磁悬浮助推发射技术发展与应用

磁悬浮助推发射技术发展与应用

降低成本、重返成本、重返世界。几十年来，许多新型的发射计划一直在研究和开发，如航空航天计划、x-30计划、x-33号升力计划、英国耀环计划和西德耀环计划。但考虑到发射成本，没有达到令人满意的效果。目前,以美国、俄罗斯为代表的几个国家正在开展将磁悬浮轨道技术应用于航天发射方案及技术研究工作.主要目标是通过磁悬浮助推发射系统为单级入轨运载器提供一个较大的助推力,实现在短时间内(10s左右)将其加速到一个高的起飞速度(Ma为0.7左右),然后运载器发动机点火,与磁悬浮助推发射系统分离后爬升入轨.使用磁悬浮助推发射系统进行助推加速的特点是载重量大、大悬浮间隙、无摩擦低能耗,可以有效降低推进剂的消耗量,大大降低发射成本.本文着重对磁悬浮助推发射系统的概念、系统设计进行阐述,对磁悬浮助推发射运载器的飞行弹道进行计算分析,并比较了其它同种类型的航天助推发射方式.1磁悬浮助推发射的基本原理磁悬浮助推发射是将磁悬浮轨道技术应用于航天发射,为运载器提供一个较大的推力和高的起飞初速,以携带更多有效载荷入轨的一种新型航天发射技术.磁悬浮助推发射的基本过程为:首先将运载器定位于承载滑橇上,完成推进剂添加和发射前的最终检测;发射开始时,承载滑橇由直线电机驱动,同时磁悬浮助推轨道系统提供承载滑橇稳定加速的悬浮力和导向力;滑橇速度接近分离速度时,运载器发动机点火,与磁悬浮发射系统分离;分离后运载器继续爬升入轨;承载滑橇则制动减速直至停止,然后依靠直线电机驱动返回初始点,准备下一次发射.从本质上分析,磁悬浮助推发射系统相当于运载器的第一个助推级.图1描述了磁悬浮助推发射的基本原理.磁悬浮助推发射的优点主要体现在以下几个方面:1)能够平稳快速地提供一个较高的助推分离速度,这个速度有利于减小运载器入轨的总速度变化量ΔV;2)较高的起飞初速度有利于提高运载器起飞初始亚声速段的气动升力,可改善运载器的气动设计;3)起飞初速有利于改善运载器主发动机(火箭发动机或吸气式组合发动机)在低空低速时的工作性能,从而减少推进剂的消耗量;4)助推承载装置有利于简化运载器起落装置结构,从而减小运载器的结构总重;5)磁悬浮助推发射过程中地面摩擦损耗小,电能转化效率高,安全性好,无地面环境污染;6)磁悬浮助推发射方式可操作性好,可重复使用率高,有利于大大降低发射和维护成本.因此磁悬浮助推发射技术被列为美国第三代航天运载器计划的关键技术之一.2系统概念研究2.1组成和结构特点关于磁悬浮助推发射系统的组成,各国提出了不同的方案,但从系统功能方面划分,其基本组成主要包括动力供应系统、动力转换装置、驱动直线电机、悬浮导向系统、承载滑橇、磁悬浮轨道和控制系统等七个部分.系统构成如图2所示,各组成部分功能简述如下:1种方案的对比用于磁悬浮助推加速过程中存储和产生巨大电能.目前关于磁悬浮助推发射动力供应系统的研究,主要有三种候选方案,分别为汽轮机(gasturbines)发电动力系统、泵式存储(pumpedstorage)发电动力系统和PulsedMHD(Magnetohydrodynamics)脉冲磁流体发电动力系统.前两种方案在现有技术基础上已经可以发展成功,但是耗资巨大,相比之下第三种方案实用性较好,可以作为长远研究发展的目标.2力转换装置的设计巨大的能量要在短时间内传递给动力执行机构,需要一套强有力的动力转换装置.它通过控制电压、频率等手段控制动力供应系统提供给驱动电机的电流,达到控制驱动直线电机加速过程的目的.根据国外磁悬浮列车研制经验,采用脉宽调制(PWM)逆变器转换系统比较合适.3电机驱动电机磁悬浮助推加速过程中驱动直线电机主要具有三方面作用,加速过程中产生驱动推力,运载器分离后产生制动力和驱使承载滑橇返回初始地点.选择直线电机作为驱动动力,主要是因为其结构简单、操作方便、能耗小、利于产生较大的驱动力和制动力,目前多采用长定子直线同步电动机.4磁悬浮助推系统通过内嵌于承载滑橇的线圈与磁悬浮轨道线圈之间的电磁场作用,为承载滑橇助推加速过程中提供可靠的悬浮力和导向力,这是磁悬浮助推发射系统的一个重要系统.5承载滑合装置主要用于定位、支撑、加速和分离发射运载器,除分离发射所必需的支撑架和分离机构外,承载滑橇底部包含驱动电机系统和悬浮导向系统必需的线圈绕组或超导磁体.61磁浮轨迹主要用于定位排列驱动直线电机绕组和悬浮导向系统的轨道部分,磁悬浮轨道一般被镶嵌于钢筋混凝土结构的上端.7系统基本工作机理用于控制整个磁悬浮助推发射系统的正常运行,其主要控制对象是驱动直线电机.通过处理承载滑橇瞬时位置的反馈信号,传递给动力转换装置,然后通过控制进入直线电机的电流控制电机的加速和减速过程.磁悬浮助推发射系统最核心的技术是由驱动直线电机、悬浮导向系统和磁悬浮轨道组成的磁悬浮轨道系统.与磁悬浮轨道系统密切相关的磁悬浮列车技术自上世纪20年代开始,至今已有80多年的研究历史.目前,依据工作机理磁悬浮列车系统主要有常导吸浮型(EMS)和超导斥浮型(EDS)两种类型.其中常导吸浮型采用了异性磁极相吸的原理,其研究工作以德国为主要代表,时速可根据需要设计为100～500km/h,悬浮高度一般为10mm.而超导斥浮型系统使用低温超导线圈,应用同性磁极相斥的原理,其研究工作以日本为主要代表,时速一般在500km/h以上,悬浮高度达100mm以上.在设计用于航天发射的磁悬浮助推发射系统时,优先选择EDS轨道系统,主要原因在于这种系统可提供的悬浮间隙大,超导斥浮有实现自适应控制的能力,这样可以降低高速磁悬浮助推发射系统的研制难度.图3所示为一个典型航天发射用磁悬浮轨道系统的示意图,下面简述该系统的工作机理.在磁悬浮助推发射轨道系统中,用于励磁的主要是超导线圈,超导线圈安装在承载滑橇上,分别为中心的推进线圈和两侧的悬浮导向线圈,与超导线圈相互作用产生推进、悬浮、导向功能的各种线圈绕组都装配在地面轨道上,分别为图中的三相直线电机绕组和轨道短路线图.其基本推进、悬浮和导向原理为:1双向电机扩大滑合力采用直线同步电机作为推进动力.安装在滑橇中心的超导线圈起励磁线圈作用,当轨道中间的三相直线电机绕组供电,将在超导线圈中产生出感应电流,然后电机线圈和超导线圈之间的电磁场作用产生驱动滑橇运动的推进力.通过控制供给三相电机绕组电流的频率和幅值可以达到控制推力和运行速度的目的.2悬浮力的产生当直线电机推动滑橇产生速度时,滑橇上内嵌的超导悬浮线圈引起的磁通变化将在轨道短路线图中感应产生电流,感应电流与超导线圈间发生作用产生排斥力,这个力就是悬浮力,它用于悬浮被加速的装置.3地面轨道平面的磁通变化导向原理与悬浮原理相同.当滑橇偏离中心有任何横向位移时,磁通变化将引起超导线圈和导轨之间产生一个横向的回复力,这就是导向力,它将有助于滑橇回复到中心位置.地面轨道平面之所以要有一定角度,主要是为了便于产生回复力.2.2磁悬浮助推发射系统下面通过一个简单算例分析磁悬浮助推发射过程中所需推力、加速时间和能量消耗的情况(见表1).基本假设:运载器起飞总重450000kg,承载滑橇质量200000kg,运载器分离速度255m/s.通过以上计算,初步得出如下结论:1)每次磁悬浮助推发射的系统能量需求非常大,8～20s内需要约2.1×1010J电能和上千兆瓦级功率,建立能提供如此大功率的能量供给系统是一项巨大的工程.目前,俄罗斯已经具有“Sakhalin”(500MW级)脉冲磁流体发电机组,并设想使用13台并联的“Sakhalin”发电机组为磁悬浮助推发射提供所需的电能.国内目前还不具有可用于磁悬浮助推发射的脉冲能量供给系统,常规火力或水力发电机组输出功率约几十万千瓦,满足磁悬浮助推发射的能量需求还是相当困难,因此除了开发大能量高功率的能量存储和转换系统,还可以考虑在承载滑橇上增加其他辅助推进装置(涡轮发动机或火箭发动机)来减小助推发射对电能的依赖.2)理论上助推加速度越大越好,可以缩短磁悬浮轨道的长度,降低建设成本.然而由于能量系统的高功率要求和目前驱动直线电机加速水平(<1g)的限制,磁悬浮助推发射系统选择1g左右的助推加速度是较为合理的.3磁浮辅助载射器的轨迹计算3.1运输器质量式中,V为飞行速度;γ为爬升角;h为飞行高度;m为运载器质量;T为发动机推力;α为攻角;L为气动升力;D为气动阻力;g为重力加速度;g0为地球表面重力加速度;r为运载器与地心的距离;Isp为发动机比冲.3.2[2]初始抬高角运载器的飞行任务为进入200km高度的圆形轨道.动压约束:q≤100kPa过载约束:n≤4初始条件:[V0,γ0,h0,m0]=[255m/s,γ0,0,5.5×105?kg]终端条件:[Vf,γf,hf,mf]=[7788.5m/s,0,200km,mf]式中,下标“0”、“f”分别表示运载器起飞初始时刻和进入目标轨道的终端时刻;γ0为待优化的初始爬升角;mf为进入目标轨道的运载器质量,是弹道优化的目标.3.3气动升力系数及气动阻力系数气动外形参见文献,运载器气动升力系数CL及气动阻力系数CD采用以下公式近似拟合CL=CL0+CLααCD=CD0+AC2L式中,CL0和CD0分别为α=0时的气动升力系数和气动阻力系数;CLα为CL相对于α的一阶导数;A为CD相对于CL二阶导数.3.5计算值的优化方法采用参数组合优化方法,主要使用单纯形优化方法,α和T为优化的控制参数,运动方程中V、γ、h和m为待优化的状态变量.3.6优化值的确定图4～图7分别为优化计算得到的V、γ、hm、q、n、α和T的变化曲线,初步分析可得出以下结论1)初始γ0的优化值为5.2°;2)初始α的优化值约为10°;3)初始推重比Tm0g0需达到约1.5;4)推进剂消耗量为477.89t,占运载器总重的86.9%,进入目标轨道的运载器质量约占总重的13.1%.本算例采用了较为简化的数学模型和一些假设条件,因此得出的优化计算结果与实际弹道还有一定偏差,但计算结果已经可以定性反映具有助推初速水平起飞运载器的一些弹道特性,得出的优化计算结果对磁悬浮助推发射运载器总体方案有一定的借鉴作用.4炮式发射技术除了磁悬浮助推发射方式外,国外还提出了其它类型的航天助推发射方式,如火箭橇、炮式发射和地效飞行器助推发射等等火箭橇是20世纪下半叶发展起来的一种大型、高精度地面动态模拟试验设备,主要使用火箭发动机作为动力,推动装载试件的滑橇沿滑轨高速运行.目前美国的霍洛曼(Holloman)试验基地使用该试验设备可以提供Ma为5左右的助推速度,同时该试验基地正在着手研究使用超导磁悬浮系统来升级火箭橇的性能,以达到Ma为7～10的目标.该试验装置的很多特点都类似于磁悬浮助推发射方式,不同的是使用了火箭发动机作为滑橇推进动力,因此可以实现的助推分离速度非常高.炮式发射概念的本质就是通过炮射装置产生一个巨大的脉冲量,实现把载荷以很高的加速度直接送入太空.先进炮式发射技术是由美国国防部支持的高超声速发射装置研究项目,目前主要包括导轨炮(railgun)、线圈炮(coilgun)、电热炮(lightgasgun)三种类型.其中导轨炮和线圈炮是电磁发射装置,通过装置中电流与电流之间产生的电磁场相互作用,来提供加速所需的作用力,而电热炮是一种部分使用电能产生高速等离子体与化学工质作用产生高温高压燃气驱动弹丸运动的新型火炮发射技术.这三种炮式发射技术的共同特点是加速度非常大,出口速度非常大,但发送载荷的质量较小.地效飞行器是一种充分利用空气动力的地面效应原理,能够在水面或陆地起飞和降落,以亚音速贴近水面或平坦陆地在地效区内稳定飞行的新型运载工具.目前俄罗斯拥有世界上最大的地效飞行器“鹞”式(400吨级).使用地效飞行器作为助推发射方式,具有载重量大、发射地点选择容易(尤其是海面)、发射频率高等优势,日本东京的Musashi技术学院和俄罗斯圣彼得堡空间仪器国家研究院联合对该发射方案进行了比较深入的研究.表2主要通过分离速度、加速度、入轨载荷和发射成本等几个参考量,初步比较评价以上几种助推发射方式.表中部分数据引自文献.5悬浮助推发射方