An electromagnetic catapult for launching heavy drones from small vessels.pdf В течение последнего десятилетия в ряде промышленно развитых стран разрабатываются и испытываются электромагнитные ускорители (катапульты) для запуска самолетов палубной авиации с авианосцев и тяжелых авианесущих крейсеров. На судах только этих классов возможно размещение устройств разгона самолетов со взлетной массой 30-40 т. Так, разгонный участок электромагнитной катапульты (EMALS) авианосца «Gerald R. Ford» [1] имеет длину 91 м. Сокращение разгонной части катапульты ограничено величиной допустимого пикового ускорения для пилотируемого самолета, примерно равного 7 g. Даже при оптимальном режиме разгона с постоянным ускорением 7 g до взлетной скорости 250 км/ч длина разгонного участка составляет s 35 м. Реальная длина разгонной части катапульты в разы больше из-за конструктивных особенностей индукционного ускорителя, состоящего из нескольких разнесенных по трассе последовательно включаемых разгонных блоков. При запуске тяжелых беспилотных летательных аппаратов (дронов) величина предельно допустимого ускорения обусловлена его динамической прочностью и составляет не менее 15 g, а взлетная скорость дрона заметно ниже, чем у самолета за счет его конструктивных особенностей. Это позволяет производить запуск тяжелого дрона с помощью моноблочного ускорителя, что в разы сокращает длину разгонного участка катапульты. При оптимальном 1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы повышения конкурентоспособности ТГУ, проекты 8.2.05.2020 и 8.2.10.2020 А.П. Баганов, В.Г. Бутов, Г.В. Носов, М.Г. Носова, С.В. Синяев, В.А. Солоненко 26 режиме разгона с ускорением 15 g длина ускорителя при взлетной скорости дрона 150 км/ч составит s 6 м. Указанные особенности электромагнитных катапульт для запуска тяжелых дронов позволят располагать их на относительно малоразмерных судах автономного плавания. С учетом развития Арктической зоны России и необходимостью защиты ее природных ресурсов актуальной задачей является разработка и создание судов ледового класса с возможностями оперативного запуска летательных аппаратов различного назначения с использованием автономных источников электрической энергии высокой степени готовности. В отличие от накопителя катапульты авианосца «Gerald R. Ford», заряжаемого от основной энергетической установки авианосца в течение 45 с при отключении других потребителей [2], предлагаемый генератор [3] представляет собой автономный импульсный источник энергии с постоянной оперативной готовностью к работе. Общая схема и особенности работы катапульты Моделируемая электромагнитная катапульта состоит из трех основных функциональных узлов: генератора электрической энергии, накопителя-преобразователя энергии и многорельсового ускорителя [4] с металлическим якорем, выполняющим функцию электродинамического поддона, разгоняющего дрон. Общая схема катапульты приведена на рис. 1. Генератором электрической энергии является мощный импульсный МГД-генератор на твёрдом плазмообразующем топливе [5]. В качестве преобразователя энергии рассматривается трансформатор с повышающей ток вторичной обмоткой, к которой подключен рельсовый ускоритель. Традиционные рельсовые ускорители, имеющие одну пару направляющих рельсов, обладают низкой погонной индуктивностью, что обычно компенсируется заметным увеличением пропускаемого тока. Погонная индуктивность ускорителей из нескольких индуктивно связанных пар рельсов [6] существенно выше, что позволяет значительно уменьшить ток при сохранении силы, ускоряющей якорь. Тыльные торцы рельсов ускорителя гальванически соединены по диагонали, как показано на рис. 1. Такое соединение обеспечивает последовательное прохождение тока по каждой паре рельсов и замыкающих их токосъемных скоб якоря. Якорь 1 состоит из n токосъемных скоб в виде «ласточкиного хвоста», каждая из которых замыкает советующую пару рельсов 2. Все скобы размещены в жёстком неэлектропроводном поддоне с зацепом для разгона дрона. Рельсы одной полярности электроизолированы друг от друга. Работа начинается с зажигания плазмообразующего топлива в камере генератора плазмы (ГП). В момент выхода МГД-генератора на режим холостого хода его электроды с помощью ключа К1 подключаются к первичной обмотке L1 трансформатора. Трансформатор с подключенным к нему ускорителем является активно-индуктивной нагрузкой для МГД-генератора. Накопление и преобразование электрической энергии в обмотках трансформатора происходят во время нарастания тока в его первичной обмотке, т.е. в процессе выхода МГД-генератора на максимальную мощность. Предполагается, что заряд плазмообразующего топлива сгорает на заключительной стадии разгона дрона. Перед завершением работы МГД-генератора катапульта переводится в режим «кроубар» [7] ключом К2, который замыкает первичную обмотку трансформатора на балластное сопротивление R1, которое утилизирует большую часть остаточной магнитной энергии Электромагнитная катапульта для запуска тяжелых дронов с малоразмерных судов 27 трансформатора и ускорителя. После начала механического торможения якоря выходные торцы каждой пары рельсов гальванически замыкаются на сопротивления (на рис. 1 не показаны) до полного обесточивания катапульты перед следую щим запуском. 2 3 Трансформатор Рис. 1. Общая схема электромагнитной катапульты: ИМГДГ - импульсный МГД-генера-тор; ГП - генератор плазмы; МРЭУ - многорельсовый электродинамический ускоритель; Кь К2 - быстродействующие замыкающие ключи; R1 - балластное сопротивление; Lb L2,M - индуктивности обмоток трансформатора и их взаимная индуктивность; I(t), i(t) -токи в обмотках трансформатора; 1 - металлический якорь; 2 - направляющие рельсы-электроды; 3 - изоляторы Fig. 1. General diagram of an electromagnetic catapult: ИМГДГ is the pulsed MHD generator; ГП is the plasma generator; МРЭУ is the multi-rail electrodynamic accelerator; Кь К2 are the high-speed closing keys; R1 is the ballast resistance; Lb L2, M are the inductances of the transformer windings and their mutual inductance; I(t), i(t) are the currents in the transformer windings; 1, a metal anchor; 2, guide rails-electrodes; and 3, insulators Таким образом, с момента выхода МГД-генератора на режим холостого хода процесс катапультирования дрона включает в себя три последовательных этапа. На первом этапе происходит накопление магнитной энергии трансформатором при неподвижном якоре. Сцепка «якорь - дрон» начинает ускоряться в момент t1, когда действующая на якорь электромагнитная сила достигает значения «форсирования» Fsp. На втором этапе дрон разгоняется при работающем МГД-генераторе до момента t2 перехода в режим «кроубар». Финишное ускорение дрона происходит на третьем этапе за счет накопленной трансформатором магнитной энергии до начала механического торможения якоря. Постановка задачи Электрические схемы замещения для катапульты на каждом из трех этапов ее работы приведены на рис. 2. Наклонная стрелка указывает на изменение соответствующей величины во времени. Вольт-амперная характеристика МГД-генератора моделируется квадратичной зависимостью U (I ) = U0 - rI + qI2, (1) где U0 - напряжение холостого хода генератора; r и q - параметры внутреннего сопротивления МГД-канала. А.П. Баганов, В.Г. Бутов, Г.В. Носов, М.Г. Носова, С.В. Синяев, В.А. Солоненко 28 a Ri Рис. 2. Электрические цепи на трех этапах работы катапульты: a - до момента tl «форсирования» дрона; b - ускорение дрона с работающим МГД-генератором до момента t2; c - режим «кроубар» до момента t3 Fig. 2. Electric circuits at the three stages of catapult operation: (a) before the drone "forcing" instant ti; (b) acceleration of the drone with an operating MHD generator up to a time instant of t2; and (c) "crowbar" mode till the instant of t3 Индуктивности обмоток трансформатора L1 и L2, а также их взаимная индуктивность M рассчитываются по следующим формулам: А - 2W0 (1 - А2) ІІ L2 - 2k2W0 M -- 2kW (1 - к2))’ “(1 - к2) (2) где Im - предельно допустимое значение тока в МГД-генераторе; im - максимальное значение тока во вторичной обмотке; W0 - магнитная энергия трансформатора при токах Im и im; кс - коэффициент связи его обмоток. Значение |im\\ определяется из условия предельно допустимого ускорения для дрона: Ы = л12mam /X , где x - погонная индуктивность ускорителя; m = ma+md - масса сцепки «якорь-дрон». Обмотки трансформатора предполагаются сверхпроводящими. Такое состояние обмоток из сверхчистой меди практически достигается при температуре жидкого водорода [8]. Индуктивность ускорителя L зависит от положения якоря х: L(x) - Lo +x(х + lo ) + у-8exp[-е(х + lo)], (3) где L0 - индуктивность токоподводящих шин; l0 - расстояние между тыльным торцом ускорителя и начальным положением якоря x(t = 0) = 0; у, 5, е - постоянные коэффициенты в выражении для индуктивности системы «якорь - обратные провода». Сопротивление ускорителя R описывается следующим дифференциальным уравнением: где t - время; n - число пар рельсов в ускорителе; По - удельное сопротивление материала рельсов при начальной температуре T0; S - площадь поперечного сечения направляющего рельса; а - ц0Р / pcS2; р - плотность; с - удельная теплоёмкость; в - температурный коэффициент материала рельсов; u - скорость якоря. Уравнение (4) получено при следующих предположениях: нагрев рельсов в ускорителе определяется протекающим по ним током i(t), влияние теплопроводности и теплоотдачи на распределение температуры T(t,x) в рельсах пренебрежи- Электромагнитная катапульта для запуска тяжелых дронов с малоразмерных судов 29 мо мало, удельное сопротивление материала рельсов является линейной функцией температуры [7]: ц(Т) = n0 (1 + p(T - Т0)). Уравнения движения сцепки «якорь - дрон» имеют вид du(t) mdt F (t) + Ftr - Ff dx(t) dt u(t), F(t) 1 dm!». 2(t) 2 dx (5) где F(t) - электромагнитная сила, ускоряющая якорь; Ftr - тяга двигателей дрона; Ff - сила трения якоря в ускорителе. При работающем МГД-генераторе электротехнические уравнения катапульты следующие: . dl di ..... 1 dt dt [ + L(t)] ]■ + [(% + Se e "s(x(t )+Zo)) u (t) + R(t) ] i + Md- = 0. (6) На первом этапе при неподвижном якоре процесс описывается с помощью (4) и (6) с учетом (1) - (3) при x = 0, u = 0, 1(0) = i(0) = 0. Второй этап работы катапульты при работающем МГД-генераторе моделируется уравнениями (4) - (6) при начальных значениях токов, определяемых в момент t1 окончания первого этапа работы катапульты. На третьем заключительном этапе работы катапульты в режиме «кроубар» электротехнические уравнения преобразуются к виду L ~Т + V + Md = 0, [[ + L(t)]d + [u(t) + R(t)]i + Md- = 0, (7) dt dt dt dt поскольку работа МГД-генератора предполагается завершенной, а эффект «обратных проводов» на ускорение сцепки пренебрежимо мал. Разгон дрона завершается в момент t3. Начальными условиями для третьего этапа разгона служат значения соответствующих величин в момент t2 срабатывания ключа К2 при завершении второго этапа работы катапульты. Результаты расчетов Моделирование процесса разгона дрона проведено для электромагнитной катапульты с параметрами: импульсный МГД-генератор мощностью 50 МВт [3] -U0 = 1435 В, r = 0.0216 Ом, q = 0.12710-6 Ом/А2; трансформатор - L1 = 0.078 Гн, L2 = 0.5910-3 Гн, M = 6.110-3 Гн, kc = 0.9, L0 = 0.710-6 Гн, R1 = 2.5 Ом; ускоритель - n = 5, х = 14.4410-6 Гн/м, S = 0.035 м2, зазор между рельсами одной пары l = 0.4 м, l0 = 0.1 м, у = 4.710-6 Гн, 5 = 3.210-6 Гн, е = 2.6 м-1, р = 8.9103 кгм-3, в = 210-3 град-1, C = 0.39 103 Дж-кг-1-град-1; сцепка якорь - дрон - m = 7103 кг, Fsp = 590 кН, Ftr = 15 кН, Ff = 1 кН; моменты завершения этапов работы катапульты - t1 = 0.21 с, t2 = 0.64 с, t3 = 0.65 с. Расчеты погонной индуктивности ускорителя х и индуктивности системы «обратные провода - якорь» проведены методом прямоугольных параллелепипедов с равномерным распределением токов по сечениям проводников [9]. Основное ускорение дрона происходит при работающем МГД-генераторе на втором этапе работы катапульты. Этот этап является наиболее продолжительным, его длительность - 0.43 с. На рис. 3 приведены результаты расчета скорости дрона u(t) и его положения в ускорителе x(t). На длине разгона ~10 м якорь разгоняет дрон до скорости 157 км/ч. А.П. Баганов, В.Г. Бутов, Г.В. Носов, М.Г. Носова, С.В. Синяев, В.А. Солоненко 30 10 8 s 6 4 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t, c Рис. 3. Параметры разгона дрона при работающем МГД-генераторе: а - скорость; b - положение Fig. 3. Drone acceleration parameters in the course of the operating MHD generator: (a) speed and (b) position 2 0 На рис. 4 приведена зависимость ускорения дрона от времени при работающем МГД-генераторе (2-й этап работы катапульты). Пиковая величина ускорения равна 11.5 g, что технически вполне допустимо. Половина времени этапа ~ 0.2 с реализуется близкий к равноускоренному режим разгона с ускорением s 11. 2 g. Такой режим ускорения на начальном участке ~ 0.15 м разгона дрона обусловлен эффектом «обратных» проводов ускорителя. В результате на якорь действует дополнительная электромагнитная сила, экспоненциально убывающая по мере его удаления от тыльного торца ускорителя (см. рис. 1). На рис. 5 приведены расчетные осциллограммы токов в обмотках трансформатора на первых двух этапах работы катапульты. Ток во вторичной обмотке и ускорителе достигает своего максимального значения на 0.06 с раньше тока в первичной обмотке, а убывает значительно быстрее: на 20 % по сравнению с 4 % в первичной обмотке к моменту t2 = 0.64 с. Это обусловлено увеличением индуктивно-активной нагрузки на вторичной обмотке трансформатора в процессе разгона дрона. Электромагнитная катапульта для запуска тяжелых дронов с малоразмерных судов 31 Рис. 4. Ускорение дрона на втором этапе разгона Fig. 4. Drone acceleration in the second stage t, c Рис. 5. Расчетные осциллограммы токов в катапульте: а - ток в МГД-генераторе и первичной обмотке трансформатора, b - ток во вторичной обмотке трансформатора и ускорителе Fig. 5. Calculated oscillograms of currents in the catapult: (a) current in the MHD generator and in the primary winding of the transformer, (b) current in the secondary winding of the transformer and in the accelerator А.П. Баганов, В.Г. Бутов, Г.В. Носов, М.Г. Носова, С.В. Синяев, В.А. Солоненко 32 Третий этап работы катапульты наиболее короткий - 10 мс. За это время приращение скорости дрона равно 1.1 км/ч на пути 0.4 м, при этом ускорение сцепки уменьшается с 7.5 g до 1.2 g. Основная функция этого этапа - обесточивание трансформатора и ускорителя путем утилизации их магнитной энергии на балластном сопротивлении Rb включаемом в разрыв первичной обмотки трансформатора в момент t2. В течение 10 мс ток в первичной обмотке трансформатора уменьшается в 2.5 раза до 13 кА, а во вторичной обмотке и ускорителе - в 2.7 раза до 99 кА. На рис. 6 показано изменение магнитной энергии в системе «трансформатор - ускоритель» на третьем этапе работы катапульты. t - t2, мс Рис. 6. Изменение величины магнитной энергии в системе «трансформатор - ускоритель» при включенном балластном сопротивлении Кх Fig. 6. Magnetic energy variation in a "transformer - accelerator" system with the ballast resistance Rx switched on За счет утилизации на сопротивлении Rj магнитная энергия системы сокращается в 6 раз до величины 2.4 МДж. Полное обесточивание катапульты происходит после подключения балластных сопротивлений к выходным сечениям каждой пары рельсов ускорителя. Оценкой эффективности процесса электромагнитного ускорения дрона может служить отношение его кинетической энергии к энергии МГД-генератора, затраченной на питание активно-индуктивной нагрузки «трансформатор - ускоритель»: t2 X = 0.5 mu2 (t2)/11 (t)U (x)dx , 0 где U - выходное напряжение МГД-генератора. В рассчитанном варианте X = 0.225, то есть 22.5 % затраченной генератором электрической энергии преобразовано в кинетическую энергию сцепки «якорь - дрон». С учетом того, что рассчитанный вариант катапульты не является решением оптимизационной задачи, можно рассматривать предложенную схему катапульты как приемлемо эффективную по электромеханическому преобразованию энергии ее первичного источника - МГД-генератора. Электромагнитная катапульта для запуска тяжелых дронов с малоразмерных судов 33 Выводы Методом математического моделирования исследованы особенности работы электромагнитной катапульты с двухступенчатым импульсным накопителем энергии и многорельсовым ускорителем с металлическим якорем. С помощью такого устройства тяжелый дрон с взлетной массой s 7 т разгоняется до скорости s 160 км/ч на длине s 10 м с максимальным ускорением s 12 g. Анализ результатов расчёта указывает на эффективную работоспособность моделируемого устройства катапульты и отдельных её элементов, включая автономный импульсный накопитель энергии. Величина разгонной части ускорителя и оценочные значения весо-габаритных параметров накопителя энергии [3] указывают на возможность размещения катапульты рассмотренного типа на малоразмерных (относительно авианосцев и авианесущих крейсеров) судах автономного плавания.

Скачать электронную версию публикации