《浅谈基于超声波技术的导弹发射方式》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈基于超声波技术的导弹发射方式（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、浅谈基于超声波技术的导弹发射方式北京理工大学18 3 5 9 所军事代表室2 赵阳1高凯2 王景奇2 全国庆1摘要随着科学技术的发展和进步，超声波已在各个领域有了广泛的应用。本文就一种全新的导弹发射方式，即基于超声波技术的导弹发射方式，浅谈一下自己的观点和思路。主题词超声波导弹发射方式1 引言1 1 发射方式简介发射方式一般指战斗部署、发射动力、发射姿态等综合形成的发射方案。自导弹问世以来，导弹的发射方式即被作为导弹武器系统的重要研究内容而受到武器研制者的重视。发射方式有不同的分类，归纳起来可以分为战斗部署、发射动力、发射姿态三种。按上述分类法分类的发射方式见图l 。其中，按照不同的发射动力可
2、分为自动力发射和外动力发射。由于自动力发射时有大量高温、高压燃气排放，发射环境恶劣，因此封闭状态下的导弹采用自动力发射需要解决排焰等问题，使发射装置结构变得复杂。所以现今外动力发射逐渐成为发射技术的热点。所谓外动力发射是指导弹借助导弹以外的动力源进行发r 匿定发j I I射，亦称弹力发射，简称“弹射”。外动力发射的动力源主要有：厂战斗都剥 压缩空气式、燃气式、燃气一蒸汽式、液压式、电磁式等。其中电lL 帆动发射 磁式发射是与上述其他的几种外动力发射完全不同的发射方l式。If 自动力发舜 电磁发射作用原理类似于直流电动机。发射导轨( 或发射发射方式 发射动j I ， 筒) 和导弹相当于电动机的初
3、级和次级，当通人大脉冲电流后，IL 外动力发舟初级上产生强行波磁场，次级在磁场作用下产生大的电磁力，使1次级相对初级运动，推动导弹飞离发射装置。电磁式发射有若lf 恤斜发射干优点：无污染，无摩擦和振动，性能稳定等等。但是它的缺点发射安态1 差直发射同样明显，效率不高，电磁干扰强。L 水平发射 点，害嬲妄暮凌荔霖累塞量喜鼻薷囊喜妻鬟娑图- 黼谳点，而且可以克服它的各项缺点，那么这种新的发射方式将是一个极具前景的发展方向。本文针对外动力发射从理论上提出了一种超声波发射的概念，它可以解决电磁发射存在的问题，而且还可以保留电磁发射的所有优点，是替代电磁发射的另一种发射方式。1 2 超声波介绍物体在一定
4、位置往复的运动称之为机械振动。振动现象在自然界广泛存在，例如摆的运动、气缸中活塞的运动、一切发声体的运动、机器开动时各部分的微小颤动等，都是机械振动。除机械振动外，自然界中还存在很多类似于振动的现象。广义地说，任何一个物理量，如物体的位置矢量、电流强度或磁场强度等，在某个定值附近反复变化都可称为振动。振动和波的关系十分密切，振动是产生波动的根源，波动是振动的传播。波动可分为两大类：一类是机械振动在媒质中的传播，称为机械波；另一类是变化磁场和变化电场在空间的传播，称为电磁波。声波、次声波和超声波都是机械波，机械波可以在连续介质中传播，也称为弹性波。人耳可以听到的声波的频率范围约为1 6 H z
5、2 0 K H z 。低于1 6 H z 的声波为次声波，高于2 0 K H z 的声波为超声波。因此，超声波是指频率在人耳听阈以上的在连续介质中传播的弹性波。机械波在弹性介质中传播时可以传递能量，超声波除了具有一般机械波的特点外，还有很多特殊的性质。利用这些特殊的性质，可以制成很多有用的工具和仪器，以满足人类社会生活的不同需求。1 2 7 作为导弹发射的外动力之一，超声波具有许多其他动力源所没有的特性：首先，超声波的能量密度大。物体获得能量的多少是跟分子获得速度多少有很大关系的。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，物质分
6、子也就愈能得到更高的能量：超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的能量。其次，超声波具有较好的指向性一一频率越高，指向性越强。再次，由于超声波可以在各种连续介质中传播，所以用其他手段不能实现的，有可能用超声波技术办到。最后，超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。2 基于超声波技术的发射原理2 1 超声波悬浮原理要了解超声波发射，必须先要了解超声波悬浮原理。超声波悬浮是靠超声波形成的声场悬浮重物的。在声波形成的驻波场中，如果驻波场中的辐射压力与悬浮体重力相平衡，则可使物体稳定地悬浮于空间某一位置，或通过
7、调节声场分布，使悬浮物在空间移动。由于声悬浮具有易控制、悬浮物与容器无任何接触的优点，可广泛应用于各种悬浮支撑。声悬浮技术可以悬浮任何材料，包括磁性、非磁性导体和绝缘体，定位方便、稳定、不容易失控。总之，超声波的这些特殊的优势，使它可7以应用于各种特殊的场合。图2 为单轴声悬浮的原理图。活塞声源装在长圆筒的下部，在活塞上方形成驻波声场。当声场中的辐射压力与物体的重力平衡时，物体即悬浮在空间。在无声场作用下，空间各点存在一个静态压强P 0 ，当介质受扰动产生声场时，其空间各点的压强变为P ，因扰动而产生的逾量压强一一o o 图2 声悬浮原理图超声超声酸发射装置产生量小声压图3 超声波发射装置示意
8、图P = lP P o I即称为声压。图中最小声压平面是指在重力场和声场作用下，声压最小的平面，而在这个平面中的任一点称为声压最小点。在最小声压平面中，悬浮物所受的重力与声场产生的支持力相等，所以能使其达到悬浮的目的。在这种单轴声悬浮装置中，如果是理想的驻波声场，则被悬浮物在声压最小平面内的任一位置都能悬浮。由于声波的干涉作用，在声场空间内将存在多个最小声压平面。当悬浮物在某两个最小声压平面之间时，由于所受合力不为零，悬浮物必然向其中一个最小声压平面移动，直至稳定在这个平面内。如果合理改变振源的频率，则可以实现悬浮体在空间的加速移动。在实际应用中，为了更加灵活地控制物体在悬浮场中的位置及移动，
9、发展了一种三轴声悬浮装置。在一个密闭体腔中，在三个方向布置三个声源，其激励可以独立调节，因而能灵活地控制物体在空间某一点的运动。2 2 超声波发射原理1 2 8 超声波发射装置一般包括发射器本体、被发射体( 导弹) 和高功率变频电源三部分。发射器本体，即电声换能器，是高功率变频电源的负载，为被发射体提供动能的部件。高功率变频电源负责提供大功率宽频电流给换能器。被发射体由被发射有效载荷和它的承载机构组成，它在发射体内被加速到一定的速度。这三个部分是一个不可分割的完整系统。如图3 所示。下面以倾斜发射方式的导弹发射为例来具体说明发射原理。1 ) 在发射的准备阶段，大功率高频电源开始供电，频率保持恒
10、定。超声波发射器产生稳定声场，而且在导弹轴向声场中存在几个超声波声场最小声压平面，这几个最小声压平面与导弹径向轴线相交的点称为悬浮点。根据力学知识可知，只有导弹的质心与声场中悬浮点重合时，导弹才能达到稳定悬浮状态。而发射前导弹质心与悬浮点不一定重合，所以导弹在声场和重力场的作用下，在Y 方向( 如上图所示) 发生位移，直至导弹质心和某一悬浮点重合。此时导弹在Y 方向停止移动，达到稳定悬浮状态。导弹发射预备阶段完成，等待发射。2 ) 当发射指令发出时，大功率高频电源在预定设置好的程序控制下改变频率，使得声场中悬浮点在Y 方向上位置发生改变。理论上声场中悬浮点的位置跟超声波发射装置的参数有很大的关
11、系。发生装置的输入电压大小、频率的改变可以使得悬浮点的位置上下浮动。而在这些参数中，电压频率大小与悬浮点的位移大小成近似的线性关系。本着易于控制的原则，在实际操作中，应以电源频率为输入自变量，控制整个发射过程的稳定输出。通过不断地改变频率，使得悬浮点不断改变。而本来稳定的导弹，在质心离开悬浮点后，不再能够的保持稳定，在合力的作用下，向新的悬浮点移动。在到达新的悬浮点后，频率再次改变，悬浮点移动，导弹继续再次在合力的影响下向新的悬浮点前进。周而复始，导弹在悬浮点不断变更的情况下，向着预定的前进方向做着变加速运动。图4 详细说明了导弹在悬浮点变化时的受力状况。实线代表发射开始后t 时刻导弹质心在导
12、弹轴线方向受力情况i 假设当导弹质心在A 点时，各向合力为O ，导弹保持悬浮。在时刻，电源的频率改变，悬浮点也随之改变为B ，质心在A 电导弹此时受的合力不在为0 。在合力的作用下，导弹向新的悬浮点B 点移动。在A B 区间内，导弹的加速度变化曲线如图4 所示，是一个加速度逐渐变小的加速过程。L F 寻舜砭捆心万阿朋史旨刀忡厶t 时捌l l l l 城 弋。0 Q f 一丫、，= 、_ 。X 、心专us一时刘曲特导弹质心雁膏超声美生源表面的1移图4 悬浮点变化时导弹的受力状况图5 超声波发射过程中导弹受力状况理论上，对导弹发射过程要求恒加速度。恒加速度的发射过程可以避免突变力对导弹总体结构的伤
13、害。而在我们现今实际应用的发射方式中，由于发射药装填不均匀等不可控因素的影响，很难保证发射过程中导弹的加速度恒定。与此相比，超声波发射装置采用变频控制，电源频率按照模糊控制规律的变化，使得导弹连续受力加速，直至飞出导轨。在此情况下，只要电源频率切换较快，导弹的受力将是均匀的，加速度基本保持恒定。如图5 ，2 3 超声波悬浮在发射中的辅助作用原理在倾斜发射姿态时，滑轨( 或发射筒) 摩擦对导弹初始速度有一定影响：，由于初始弹道倾角较小，重力在滑轨垂直方向的分力较大，摩擦力也就很大。众所周知，导弹发射初速对导弹的各项参数影响很大。当弹体质量较大时，需克服很大的摩擦力才能获得较高的初速，这必然损耗一
14、定量的燃料。如果能够采用弹体悬浮，消除摩擦力，就可以节约这部分燃料或者将其转化成有效载荷。运用超声波、】2 9 悬浮技术可以实现这个目的。将导弹的支撑导轨换成压电换能器，在大功率电源的激励下，在导轨上方将产生声场。声场产生的声辐射压力与重力相抵消，从而使导弹达到悬浮状态。3 超声波发射与自动力发射配合使用的可行性为了进一步提高超声波发射的发射速度，在实际发射中可采用超声波发射和自动力发射相结合的方法以达到最佳的发射效果。由于某些客观因素的影响，在导弹发射的实际应用中，常常采用的是自动力发射和外动力发射相结合的技术。这项技术的采用不仅可以解决某些发射环境带来的问题，而且可以提高导弹的初速度。考虑
15、到自动力发射时产生高温尾焰对外动力发射装置具有破坏作用，现在实际应用的混合发射技术只有寥寥几种。超声波发射装置因其优良的特性，完全可以称为混合发射技术中可应用的外动力装置之一。首先，超声波发生源采用压电陶瓷，这种材料可抗高温，能将火焰的破坏降到最低。其次，超声波发射对工作介质无特别要求。当空气在自动力发射尾焰的作用下被加热时，声场的各向属陛变化不大。4 超声波发射的优点虽然超声波发射步骤比较繁琐，但它具有其他发射方式不可比拟的优点：( 1 ) 具有高初速。各种热发射方式受气体膨胀速度的限制，导弹最高初速停留l k m s 左右，很难再有大的提高。而超声波发射只要电源功率足够高，导弹初速除受光速
16、限制外可无限地提高。高初速一直是武器研制者梦寐以求的，因为高初速能增大导弹射程和穿甲深度，缩短射击提前量，从而提高命中率。( 2 ) 导弹质量范围大。超声波发射的导弹可大可小，从几十千克到几吨、乃至几十吨。( 3 ) 能源简易。热发射，特别是液体发射药及火箭的推进剂，都是优良昂贵的燃料，运输、使用不安全，而超声波发射所需的大功率高频电源可使用一般的低烃类燃料作为初级燃料，使用安全且成本低。( 4 ) 受控性好。热发射是采用改变装药量来控制射程，而超声波发射只需简单地控制电流，便可控制初速。若精确控制初速，可发射“灵巧弹药”。，( 5 ) 工作性能优良。超声波发射不存在热发射那种因点火和发射药燃烧不均匀而造成的延迟点火、突然撞击和加速度突变等问题，导弹几乎是可以恒加速运动。( 6 ) 在超声波悬浮技术条件支持下，超声波发射时导弹可不与导轨或发射筒接触，无直接机械作用，所以无摩擦和振动，同时超声发射无烟、无光、无声、无污染。性能稳定，效率高，可控制及重复性好等。( 7 ) 效率比电磁发射要高。分析可
