Аннотация 0
Введение 2
1. Постановка задачи 5
2. Описание этапов работы электромагнитной катапульты 9
2.1. Исходные данные для расчета работы катапульты 10
2.2. Первый статический этап работы электромагнитной катапульты.. 12
2.3. Второй динамический этап работы катапульты 15
2.4. Третий (динамический) этап работы катапульты 16
2.5. Четвертый финишный этап работы катапульты 18
2.5.1. Подэтап отделения дрона от якоря 19
2.5.2. Подэтап полного торможения якоря 21
2.5.3. Завершающий подэтап работы электромагнитной катапульты... 22
3. Результаты параметрического анализа работы катапульты 23
3.1. Расчет первого статического этапа работы 23
3.2. Результаты расчета динамического этапа ускорения дрона 24
3.3. Результаты расчета третьего динамического этапа 26
3.4. Результаты расчета четвертого этапа работы ускорителя 28
3.4.1. Результаты расчета этапа 4А 30
3.4.2. Результаты расчета этапа 4Б 31
Заключение 33
Литература 34
Направление развития морской авиации является важной составляющей плана по обновлению российского флота. Данная тема актуальна также в связи с необходимостью защиты интересов Российской Федерации в районах Арктики и Черного моря [1]. Далее в работе будет рассмотрен конкретный вопрос отечественной авиации - создание оптимальной конструкции для запуска тяжелых летательных аппаратов (дронов) с борта авианесущих судов. Встает вопрос о стоимости, надежности, работоспособности ускорительных установок, осуществляющих палубный запуск дронов.
Есть два способа запуска палубной авиации: трамплин или стартовая катапульта, разгоняющая летательный аппарат. Стартовая катапульта — устройство для запуска летательных аппаратов с небольшой площадки, корабля или судна [2]. При наличии катапульты истребитель с включенными двигателями за несколько секунд разгоняется до взлетной скорости с помощью специального поршня, который фактически и выталкивает самолет с палубы (в роли рабочего газа, ускоряющего поршень, исторически использовался пар) [3]. Ранее использовались паровые катапульты ввиду относительно небольшой массы летательных аппаратов, что сейчас уже вызывает затруднение. Для паровых катапульт имеется ряд проблем: выработку необходимого количества пара может обеспечить только ядерный реактор, устройства этого типа забирают большую часть мощности энергетической установки корабля, имеют низкий КПД, в холодную погоду на палубе может образоваться наледь, в устройстве отсутствует обратная связь, что приводит к невозможности гибкого регулирования мощности катапульты и вследствие этого к возможности аварийных ситуаций. Кроме того, на морском воздухе паровая катапульта требует тщательного антикоррозийного ухода [4], а большие масса и объем не позволяют считать паровые катапульты оптимальным вариантом для кораблей, пусть даже и таких больших.
Решением многих недостатков паровых катапульт могут стать электромагнитные установки, но они также имеют ряд недостатков. Электромагнитная катапульта EMALS - это линейный индукционный двигатель с поочередно отключаемыми и подключаемыми ускоряющими сегментами. В этом устройстве тележка, к которой самолет цепляется передней стойкой шасси, движется между двумя направляющими с электромагнитами. Электромагнитные секции после прохождения мимо них тележки отключаются, а те, к которым она приближается, включаются. Данная схема работы позволяет экономить энергию, так как нет необходимости держать включенной всю катапульту [5]. Электромагнитная катапульта с гибкой цифровой системой управления позволяет запускать все типы машин от легких до тяжелых. По сравнению с паровой катапультой, EMALS (The Electromagnetic Aircraft Launch System, такое название получили электромагнитные пушки) имеет меньший вес, объем, более высокий КПД, требует меньше времени и людей для обслуживания и управления и быстрее перезаряжается. EMALS почти во всех отношениях лучше паровых, но довести их до рабочего состояния достаточно сложно [6]. Также надежность паровой катапульты, по оценке специалистов заметно выше электромагнитной. Стоит отметить, что стартовая катапульта — устройство повышенной опасности. Так на американском авианосце постройки времён Второй мировой войны «Беннингтон», разрушился механизм гидравлической катапульты, что повлекло возгорание вытекшей гидравлической жидкости, последующие взрывы и гибель многих людей [2]. США являются пока единственной страной в мире, принявшей на вооружение авианосец с электромагнитной катапультой
и электромеханическим аэрофинишером. Разработкой собственных кораблей с такими устройствами сейчас занимаются Россия и Китай.
Целью настоящей работы является оценка эффективности электромагнитной катапульты оригинальной конструкции, предназначенной для запуска тяжелых дронов. Исследования проводятся методом математического моделирования с привлечением аппарата теоретической механики, электротехники и электродинамики.
В результате проведенных исследований финишного этапа работы модельной электромагнитной катапульты получены следующие результаты.
1. Проведен обзор различных видов ускорителей, используемых в палубной авиации для запуска тяжелых летательных аппаратов.
2. Разработана математическая модель и методика расчета работы электромагнитной катапульты с многорельсовым ускорителем металлического якоря. Методика расчета реализована в пакете MathCad.
3. Проведен параметрический анализ основных этапов работы электромагнитной катапульты, включая этап торможения якоря после завершения ускорения дрона.
4. Анализ результатов расчётов указывает на работоспособность модельной катапульты рассматриваемого типа: дрон массой 7 тонн с помощью рельсового ускорителя из трех пар рельс ускоряется до взлетной скорости 150 км/час на длине 16 метров. КПД электромеханического преобразования энергии МГД-генератора 21%.
