[发明专利]适用于电磁弹射、电磁炮的螺管式电磁铁驱动装置

说明书

用中学物理学到的理论知识，指导设计一种电磁弹射系统的驱动装置及简单的同步控制系统，从电磁学、力学等方面提出了新的改进、更合理的技术方案，发明一种可适用于电磁弹射、电磁炮的螺管式电磁铁驱动装置。利用电流的磁效应，借鉴旋转电动机、直线电动机、电磁铁原理，改进并运用到电磁弹射领域，将电磁线圈通断电问题用行程开关机械方式或接近开关无接触方式解决，弱电开关控制强电，按衔铁运动位置同步简单控制逐级电磁线圈的通断电，产生与运动方向一致的持续推进力，按用途设计电磁线圈功率，并可调节输入电压控制功率，由于做功的作用力与运动方向一致，可减小电能需求，可广泛应用于航母或地基电磁炮、导弹发射、飞机和无人机的电磁弹射。

1、技术领域 国防军事，航天航空，电磁弹射，电磁炮，中学物理，动能，力学，电流磁效应，电磁感应，电动机，电磁铁

2、背景技术 电磁弹射技术是一种利用直线弹射电动机产生的电磁力加速大质量弹射载荷达到一定速度的发射技术，在军事及航天航空等应用领域存在潜在的应用前景，该项技术的研究备受各国重视。目前在军事上比较典型的是航空母舰上的舰载飞机起飞弹射、地基无人机的弹射以及导弹的电磁弹射等。不同于传统的导弹发射方式，导弹的电磁弹射通过电磁力的作用使导弹获得一定的初速度，当导弹飞离发射装置一定距离后，发动机点火工作，这种发射方式不仅提高了射程，还消除了发动机燃气射流对发射系统的影响，解决了发射系统的烧结问题，并具有良好的隐蔽性。

通常认为，电磁弹射的主要应用范围是大载荷的短程加速协助其达到一定助推初速度，弹射是发射技术的一种特例，其特点有：(1)与发射相比弹射的对象一般都是大载荷物体。作为电磁炮的电磁发射器中发射的弹丸一般都是几克到十几千克；而弹射器的弹射对象则是小到几千克的航空模型大到几十吨的战机。(2)与发射器相比弹射器的速度不是很高。一般情况下，发射器的弹丸可以达到每秒几千米到几十千米，理论上可以达到上百千米；而弹射器则不要求很高的速度，每秒几十米到几百米就可以满足要求。(3)弹射器的发射频率远低于发射器。在电磁发射器中，防空电磁炮要求每分钟发射500发，反导电磁炮要求每秒发射60发；而电磁弹射器则可以几分钟，甚至于几十分钟做一次弹射。(4)从结构上说，电磁炮的发射体一般都在发射管内部，而电磁弹射器由于载荷相对较大，一般都是“骑”在驱动器之上的。(5)电磁弹射器的弹射力度可通过电能的输入大小来控制。电能消耗的数值对地基方便提供的电能来说虽不算太大，但由于作用时间短，瞬时功率需求大，对于常规动力航母来说，动力需求及发电系统压力不容小觑，即使是核动力航母也要另加储能发电系统。

电磁弹射系统主要包括储能系统、驱动装置、控制系统和电力电子系统等。

关于电磁弹射的储能系统，尽管美国是最先运用电磁弹射，而中国后来者居上，采用了与美国完全不同的技术方案，美国采用的是中压交流，而中国是中压直流，美国储能方式太过于复杂，美国采用的是飞轮储能技术，用的是机械势能储能这种储能方式，电能驱动飞轮加速旋转储存能量，将电能转化为动能临时储存在飞轮中，由于飞轮悬浮在真空的容器中，没有风阻，所以它的转速几乎不下降，当需要弹射的时候再放能，快速旋转的飞轮带动发电机发电，这便完成由动能转化电能的过程，在该过程中飞轮的转速有所下降，飞轮这部分的流程完成了电能高效储存和快速释放。但飞轮驱动的是交流发电机发电输出的是交流电，必须经过转换器输出适合电路的直流电流、电压，且整套机械能储能的交流发电机系统非常复杂，有较大的能量损失问题。

而中国则采用的是电容储能方式，它是利用电极/电解液界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的电化学反应所产生的法拉第“准电容”来实现能量储存的储能装置，可形象地比喻为一种蓄电池，一般蓄电池都有3C放电能力，但其能量密度和比功率都高于一般储能装置，充放电倍数远高于3C，工作温度范围宽、使用寿命长且无污染。这样电容放电放出来的是直流电，一步到位，没有中间商赚差价，简单高效。

事实上，中国在电磁弹射之父马伟明带领的团队辛勤耕耘下，电容储能中压直流方案整整领先美国一代，整个技术方案领先美国十年，马伟明曾说过，要领先就领先美国。这为我国常规动力航母能应用电磁炮、电磁弹射奠定了坚实的基础。