電磁彈射器工程化研制。由于受限于大功率脈沖電源技術(shù)，英法等國(guó)家的研究側(cè)重于相對(duì)小載荷的無人機(jī)電磁彈射器，當(dāng)前技術(shù)瓶頸也集中在大功率的高頻開關(guān)脈沖功率技術(shù)和補(bǔ)償式脈沖交流發(fā)電機(jī)技術(shù)上。

美國(guó)海軍于20世紀(jì)40年代首先提出了將電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)起飛，當(dāng)時(shí)美國(guó)威斯汀豪斯電氣公司曾用一個(gè)稱作電拖(Electopult)的裝置做全尺寸飛機(jī)的彈射試驗(yàn)。然而，由于該系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，且與當(dāng)時(shí)主流的液壓彈射器相比存在較大差距，因此二戰(zhàn)結(jié)束后美軍就放棄了對(duì)該系統(tǒng)的研究工作。1981年，美軍重新開始對(duì)EMALS進(jìn)行可行性研究，論證其是否能在航空母艦上進(jìn)行電磁彈射飛機(jī)起飛。1988年，美國(guó)海軍EMALS研究小組(卡曼電磁系統(tǒng)公司)制造了12英尺的小比例電磁彈射系統(tǒng)演示器并進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，其靜態(tài)推力可達(dá)到500 kN以上，電磁輻射也能夠被屏蔽在彈射用直線電機(jī)的槽型結(jié)構(gòu)內(nèi)。而后，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心確定了航空母艦艦載機(jī)電磁彈射器模型的主要指標(biāo):在3 s內(nèi)，將重達(dá)36 t的全載F-14戰(zhàn)機(jī)加速到150節(jié)［3-4］。1995年，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心的 M．R．Doyle等人［5］提出了一種EMALS設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。該方案采用無槽型直線永磁同步電機(jī)、圓盤式交流發(fā)電機(jī)和頻率變換器共同構(gòu)成彈射系統(tǒng)。

圖1 美海軍空戰(zhàn)中心EMALS設(shè)計(jì)方案

20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)在論證未來航空母艦的過程中，正式將EMALS擺上了議事日程，并于1999年完成概念探討和定義工作后，通過招標(biāo)確定由諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman Gorp，NGG)和通用原子公司(General Atomics，GA)分別開展計(jì)劃定義和風(fēng)險(xiǎn)降低階段的研究，旨在開發(fā)一個(gè)全尺寸、全集成的 EMALS原型樣機(jī)［4，6-7］。2004年，完成了2種EMALS方案試驗(yàn)驗(yàn)證后，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心選擇了GA的設(shè)計(jì)方案進(jìn)入工程制造研制階段，其EMALS設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 GA的EMALS設(shè)計(jì)方案

2008年4月，GA公司EMALS研究團(tuán)隊(duì)成功通過了儲(chǔ)能60 MJ、功率60 MW的電動(dòng)機(jī)/飛輪發(fā)電機(jī)的工廠驗(yàn)收測(cè)試，這標(biāo)志著EMALS最后一個(gè)技術(shù)障礙被掃清［6-7］。2009年7月，GA-EMS公司完成了EMALS發(fā)電和動(dòng)力設(shè)備裝置的高頻循環(huán)測(cè)試(HCT-Ⅱ);而后，開始進(jìn)行EMALS模擬彈射試驗(yàn)和全功率演示驗(yàn)證試驗(yàn)工作。圖3是GA研制的EMALS關(guān)鍵的儲(chǔ)能部件——慣性儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)［7］。

圖3 GA研制的慣性儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)

從2010年1月起，EMALS的研究工作正式進(jìn)入到全尺寸試彈射綜合試驗(yàn)階段。試驗(yàn)初期，由于軟件問題，曾致使直線電機(jī)電樞和甲板張緊器造成不可修復(fù)的損傷。但是，問題很快得到了解決，2010年3月重新開始試驗(yàn)，經(jīng)過多次彈射后的試驗(yàn)小車末速可達(dá)180節(jié)，達(dá)到了EMALS對(duì)彈射末速的最高要求［7-8］。2010年12月，EMALS首次成功地將F/A-18E“大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機(jī)彈射起飛，研究工作獲得了里程碑意義;隨后，EMALS又多次完成了對(duì)T-45C“蒼鷹”教練機(jī)、C-2A“灰狗”運(yùn)輸機(jī)等其他機(jī)型的彈射起飛。2011年9月，美軍新澤西州海軍基地一架E-2D“鷹眼”預(yù)警機(jī)首次從全尺寸模型航母甲板上設(shè)置的電磁彈射器上彈射起飛，此次試驗(yàn)標(biāo)志著電磁彈射器應(yīng)用于航母已完全進(jìn)入工程化改進(jìn)調(diào)試階段。到目前為止，美國(guó)在EMALS上花費(fèi)了30余年的時(shí)間和40億美元的經(jīng)費(fèi)，預(yù)計(jì)其將在2015年服役的CVN-78航母上正式使用。從全尺寸彈射綜合試驗(yàn)的效果和改進(jìn)調(diào)試的進(jìn)度來看，工程研制和計(jì)劃進(jìn)度表很吻合，按時(shí)間表成功投入使用的可能性非常大。

1．2 英法電磁彈射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

英國(guó)飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為EMCAT(ElectroMagnetic CATapult)，其計(jì)劃作為英海軍新一代航母(CVF-1，CVF-2)的電磁彈射器。2001年，英國(guó)便已啟動(dòng)了“電磁動(dòng)力綜合集成技術(shù)”(ElectroMagnetic Kinetic Integration Technology，EMKIT)的研發(fā)計(jì)劃;2005年，開始進(jìn)行樣機(jī)研制;2006年12月，在萊斯特謝爾郡的試驗(yàn)場(chǎng)完成了EMKIT系統(tǒng)首次試運(yùn)行;2007年2月，EMKIT成功進(jìn)行了在特定彈射速度下的試驗(yàn)，7月開始進(jìn)行滿負(fù)載試驗(yàn)。EMKIT樣機(jī)是一種低電壓系統(tǒng)，采用直線感應(yīng)電機(jī)，安裝在沿著15 m長(zhǎng)的軌道布置的模塊化設(shè)備中，軌道與靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)相連，如圖4所示。EMKIT系統(tǒng)計(jì)劃用于從海上平臺(tái)上彈射無人機(jī)，要求實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為:彈射飛機(jī)質(zhì)量小于500 kg;彈射末速度約為50 m/s;每小時(shí)可完成5次彈射;最大加速度為10g。

圖4 英國(guó)研制的EMKIT試驗(yàn)樣機(jī)

英國(guó)科孚德公司的EMCAT系統(tǒng)在技術(shù)和性能上接近于美國(guó)GA公司的EMALS。但EMCAT系統(tǒng)采用了開路控制方式，可消除對(duì)速度反饋傳感器的依賴，不需要在軌道上安裝傳感器;另外，它還能針對(duì)大多數(shù)故障自行調(diào)整和修正，在單個(gè)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)失靈、飛機(jī)噴氣動(dòng)力不足、飛機(jī)質(zhì)量設(shè)置錯(cuò)誤以及缺少飛機(jī)噴氣推力數(shù)值時(shí)能夠正常彈射。由于避免了大量傳感器的使用和安裝工作，EMCAT系統(tǒng)在成本和保養(yǎng)方面更具優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的可用性更好，控制更簡(jiǎn)單。與EMKIT系統(tǒng)使用690 V的低電壓不同，EMCAT系統(tǒng)工作在3 kV的高電壓環(huán)境下，尺寸也遠(yuǎn)大于EMKIT系統(tǒng)。EMCAT系統(tǒng)彈射有人駕駛飛機(jī)時(shí)的加速度為3．5g，彈射能量將達(dá)到60～80 MJ，最高可將30 t的飛機(jī)加速至78 m/s。

法-德圣路易斯研究所(Institute of Saint Louis，ISL)曾提出了一種能彈射數(shù)百千克無人機(jī)的電磁彈射器設(shè)計(jì)方案［9］。它采用了長(zhǎng)初級(jí)結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機(jī)，集中整距三相定子繞組。其技術(shù)指標(biāo)為:彈射無人機(jī)質(zhì)量350 kg;彈射末速度50 m/s;導(dǎo)軌長(zhǎng)度14 m;發(fā)射仰角30°;平均加速度89．3 m/s2;推力 33．015 kN。

2 電磁彈射用直線電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

在大載荷、低初速的飛機(jī)電磁彈射情況下，必然要求彈射器的本體(即直線電機(jī))具有很高的效率和推力/體積比，這樣才能滿足彈射器的性能指標(biāo)。電磁彈射器不僅要求直線電機(jī)的輸出推力足夠大，還要求推力波動(dòng)盡可能小，以防止對(duì)飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生沖擊和過應(yīng)力。直線電機(jī)作為電磁彈射器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其推力性能提升和推力波動(dòng)抑制是重要研究?jī)?nèi)容，其關(guān)鍵技術(shù)就在于電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能的控制方法。

2．1 直線電機(jī)選型方案

電磁彈射器的直線電機(jī)選型主要有永磁直線電機(jī)(Permanent Magnet Linear Motor，PMLM)、直線感應(yīng)電機(jī)(Linear Induction Motor，LIM)和直線磁阻電機(jī)(Linear Reluctance Motor，LRM)3類。對(duì)于LIM，由于其采用注入電流勵(lì)磁，使得繞組能夠加載大電流，故LIM的推力輸出往往大于永磁類直線電機(jī)，其通常適用于大載荷艦載機(jī)電磁彈射器設(shè)計(jì)中;與感應(yīng)類電機(jī)相比，PMLM的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，更適用于質(zhì)量較小的無人機(jī)電磁彈射器方案設(shè)計(jì)，其工作原理如圖5所示。根據(jù)PMLM的初級(jí)、次級(jí)結(jié)構(gòu)類型的不同，其又分為動(dòng)磁型和動(dòng)圈型2種結(jié)構(gòu)，通常動(dòng)圈型直線電機(jī)易受拖線結(jié)構(gòu)的限制，動(dòng)磁型直線電機(jī)往往更適于大推力、高速度的電磁彈射應(yīng)用［10］。

圖5 PMLM工作原理

對(duì)于基于LRM的電磁彈射器設(shè)計(jì)方案，其控制方法較為簡(jiǎn)單，但是消除較大的齒槽定位力和磁飽和問題是限制其動(dòng)子末速度輸出的主要因素［11］?；邶X槽結(jié)構(gòu)的永磁直線電機(jī)的電磁彈射器方案，為消除永磁體磁飽和限制并防止繞組大電流造成永磁體退磁，有限元計(jì)算結(jié)果顯示使用永磁體厚度要達(dá)到100 mm，這就限制了其工程化設(shè)計(jì)應(yīng)用［9］?？紤]到直線電機(jī)的恒推力輸出控制問題，采用不均勻分段法設(shè)計(jì)的電機(jī)應(yīng)用于電磁彈射器，使得從設(shè)計(jì)階段就考慮了推力波動(dòng)的抑制問題［12］。但這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案會(huì)在分段過渡接縫時(shí)產(chǎn)生定位力的波動(dòng)，需要進(jìn)一步消除。

2．2 直線電機(jī)電磁-推力性能優(yōu)化方法

2．2．1 彈射用直線電機(jī)電磁-動(dòng)態(tài)性能分析

直線電機(jī)電磁性能的研究主要借助于有限元分析，通過對(duì)直線電機(jī)彈射過程的動(dòng)態(tài)模擬來研究電磁場(chǎng)分布、電磁-溫度參數(shù)等對(duì)推力輸出和動(dòng)子加速性能的影響。通過仿真計(jì)算，為彈射器的工程設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

寇寶泉等［13］研究了一種電磁彈射用永磁直線同步電機(jī)(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM)的瞬態(tài)電磁-溫度場(chǎng)特性，并對(duì)直線電機(jī)的電磁-動(dòng)態(tài)性能特性計(jì)算結(jié)果在樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真模型和電磁場(chǎng)分布云圖如圖6所示。

羅宏浩等［14］對(duì)一種電磁彈射用PMLM在不同電流驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)態(tài)發(fā)射特性進(jìn)行了研究，并結(jié)合理論分析與有限元仿真對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其有限元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)行特性結(jié)果令人滿意。筆者對(duì)一種適用于幾十千克小載荷無人機(jī)的動(dòng)磁型LPMBLDCM電磁彈射器的電磁-推力特性進(jìn)行了研究，仿真模型和電磁場(chǎng)分布云圖如圖7所示，利用有限元計(jì)算得到了電磁特性、電路特性和加速特性的仿真結(jié)果，仿真數(shù)據(jù)和樣機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)一致。

圖6 PMLSM的仿真模型和電磁場(chǎng)分布云圖

圖7 LPMBLDCM的仿真模型和電磁場(chǎng)分布云圖

2．2．2 直線電機(jī)推力性能提升方法

直線電機(jī)推力性能提升方法包括推力輸出性能提升和恒推力輸出控制2方面?？傮w上可分為2類:1)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)來抑制齒槽力和優(yōu)化反電動(dòng)勢(shì)波形，進(jìn)而達(dá)到提升推力輸出和抑制推力波動(dòng)的目的;2)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，?duì)電機(jī)輸出的不良特性加以改進(jìn)，使得電機(jī)輸出推力更加平穩(wěn)。

1)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要集中在對(duì)電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算，研究推力輸出下降和推力波動(dòng)的原因，并據(jù)此優(yōu)化調(diào)整電機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，在提高電機(jī)輸出推力的同時(shí)盡可能減少其推力波動(dòng)。電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是通過對(duì)斜槽、繞組結(jié)構(gòu)、磁極、鐵心等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，來優(yōu)化電機(jī)輸出性能［15-18］。另外，通過特殊的結(jié)構(gòu)安排和機(jī)械設(shè)計(jì)仍可以達(dá)到減小電機(jī)齒槽力和推力波動(dòng)的目的［19］。值得注意的是，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)提升電機(jī)輸出性能時(shí)，會(huì)引起因某些參數(shù)的改變而影響電機(jī)其他性能的問題，所以必須全面考慮。其他非目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)不能隨意調(diào)整，改變其他參數(shù)后必須重新計(jì)算，因而單一目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)使用范圍有限，進(jìn)而引出了電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題［20］。

另外，在高速情況下，永磁電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很高的渦流損耗和磁滯損耗，進(jìn)而造成電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩輸出的下降［19，21-22］。電機(jī)高速工況下對(duì)電機(jī)性能帶來的影響主要體現(xiàn)在渦流阻力和磁場(chǎng)檢測(cè)2方面。相關(guān)研究［21］指出:高速時(shí)的損耗模型不能通過傳統(tǒng)的解析估算，而必須通過數(shù)值計(jì)算才能得到正確的結(jié)論。在電機(jī)高速工況下，由于動(dòng)磁體高速運(yùn)動(dòng)引起的反電勢(shì)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)會(huì)干擾電機(jī)磁場(chǎng)的檢測(cè)，從而導(dǎo)致基于磁場(chǎng)檢測(cè)的電機(jī)換相控制問題也被眾多學(xué)者［23-24］廣泛研究。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，可以在材料選擇、鐵耗計(jì)算、磁路結(jié)構(gòu)等方面采取適當(dāng)措施，以提升推力輸出性能，還應(yīng)將電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，并且考慮電機(jī)高速工況下電感參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，最后得出合理的設(shè)計(jì)方案。

2)直線電機(jī)推力控制方法

直線電機(jī)推力控制方法的實(shí)質(zhì)是通過對(duì)電機(jī)推力特性的研究(實(shí)時(shí)或者離線)，制定相應(yīng)的控制策略，并根據(jù)電壓、電流、位置、速度等觀測(cè)量的變化給出控制量，使電機(jī)的輸出達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。它主要包括預(yù)定義電流波形控制、狀態(tài)觀測(cè)與估計(jì)、直接推力/轉(zhuǎn)矩控制、制動(dòng)性能分析以及變速度條件下的換相推力波動(dòng)抑制等研究?jī)?nèi)容。

直線電機(jī)推力波動(dòng)主要來源于3個(gè)方面:靜態(tài)的齒槽定位力、電樞反電動(dòng)勢(shì)不規(guī)則引起的推力波動(dòng)和換相控制引起的推力波動(dòng)［25］。前2種推力波動(dòng)主要是由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電磁感應(yīng)所引起的，其主要通過電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來抑制;對(duì)于換相推力波動(dòng)抑制，一般是通過適當(dāng)?shù)募?lì)控制策略使得電機(jī)輸出推力更為平穩(wěn)。換相推力波動(dòng)抑制方法是無刷直流電機(jī)特有的控制方式引入的，它包括2方面:一是換相時(shí)刻非換相電流變化引起的推力波動(dòng);二是在電機(jī)高速運(yùn)行工況下，換相控制本身導(dǎo)致電流波形滯后反電勢(shì)波形所引起的推力下降［23］。電流波形控制方法是通過對(duì)電樞反電動(dòng)勢(shì)不規(guī)則問題的補(bǔ)償來抑制電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的。通過對(duì)換相電流預(yù)測(cè)控制或注入電流諧波成分，來得到滿足恒推力要求和約束條件的電流波形統(tǒng)一形式，在反電勢(shì)非理想波形的條件下實(shí)現(xiàn)恒推力控制，這是電流波形控制方法的理論依據(jù)。

為了改善推力波動(dòng)，許多學(xué)者［24，26-27］嘗試通過建立輸入?yún)?shù)與輸出推力/轉(zhuǎn)矩的直接代數(shù)關(guān)系來進(jìn)行精確控制，其目的仍然是抑制電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)恒推力/轉(zhuǎn)矩直接控制。由于對(duì)轉(zhuǎn)矩/推力及定子磁鏈直接進(jìn)行控制，因而涉及到定子參考磁鏈的觀測(cè)問題。根據(jù)所跟蹤定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，電機(jī)控制分為直接自控制(Direct Self Control，DSC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)。目前，對(duì)參考定子磁鏈的確定已有一定的研究，但也都存在諸如無用功耗偏高、熱損耗增加等問題。為了克服系統(tǒng)容差帶來的影響，近年來又有學(xué)者將智能控制算法加入到電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩/推力控制系統(tǒng)中優(yōu)化其性能，也取得了一定的成果［28-29］。

以上控制方法的有效性依賴于對(duì)電機(jī)參數(shù)的預(yù)知程度和對(duì)電機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)精度，當(dāng)電機(jī)參數(shù)不能準(zhǔn)確獲知或在電機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生變化時(shí)，推力控制方法就必須輔以適當(dāng)?shù)膮?shù)估計(jì)和狀態(tài)觀測(cè)措施，實(shí)時(shí)校正控制模型，從而克服外部干擾以減小推力波動(dòng)［30-32］。不過，這些估計(jì)和觀測(cè)方法只對(duì)某些特定的參數(shù)敏感，而不可能捕捉所有參數(shù)的變化，因而很難離開實(shí)驗(yàn)室環(huán)境;而且這些方法都要求控制系統(tǒng)具有很高的檢測(cè)精度和運(yùn)算處理能力，軟、硬件成本都很高。直線永磁電機(jī)由于受有限長(zhǎng)動(dòng)子邊緣磁通的影響，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)磁通變形、反電勢(shì)變形、相間不平衡和邊端力等邊端效應(yīng)，這些現(xiàn)象對(duì)電機(jī)直接推力控制的影響機(jī)理與消除措施也被廣泛研究［33-34］。

2．3 儲(chǔ)能部件和熱量管理技術(shù)

對(duì)于電磁彈射系統(tǒng)儲(chǔ)能部件的選擇，要考慮其彈射飛機(jī)類型、功率密度、電流波形以及設(shè)計(jì)要求的每個(gè)單元電氣參數(shù)。圖8為EMKIT、EMCAT系統(tǒng)分別彈射各類型飛行器所需的能量。

圖8 EMKIT、EMCAT系統(tǒng)彈射各類飛行器所需能量

從圖8可以看出:在低電壓供電模型下，EMKIT系統(tǒng)只能彈射質(zhì)量小于“捕食者”無人機(jī)(1 000 kg)的中小型飛行器;當(dāng)電磁彈射大載荷的飛行器時(shí)，就必須考慮使用其他儲(chǔ)能部件，一般選擇高壓供電儲(chǔ)能或飛輪強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置。在繞組大電流工況下，必須考慮電機(jī)推力密度、繞組發(fā)熱量控制等問題。EMALS預(yù)期定子效率為70%，峰值損耗為13．3 MW，如此大的耗損功率，冷卻是必要的，其采用去離子水繞組注入冷卻方式，冷卻水的進(jìn)口溫度為35℃，壓力690 kPa，流量為1 363 L/min，經(jīng)過循環(huán)冷卻后，可將峰值溫升由155℃降至75℃。另外，對(duì)于永磁式直線彈射器設(shè)計(jì)，還要防止電流高溫下的永磁體退磁現(xiàn)象。永磁體溫升主要由渦流效應(yīng)引起，其產(chǎn)熱溫升相對(duì)較小，一般采用自然對(duì)流方式進(jìn)行冷卻。繞組瞬態(tài)溫升主要集中在端部，通過增大水流量的水冷卻方式對(duì)降低短時(shí)峰值溫升的作用有限，提升水冷卻方式的散熱能力主要通過加強(qiáng)材料應(yīng)用和工藝改進(jìn)上［35］。通過對(duì)永磁體支撐套開槽或在兩側(cè)增加絕緣層隔離的方法，也能夠在一定程度上減小渦流效應(yīng)，從而抑制永磁體溫升［19，36］。

3 研究展望

電磁彈射技術(shù)受到重視以來，國(guó)內(nèi)外(以美國(guó)為主)的眾多研究機(jī)構(gòu)對(duì)電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于EMALS展開了廣泛的研究。對(duì)于這一新興的衍生領(lǐng)域，學(xué)者們主要是通過對(duì)作為彈射器本體的直線電機(jī)進(jìn)行理論建模和動(dòng)態(tài)仿真以及控制方法的研究。具備高儲(chǔ)能密度及快速充放電特性的高功率脈沖電源和精確的循環(huán)整流控制系統(tǒng)仍是制約電磁彈射技術(shù)的關(guān)鍵因素。

3．1 深化慣性儲(chǔ)能和高功率循環(huán)逆變系統(tǒng)作用機(jī)理，開展彈射器關(guān)鍵組件研究

對(duì)于高功率輸出的電磁彈射器，補(bǔ)償式脈沖交流發(fā)電機(jī)和高功率循環(huán)變頻器是其最關(guān)鍵、技術(shù)難度最大的組件。從設(shè)計(jì)上看，高功率循環(huán)變頻器是通過多路橋式電路來獲得疊加和控制功率輸出的，是完全數(shù)字化管理的無電弧電能源變頻管理系統(tǒng)。補(bǔ)償式脈沖交流發(fā)電機(jī)作為電磁彈射器的儲(chǔ)能裝置，單個(gè)電機(jī)在10 s內(nèi)向外輸出幾十甚至上百兆焦能量。在如此高功率輸出的情況下，儲(chǔ)能裝置和循環(huán)變頻器協(xié)同工作，既要功率輸出平穩(wěn)可控，又要防止產(chǎn)生高壓電弧，這是極其復(fù)雜的控制過程。開展大容量慣性儲(chǔ)能系統(tǒng)和高功率循環(huán)逆變系統(tǒng)組件研制，深化高頻高功率脈沖儲(chǔ)能的泄放整流作用機(jī)理，是大載荷電磁彈射器工程化研制的基礎(chǔ)。

3．2 強(qiáng)化系統(tǒng)集成研究，為工程化樣機(jī)研制提供基礎(chǔ)

目前，美國(guó)已經(jīng)完成了EMALS的調(diào)試運(yùn)行試驗(yàn)工作;英國(guó)的EMCAT系統(tǒng)也開展了多次的無人機(jī)彈射起飛試驗(yàn)，系統(tǒng)調(diào)試集成運(yùn)行成功。研制大功率輸出可調(diào)節(jié)的EMALS工程樣機(jī)工作，首先需要完成各系統(tǒng)組件研制以及縮比樣機(jī)的試驗(yàn)研究;綜合考量各分系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)性和協(xié)調(diào)性，使得各部分都能彼此協(xié)調(diào)工作，達(dá)到整體性能最優(yōu)系統(tǒng)，為了達(dá)到此目標(biāo)，系統(tǒng)集成工作的優(yōu)劣至關(guān)重要。各系統(tǒng)組件集成工作，使得全系統(tǒng)是低成本、高效率、可擴(kuò)充性和可維護(hù)的系統(tǒng)。因此，強(qiáng)化系統(tǒng)集成技術(shù)的研究、推動(dòng)工程化樣機(jī)的研制必然成為今后研究工作的一個(gè)方向。

3．3 加強(qiáng)熱管理技術(shù)和電磁兼容與高電壓安全性研究，為裝備發(fā)展提供依據(jù)

目前，美軍對(duì)EMALS提出的熱能管理和電磁兼容與高壓安全的需求，已經(jīng)開展了專門的適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示:18 m EMALS縮比樣機(jī)模型輸出效率僅為58%，而50 m 1/2樣機(jī)模型的效率也僅為63．2%。這證明能量利用率還有不足，熱功率也成倍增加。另外，在電磁彈射過程中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)載電子設(shè)備影響的抑制也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。美軍在2012年進(jìn)行的EMALS電磁干擾和電磁兼容適應(yīng)性試驗(yàn)表明:彈射過程中的電磁強(qiáng)脈沖干擾會(huì)在一定程度上影響機(jī)載電子設(shè)備正常工作，采取磁密封條增強(qiáng)磁屏蔽措施后的發(fā)射軌道完全能夠?qū)⒕植繌?qiáng)磁場(chǎng)降低到正常環(huán)境水平。電磁兼容與高電壓安全性研究是電磁彈射系統(tǒng)安全評(píng)估的一項(xiàng)重要的技術(shù)問題，加強(qiáng)開展這方面的研究將有利于建立裝備安全的試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)，為裝備的發(fā)展提供依據(jù)。

3．4 拓展應(yīng)用領(lǐng)域

隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁彈射技術(shù)應(yīng)用可拓展到軌道交通牽引、高速車輛碰撞、初級(jí)火箭衛(wèi)星發(fā)射等領(lǐng)域。在民用方面，電磁彈射系統(tǒng)作為非黏著型軌道交通牽引系統(tǒng)，可以滿足在建筑密集、地形復(fù)雜、丘陵地貌地區(qū)對(duì)軌道交通的特殊要求，實(shí)現(xiàn)低噪音、高爬坡等功能。同時(shí)，在軌道交通車輛碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)、周期性往復(fù)高速試驗(yàn)系統(tǒng)中等都可得到廣泛應(yīng)用。另外，超大功率電磁彈射系統(tǒng)可用于衛(wèi)星的發(fā)射，代替初級(jí)火箭發(fā)射，由于可重復(fù)多次利用，維護(hù)工作量較少，因此單次發(fā)射成本會(huì)明顯降低。

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