江漢大學人工智能學院 陽明軒 肖博文 胡津鳴 周俊

電磁彈射是將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，進而轉(zhuǎn)化為拋射物體所需的瞬時動能，從而完成對物體推進的技術(shù)。利用彈射器助推使飛機獲得更高的加速度，這樣對甲板的長度要求得以降低，降低甲板設(shè)計的硬性要求，提高航母設(shè)計的靈活性。模擬電磁彈射裝置，可以展現(xiàn)飛機飛行的現(xiàn)象，有助于同學了解相關(guān)知識。作為教學演示的物理實驗裝置，該設(shè)計簡單易操作，安全穩(wěn)定，現(xiàn)象簡明有趣。

航空母艦戰(zhàn)斗力的發(fā)揮依賴于各種艦載機，艦載機能適應(yīng)多種海洋環(huán)境，可以對地面、海上甚至空中目標造成強有力的打擊，具有很強的戰(zhàn)斗力。因此，艦載機的起飛能力和效率很大程度上決定著航母編隊的作戰(zhàn)能力，重型飛機要想從航空母艦上起飛，必須有彈射器[1]。彈射器的優(yōu)勢主要有：全天候起飛作戰(zhàn)能力，不受惡劣天氣限制可以起飛固定翼預警機，大幅增加預計距離，艦載機起飛時，不必為減輕起飛重量，而減少載彈量、載油量、使艦載機發(fā)揮不出正常作戰(zhàn)性能。彈射器發(fā)展中曾出現(xiàn)過五花八門的類型，經(jīng)典案例有彈簧復力彈射器、蒸汽彈射器、電磁彈射器等。

彈簧復力彈射器不能直接把飛機彈射起飛，飛機必須在發(fā)動機的推力下滑行一段才能起飛。它彈射飛機次數(shù)不高，因為它是靠儲能機構(gòu)完成儲能的，而工作末端拉力又非常小，關(guān)鍵時候不能助推起飛。蒸汽彈射器這種彈射器是目前在役航母使用的彈射器，是以高壓蒸汽推動活塞帶動彈射軌道上的滑塊把聯(lián)結(jié)其上的艦載機投射出去的。蒸汽彈射器工作時要消耗大量蒸汽，維護成本大，U 型密封條更換頻繁而又十分麻煩，對材質(zhì)要求高。蒸汽彈射器使用成本大，效率低，使用過程中的各個環(huán)節(jié)都有很高的要求。電磁彈射器分為兩種，分別是電磁線圈彈射器及電磁軌道彈射器[2]。本裝置參考較為流行的電磁線圈炮及電磁軌道炮[3]的設(shè)計思路，并在其基礎(chǔ)上，提出一種改進型電磁彈射模型，能減輕軌道炮的攜帶壓力和安全問題，減小線圈炮的尾部回吸影響。

1 方案設(shè)計及原理實現(xiàn)

參考市面上較為流行的電磁線圈炮及電磁軌道炮[4]的設(shè)計思路，自主研發(fā)出了模擬航母電磁彈射裝置，運用和電磁炮類似的實驗原理采用新的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電磁彈射功能。電磁彈射功能的基本物理原理是通電導線在磁場中受力而運動。本裝置用線圈軸承作為彈射塊，并且在彈射塊的左，右，下方放置強磁鐵塊，通電線圈在磁場中會受到一個向前的力，而彈射塊有多級線圈包裹[5]，因此彈射塊會受到一個疊加力，將軸承彈射出去，而飛機通過尾勾和軸承相連，因此飛機也能借助軸承彈射出去。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 裝置實現(xiàn)

2.1 彈射主體部分

彈射部分的整體參考如圖2所示，借鑒了市面上流傳較多的電磁線圈炮和電磁軌道炮原理。其中，中心紅色部分是繞著線圈的鋼套直線軸承。軸承上面纏繞了若干圈線圈，并牽引出兩頭用來連接電源。直線軸承的三面分別了布置磁鋼，用于提供較強的磁場。磁鋼和中心的光桿的固定是通過3D 打印設(shè)備自行打印的固定裝置實現(xiàn)的，它能使軸承處于一個穩(wěn)定的磁場中。裝置開始工作時，電源部分向線圈通電，通電導線在磁場中受力運動，每一圈線圈都收到一個向前的力，若干線圈疊加導致力也疊加，使得線圈會在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生爆發(fā)性的速度，帶動繩子向前運動。

圖2 彈射裝置主體概念3D 渲染圖Fig.2 3D rendering of ejection device body concept

軌道炮對電源電壓要求極高，需要設(shè)計升壓電路和繼電器以及保護裝置，過于復雜，不易攜帶。本裝置輕便，體積小，對于電源要求低，對裝置損耗小，能量利用率高。線圈炮的發(fā)射彈丸，材質(zhì)要求較高，電磁線圈加速，在磁場加速末端會產(chǎn)生吸引力，減小速度，需要額外設(shè)計電控裝置。本裝置的加速部分全程在磁場中，沒有大的磁感應(yīng)強度的變化，故不會有回吸的影響。

2.2 彈射能源部分

我們采用市面上常見的航空電池給彈射線圈提供電流。另外，還設(shè)計了降壓電路將電池12V 的電壓降到5V。5V 電壓可以給我們設(shè)計的光電門傳感器電路供電，使得軸承接觸到光電門能自主斷電，安全保護，且減少電流損耗、儀器撞擊等不必要的負面影響。5V 電源也可以給單片機供電，通過單片機的ADC 采樣和霍爾元件來得到彈射中的磁場強度值。雖然本次設(shè)計用的是12V 電源，但是瞬時電流較大，具有一定的傷害性，使用時切記安全。電源部分詳細電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路設(shè)計圖Fig.3 Design diagram of power supply circuit

在本次設(shè)計中使用了STM32 主控的多路ADC[6]部分用于采集霍爾元件旁的電壓值并且將其轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強度值，通過串口輸出到上位機或者用OLED 顯示屏顯示，整體電路圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體電路圖Fig.4 Overall circuit diagram of the system

2.3 彈射飛行部分

飛機機翼利用了伯努利效應(yīng)，把機翼下弧線做的比較平直，上弧線向上彎曲，利用上下的壓強差，給機翼一個向上的升力。氣流對升力的影響是非常大的，因此我們使用迎風投擲模型，為的就是要“吃”到較大相對氣流速度，以提高升力。

此飛機優(yōu)點在于：（1）采用的是EPP 航模專用泡沫，耐摔耐撞；（2）機頭防撞風葉設(shè)計，尼龍材質(zhì)，韌性十足。螺旋槳動平衡表現(xiàn)優(yōu)良，柔韌度高不易折斷；（3）強馬力電機，動力強勁穩(wěn)定，飛機尾鉤設(shè)計簡單好用；（4）飛機機身凈重200 克，輕便，安裝簡單，飛機模型概念圖如圖5所示。

圖5 飛機模型概念模擬圖Fig.5 Conceptual view of aircraft model

僅通過飛機自身電機驅(qū)動，需要較長的起飛距離，通過彈射裝置，提供一個較大的動力，產(chǎn)生較大的初速度，將起飛距離縮短至數(shù)十厘米的平臺。

紅色物體是彈射部分與飛機的連接部分，簡稱推進器（如圖6所示），推進器兩底面各有一個凹槽與軸承固定，使其成為一個整體。推進器后端的凹槽與飛機尾勾部分（如圖7所示）相連接。彈射部分啟動時，線圈受力帶動著軸承向前移動，使得與推進器連接的飛機受到較大的動力，飛機獲得初速度，減小起飛距離。

圖6 推進器實物圖Fig.6 Physical view of propeller

圖7 尾勾實圖Fig.7 Tail sketch diagram

3 裝置功能及測量數(shù)據(jù)

磁場測量部分的原理圖如圖8所示，該部分電路采用5V 電源供電，OUT 為檢測到的磁場轉(zhuǎn)換為電壓的輸出信號。通過單片機的多路ADC 功能讀取電壓值，由于ADC 的輸入電壓范圍為0 ～3.3V，因此在ADC 只能讀取0 ～3.3V 的電壓值，因此在輸出端利用10k 和30k來組成一個分壓電路，將電壓限制在3V 左右，利用線性霍爾元件AH94E 的輸出電壓與磁場強度成正比的特性，通過單片機將AD 采集到的電壓轉(zhuǎn)化為磁場強度，最后輸出出來。

圖8 霍爾元件測磁場電路圖Fig.8 Circuit diagram of Hall element for measuring magnetic field

輸出的數(shù)據(jù)通過串口傳輸，再利用VOFA 軟件來進行處理。下面是一個簡單的數(shù)據(jù)處理例程。該軟件可以把數(shù)據(jù)整合成圖表，如圖9所示。

圖9 VOFA 軟件整合圖像Fig.9 Integrated image of VOFA software

以下是我們彈射裝置不同位置的磁場強度值，A，B，C，D 至于發(fā)射軸承的四方。當啟動電源，軸承彈射出去之時，可以測量其彈射過程中的磁場強度值，其詳細數(shù)值如表1所示。

表1 磁場強度變化表Tab.1 Change of magnetic field intensity

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的電磁軌道炮，導軌電阻大，容易發(fā)熱，會破壞導軌本身，對電源電壓的要求較高，裝置不安全且復雜，相比于電磁軌道炮，本裝置節(jié)省了導軌部分，更加輕便簡潔，不易發(fā)熱，電阻小，能量利用率高，發(fā)射動能大，效果更加明顯。

電磁線圈炮對于發(fā)射物體的體積要求過高，并且在彈丸離開磁場時，磁場與彈丸相互作用，使得彈丸速度降低，影響實驗效果。本裝置對于彈射物體較大的限制，節(jié)省成本，并且實驗效果明顯，容易實現(xiàn)。