无人机是一种由遥控设备或机上程序控制设备控制飞行的不载人飞机，也叫遥控飞行器。无人机作战应用中，发射是最困难的阶段之一。无人机在发射结束后，必须确保其能达到一定的高度和速度，否则无法保证飞行安全。在起飞过程中，单靠发动机的拉力很难满足这一要求，因此必须对无人机施加额外的辅助推力，以使无人机获得足够的运动能量，无人机弹射起飞过程如图1所示。

无人机电磁弹射起飞方式与常规无人机弹射起飞方式相比，具有隐蔽性好、维护方便、通用性强、机动灵活、可靠性高、适应性好等优点。公开的试验已经证明，电磁发射装置能够突破常规发射出口速度的制约,实现更高速度的发射。本文研究表明,应用同样的原理对大载荷实现高速驱动也是可行的，这就是感应式无人机电磁弹射的基础。

图1 无人机弹射起飞示意图

无人机电磁弹射系统大体上可分为电气系统和机械系统两部分，其中电气系统包括储能分系统、电力调节分系统、弹射电动机分系统、测控分系统以及信息接口分系统；机械系统包括滑行小车系统、缓冲吸能系统、弹射架系统、卸荷控制机构、释放机构、无人机锁闭机构等多个分系统组成。

其工作原理是由电磁能为无人机弹射提供动力，以滑行小车系统为运动载体在弹射架上进行加速至无人机安全起飞速度，当滑行小车与无人机的运动速度达到起飞速度时，卸荷控制机构切断动力源，滑行小车被缓冲吸能系统阻挡而急剧减速，而无人机则在惯性和发动机推力的作用下以起飞速度从滑行小车上分离起飞。

1感应式电磁弹射原理

1.1无人机电磁弹射原理（略）

感应式电磁弹射装置是受直线电动机原理的启发设计的，利用通电线圈产生的磁场给弹丸加速，可以由一个或多个线圈组成。感应线圈炮利用多个脉冲电源对各级线圈同步放电和弹丸内的磁通交变感应加速弹丸运动。炮管由多个同口径、同轴线圈串列而成，弹丸受力抛体为铜质空心圆筒。

当弹丸到达第1个驱动线圈的适当位置时,该驱动线圈放电,其磁场在弹丸内变化,弹丸感应产生电流,磁场与感应电流相互作用,推动弹丸前进；然后经第2、3、4个线圈……直至最后1个线圈,逐级把弹丸加速到很高的速度。

1.2无人机电磁弹射原理试验

1)原理试验

无人机电磁弹射系统利用单级感应电磁弹射装置做原理试验。选用电容器储存能量，电网直接升压充电，由于选用的负载仅为1kg重铜质筒状弹丸，因此在实验室中只需要较低的电压便可产生足够的推力驱动电枢加速运动。

2)试验结果

单级感应电磁弹射试验结果见表1，被弹射物体质量m=1 kg。试验过程中，通过调节弹丸初始位置，求取最大出口速度。从表1可以看出，改变充电电压和电容容量，在最佳初始位置处发射弹丸则电磁弹射装置则在一定加速距离内使负载按一定加速度a达到速度V。

表1　弹射试验结果摘录

2 无人机电磁弹射电气系统方案分析

2.1 无人机电磁弹射电气系统组成

无人机电磁弹射电气系统由储能分系统、电力调节分系统、弹射电动机分系统和控制分系统以及信息接口分系统等部分组成，无人机电磁弹射电气系统组成如图3所示。

用电磁力将无人机加速到起飞速度，它利用电力调节分系统给弹射电动机馈电，生成一个同弹射系统的滑车相互作用的行进磁场，滑车在电磁力的作用下，携挂无人机沿弹射冲程加速到要求的起飞速度。无人机脱挂后，滑车在反方向行进磁场的作用下，低速回复初始弹射阵位。

图3 电磁无人机弹射系统组成框图

2.2 电磁无人机电气系统功能

1)能源分系统

能源分系统为电气系统提供初级能源，鉴于大多数无人机的发射质量低于2000kg，发射速度一般低于80m/s，例如英国不死鸟无人机起飞速度为35m/s，最大起飞重量为180kg，发射动能为110kJ，实验室可以直接接入电网获取电能，当然也可以采用柴油发电机组提供电能，这尤其适用于车载发射的情况。

2)储能分系统

感应式弹射电动机工作过程中,短时间内需要极大的能量供给, 例如英国不死鸟无人机要实现电磁弹射起飞，其电磁弹射系统必须满足在9m长的导轨上在0.5s的时间内把180kg的无人机加速到35m/s。因此必须把一定时间内的能源系统提供的能量储存起来,而在工作时快速释放出来。

储能装置可以选用单极发电机、电容器、电感器或交流飞轮发电机等设备，实验室试验时多选用的电容器组储能，目前电容器的储能密度约为1MJ/m³, 成本约为1J/元，在大多数情况下还是可以接受的。

3)电力调节分系统

电力调节分系统的功能是把输入电源按要求变换成弹射电动机需要的形式,同时根据工作要求提供不同的能量。本系统实验中电力调节分系统要在3kv高压下短时（微秒级）产生强脉冲电流，作用于感应式弹射电动机分系统。

4)弹射电动机分系统

弹射电动机分系统是无人机电磁弹射系统的核心部分，它把输入的电能转换为无人机动能，从而推动无人机在一定距离内加速至弹射速度的功率执行部件。本系统中采用感应式直线电动机（线圈式电磁弹射电动机）作为驱动装置，其原理见上文。

原理试验时采用的是内动子式直线感应电动机，系统实际运行时需要选用外动子式直线感应电动机，两者运行机理相同，但做系统设计时要充分考虑其特殊性。

5)控制分系统

控制分系统是由各种传感器（测量速度、位移、电压、电流等参量）、光纤通讯网络（降低电磁干扰）、数据采集系统及控制器（包括计算机和单片机）等器部件组成。控制分系统可根据环境条件、弹射无人机类型及其它条件进行综合运算,输出工作信号,实现精确控制,完成无人机弹射的控制功能 ,使电磁无人机弹射系统成为一种高性能和高可靠性的无人机弹射系统。

6)信息接口分系统

信息接口分系统是发射时外界各种工作条件、参数的输入口,是弹射电动机分系统的速度、位移、电压、电流等参量输出口，是电气系统实现安全、有序运行必备的一个分系统。

3 无人机电磁弹射机械系统方案分析

3.1 无人机电磁弹射机械系统组成

无人机电磁弹射机械系统包括滑行小车分系统、缓冲吸能分系统、弹射架分系统、卸荷控制分系统、释放机构、无人机锁闭机构等多个分系统组成，其中无人机闭锁机构、释放机构与常规无人机气液压弹射系统基本相同，本文主要论述滑行小车分系统、缓冲吸能分系统、弹射架分系统、卸荷控制分系统等四个部分。

3.2 无人机电磁弹射机械系统功能

1) 滑行小车分系统

滑行小车分系统作为无人机的弹射载体，在弹射架上与无人机一起加速至无人机安全起飞的速度和高度。整个高速运动的过程，时间总共不超过l s，先由静止加速至无人机起飞速度，然后缓冲减速至静止。

因此在滑行小车自身的设计方面必须考虑加速及缓冲过程中复杂的受力状态，必须解决滑行小车自身重量和其强度、刚度之间的矛盾关系，同时使其设计符合缓冲吸能分系统的设计指标，尽可能达到小车的重量尽量轻，这是因为对缓冲吸能分系统来说，需缓冲减速的物体越重，缓冲时间和距离就越长，这样弹射架就必需更长，反之则可以缩短缓冲时间和距离，发射架也可以做的更短。

无人机电磁弹射系统里滑行小车的设计更为重要的方面是不仅要与无人机进行协调设计，需根据无人机的布局形式进行滑行小车与无人机全过程协调运动的技术研究，必须设计一套滑行小车与无人机配合安装、共同加速运动以及缓冲分离的技术方案；而且还要与弹射电动机系统的电枢进行一体化设计，因为滑动小车是由电枢直接驱动的。这就要求滑动小车必需综合考虑无人机和电枢的具体要求，尽量优化。

2) 缓冲吸能分系统

缓冲吸能分系统也即刹车系统，在无人机电磁弹射系统中的功能是：当无人机加速到安全起飞速度时，滑行小车的动能由缓冲吸能系统吸收，同时无人机则和滑行小车分离起飞。缓冲吸能分系统可以由水涡轮、拦阻钢丝绳、刹车鼓轮、导向滑轮、缓冲橡胶垫和弹簧缓冲器等组成，这样组成的缓冲吸能系统具有效率高、没有反弹、无需专门控制的特点。

其中水涡轮作为主要吸能装置，吸收滑行小车的大部分动能，缓冲时滑行小车在拦阻钢丝绳作用下，带动水涡轮的转子转动，滑行小车动能转换为水涡轮工作介质的内能。弹簧缓冲器作为辅助吸能装置，吸收滑行小车经水涡轮缓冲后未能完全被吸收的剩余动能。在弹簧缓冲器工作过程中，滑行小车的动能转化为弹簧的势能及橡胶套的势能。

3) 卸荷控制分系统

卸荷控制分系统的功能是确保滑行小车进入缓冲减速段时，无人机与滑行小车能快速分离并安全起飞，防止分离过程中无人机与滑行小车发生运动干涉。卸荷控制系统分工作时间精确度要求很高，必须精确到毫秒级。对于无人机电磁弹射系统而言，可以通过控制储能电容器放电电流来控制滑行小车受力从而达到卸荷的目的，完全能够达到毫秒级的精度。

由于滑行小车的前支撑机构避让动作较慢，为降低无人机发生运动干涉(如碰撞无人机后推式螺旋桨)的可能性，卸荷控制分系统可以同时采用自动机械卸荷机构与电气控制卸荷机构相配套的技术，起到双保险的作用。

4)弹射架分系统

对于无人机电磁弹射系统而言，弹射架分系统要与弹射电动机分系统进行一体化设计，必须综合考虑两者的需求。

5) 其它分系统

无人机电磁弹射系统中无人机闭锁机构、释放机构等分系统与气液压弹射系统相比基本相同。由于无人机电磁弹射系统暴露在强电磁脉冲下，需要额外考虑电磁干扰的问题，各部分信号采集、传输要尽量使用抗电磁干扰能力强的光纤网络，以保证系统的可靠性。

4 无人机电磁弹射系统方案分析

该无人机电磁弹射系统方案有一定的理论依据,而从原理试验可以看出,线圈式电磁弹射系统只要输入足够的电流完全可以把载荷以所需加速度驱动,因而该方案在原理上是可行的。

无人机电磁弹射系统与传统电磁发射技术相比由发射弹丸改为驱动与电枢一体的滑行小车带动无人机运动，电气部分大体相同，主要是机械与结构部分的不同；无人机电磁弹射系统与无人机气液压弹射系统相比执行机构的动力源由气液压换成电磁能，取消了滑轮增速系统，机械部分大体相同，主要是电气部分的不同。

无人机电磁弹射技术本质上是电磁发射技术在无人机弹射起飞上的具体应用，既具有电磁发射技术的通用性，又要具体分析无人机对弹射起飞的特殊要求。

5 结论

感应式电磁弹射系统通过理论计算与原理试验表明，该方案在原理上是可行的。在实践中，需要着力解决的问题是感应式电磁弹射系统电枢与驱动线圈间接触部分由于无人机与滑动小车的加入，摩擦力加大，受力也不均匀，难点是电枢与驱动小车的一体化设计。随着电磁发射技术及相关技术的不断成熟，无人机电磁弹射系统是可以实现的。

（编自《电气技术》，原文标题为“无人机电磁弹射系统研究”，作者为苏子舟、国伟 等。）