蔡婷婷 孙文智 周苑 王佳良 张琛 指导老师：王宏栋
沈阳理工大学
摘要：随着现代科技的不断发展，无人机电磁弹射起飞技术作为一种新型的发射技术,相比目前各种的无人机发射起飞方式,发射效率更高。无人机电磁弹射技术就是电磁弹射在无人机发射阶段中的应用，它利用电磁能驱动物体,可以对大型物体进行高速弹射。蜂群无人机由于单个目标较小，具有低耗高效的优势，十分适合袭击偷袭作战，实现难度和成本都很低，很有可能取代有人战机，执行大部分作战任务，成为未来战争的全新作战模式之一。此项目将电磁弹射与无人机紧密结合，可同时发射多辆无人机，快速形成无人机蜂群，具有更强大的威力，具有重要的研究价值和应用前景，可广泛应用于军事和现代国防。
关键词：蜂群无人机；电磁弹射；超级电容器
1.作品介绍
蜂群无人机电磁发射系统的研究内容主要分为瞬时大功率电源设计、电磁发射机构设计、发射机架设计三大部分，如图1所示。其中瞬时大功率电源主要是利用了超级电容器的储能原理，电磁发射机构主要是利用了异步感应，发射机架采用多管道发射，通过这些研究内容实现无人机的快速短距离发射起飞。
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图1
超级电容器：介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，比电池也有着更高的功率密度和超长的循环寿命。电磁弹射瞬间需要强大的电流，利用超级电容器的特点设计一款大功率电源，正是电磁弹射系统的需要。
电磁发射机构：此系统发射机构利用异步感应原理，将电枢置于交变的磁场中，在磁场的作用下，电枢中会产生感应电流，线圈与电枢之间会产生电磁力，进而使电枢加速。
发射机架：此机架的弹射装置外围设计成环氧板封装，一是便于固定电缆等附件，二是保证结构整体性及外观一致性。发射器骨架是单段线圈炮的主体结构，需要具有一定的绝缘及结构强度。所以骨架材料选择高强度耐高压环氧树脂，而其采用多管道发射与旋转平台，是为了在短时间内，能全方位发射更多无人机，达到快速形成无人机集群的效果。
2.创新之处
2.1 设计瞬时大功率电源
本项目基于超级电容器储能原理设计瞬时大功率电源。超级电容器与常规电池的储能机理是完全不同的。超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面来储存能量的新型元器件，而且超级电容器储能的电压更高，释放的电流也比常规电池大数十倍乃至数百倍。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量和能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用寿命;而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。
2.2 利用电磁弹射原理快速短距离发射无人机
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图 2
图2为单个电磁发射轨道模型，每一个电磁发射轨道的整个弹射器分为5小段，每段发射器分成6组线圈，每组线圈采用4饼紫铜线圈同向串联方式缠绕，发射器的多个驱动线圈以反向串联的方式连接，每段发射器独立供电。该线圈缠绕模式能够使电枢受到的磁场力趋于稳定，缓解无人机加速过程受到的冲击力。饼与饼之间插入环氧绝缘板来增强绝缘。这充分说明了在单个线圈整体尺寸、匝数不变的前提下，采用4饼绕组模式能够使电枢的受力曲线变得相对平滑一些，能够有效降低电枢及无人机弹射过程中受到的冲击过载。
2.3 具备多管发射能力的整体结构
该无人机电磁发射系统主要是由22个电磁加速轨道和一个旋转平台所组成。如图3所示：其中，每个电磁加速轨道是由多个同轴排列的驱动线圈构成，线圈在不同时序的脉冲电源激励下，让电枢在磁场的作用下产生轴向的电磁力，以此推动电枢沿轴向加速运动。电枢与无人机之间通过尼龙材料的连接机构连接，电枢与无人机同步加速。
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图3
集群发射无人机，不仅能增大无人机的打击力度，也能够使各个无人机之间协同配合达到最佳的战斗性能，使得整个无人机蜂群能够快速的击中多个目标，极大的提高了战斗的威力和效率。集群发射阶段虽然只是无人机作战的第一阶段，但快速、有效地将无人机集群在短时间内发射升空，直接关系到无人机系统在战场上的作战性能和生存能力，有着举足轻重的作用。
3.总结
1.供电装置使用超级电容器储能原理设计瞬时大功率电源，容量、比能量、能力密度更高，工作温度和寿命更长。
2.采用电磁发射原理，相较于气液压弹射和火箭发射两种主流发射方式，具有能量转换效率高，可控性高，低噪声，便携性高等优点。
3.蜂群发射结构，增大无人机的打击力度，各个无人机之间协同配合达到最佳的战斗性能，更适用于单兵作战和民用领域。
参考文献
[1]李振超,马偃亳,路梅,姬翔,巨兰,齐玮.一种无人机电磁弹射系统的设计与研究[J].电工电能新技术,2018,37(08):68-74.
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[3]王智仁,吴峻,杨峰.一种无人机电磁弹射电机法向受力分析与仿真[J].微特电机,2018,46(08):12-15.
项目编号：202010144009大学生创新创业训练计划资助