磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

降低成本、重返成本、重返世界。幾十年來(lái)，許多新型的發(fā)射計(jì)劃一直在研究和開(kāi)發(fā)，如航空航天計(jì)劃、x-30計(jì)劃、x-33號(hào)升力計(jì)劃、英國(guó)耀環(huán)計(jì)劃和西德耀環(huán)計(jì)劃。但考慮到發(fā)射成本，沒(méi)有達(dá)到令人滿意的效果。目前,以美國(guó)、俄羅斯為代表的幾個(gè)國(guó)家正在開(kāi)展將磁懸浮軌道技術(shù)應(yīng)用于航天發(fā)射方案及技術(shù)研究工作.主要目標(biāo)是通過(guò)磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)為單級(jí)入軌運(yùn)載器提供一個(gè)較大的助推力,實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)(10s左右)將其加速到一個(gè)高的起飛速度(Ma為0.7左右),然后運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,與磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)分離后爬升入軌.使用磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行助推加速的特點(diǎn)是載重量大、大懸浮間隙、無(wú)摩擦低能耗,可以有效降低推進(jìn)劑的消耗量,大大降低發(fā)射成本.本文著重對(duì)磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述,對(duì)磁懸浮助推發(fā)射運(yùn)載器的飛行彈道進(jìn)行計(jì)算分析,并比較了其它同種類(lèi)型的航天助推發(fā)射方式.1磁懸浮助推發(fā)射的基本原理磁懸浮助推發(fā)射是將磁懸浮軌道技術(shù)應(yīng)用于航天發(fā)射,為運(yùn)載器提供一個(gè)較大的推力和高的起飛初速,以攜帶更多有效載荷入軌的一種新型航天發(fā)射技術(shù).磁懸浮助推發(fā)射的基本過(guò)程為:首先將運(yùn)載器定位于承載滑橇上,完成推進(jìn)劑添加和發(fā)射前的最終檢測(cè);發(fā)射開(kāi)始時(shí),承載滑橇由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),同時(shí)磁懸浮助推軌道系統(tǒng)提供承載滑橇穩(wěn)定加速的懸浮力和導(dǎo)向力;滑橇速度接近分離速度時(shí),運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,與磁懸浮發(fā)射系統(tǒng)分離;分離后運(yùn)載器繼續(xù)爬升入軌;承載滑橇則制動(dòng)減速直至停止,然后依靠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)返回初始點(diǎn),準(zhǔn)備下一次發(fā)射.從本質(zhì)上分析,磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)相當(dāng)于運(yùn)載器的第一個(gè)助推級(jí).圖1描述了磁懸浮助推發(fā)射的基本原理.磁懸浮助推發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)能夠平穩(wěn)快速地提供一個(gè)較高的助推分離速度,這個(gè)速度有利于減小運(yùn)載器入軌的總速度變化量ΔV;2)較高的起飛初速度有利于提高運(yùn)載器起飛初始亞聲速段的氣動(dòng)升力,可改善運(yùn)載器的氣動(dòng)設(shè)計(jì);3)起飛初速有利于改善運(yùn)載器主發(fā)動(dòng)機(jī)(火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī))在低空低速時(shí)的工作性能,從而減少推進(jìn)劑的消耗量;4)助推承載裝置有利于簡(jiǎn)化運(yùn)載器起落裝置結(jié)構(gòu),從而減小運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)總重;5)磁懸浮助推發(fā)射過(guò)程中地面摩擦損耗小,電能轉(zhuǎn)化效率高,安全性好,無(wú)地面環(huán)境污染;6)磁懸浮助推發(fā)射方式可操作性好,可重復(fù)使用率高,有利于大大降低發(fā)射和維護(hù)成本.因此磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)被列為美國(guó)第三代航天運(yùn)載器計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一.2系統(tǒng)概念研究2.1組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)關(guān)于磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的組成,各國(guó)提出了不同的方案,但從系統(tǒng)功能方面劃分,其基本組成主要包括動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)、懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、承載滑橇、磁懸浮軌道和控制系統(tǒng)等七個(gè)部分.系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,各組成部分功能簡(jiǎn)述如下:1種方案的對(duì)比用于磁懸浮助推加速過(guò)程中存儲(chǔ)和產(chǎn)生巨大電能.目前關(guān)于磁懸浮助推發(fā)射動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)的研究,主要有三種候選方案,分別為汽輪機(jī)(gasturbines)發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng)、泵式存儲(chǔ)(pumpedstorage)發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng)和PulsedMHD(Magnetohydrodynamics)脈沖磁流體發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng).前兩種方案在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上已經(jīng)可以發(fā)展成功,但是耗資巨大,相比之下第三種方案實(shí)用性較好,可以作為長(zhǎng)遠(yuǎn)研究發(fā)展的目標(biāo).2力轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)巨大的能量要在短時(shí)間內(nèi)傳遞給動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu),需要一套強(qiáng)有力的動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置.它通過(guò)控制電壓、頻率等手段控制動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流,達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)加速過(guò)程的目的.根據(jù)國(guó)外磁懸浮列車(chē)研制經(jīng)驗(yàn),采用脈寬調(diào)制(PWM)逆變器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)比較合適.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁懸浮助推加速過(guò)程中驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)主要具有三方面作用,加速過(guò)程中產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)推力,運(yùn)載器分離后產(chǎn)生制動(dòng)力和驅(qū)使承載滑橇返回初始地點(diǎn).選擇直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力,主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、能耗小、利于產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力,目前多采用長(zhǎng)定子直線同步電動(dòng)機(jī).4磁懸浮助推系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)嵌于承載滑橇的線圈與磁懸浮軌道線圈之間的電磁場(chǎng)作用,為承載滑橇助推加速過(guò)程中提供可靠的懸浮力和導(dǎo)向力,這是磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的一個(gè)重要系統(tǒng).5承載滑合裝置主要用于定位、支撐、加速和分離發(fā)射運(yùn)載器,除分離發(fā)射所必需的支撐架和分離機(jī)構(gòu)外,承載滑橇底部包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)必需的線圈繞組或超導(dǎo)磁體.61磁浮軌跡主要用于定位排列驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)繞組和懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)的軌道部分,磁懸浮軌道一般被鑲嵌于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的上端.7系統(tǒng)基本工作機(jī)理用于控制整個(gè)磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的正常運(yùn)行,其主要控制對(duì)象是驅(qū)動(dòng)直線電機(jī).通過(guò)處理承載滑橇瞬時(shí)位置的反饋信號(hào),傳遞給動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置,然后通過(guò)控制進(jìn)入直線電機(jī)的電流控制電機(jī)的加速和減速過(guò)程.磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)最核心的技術(shù)是由驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)、懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)和磁懸浮軌道組成的磁懸浮軌道系統(tǒng).與磁懸浮軌道系統(tǒng)密切相關(guān)的磁懸浮列車(chē)技術(shù)自上世紀(jì)20年代開(kāi)始,至今已有80多年的研究歷史.目前,依據(jù)工作機(jī)理磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)主要有常導(dǎo)吸浮型(EMS)和超導(dǎo)斥浮型(EDS)兩種類(lèi)型.其中常導(dǎo)吸浮型采用了異性磁極相吸的原理,其研究工作以德國(guó)為主要代表,時(shí)速可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為100～500km/h,懸浮高度一般為10mm.而超導(dǎo)斥浮型系統(tǒng)使用低溫超導(dǎo)線圈,應(yīng)用同性磁極相斥的原理,其研究工作以日本為主要代表,時(shí)速一般在500km/h以上,懸浮高度達(dá)100mm以上.在設(shè)計(jì)用于航天發(fā)射的磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)時(shí),優(yōu)先選擇EDS軌道系統(tǒng),主要原因在于這種系統(tǒng)可提供的懸浮間隙大,超導(dǎo)斥浮有實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的能力,這樣可以降低高速磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的研制難度.圖3所示為一個(gè)典型航天發(fā)射用磁懸浮軌道系統(tǒng)的示意圖,下面簡(jiǎn)述該系統(tǒng)的工作機(jī)理.在磁懸浮助推發(fā)射軌道系統(tǒng)中,用于勵(lì)磁的主要是超導(dǎo)線圈,超導(dǎo)線圈安裝在承載滑橇上,分別為中心的推進(jìn)線圈和兩側(cè)的懸浮導(dǎo)向線圈,與超導(dǎo)線圈相互作用產(chǎn)生推進(jìn)、懸浮、導(dǎo)向功能的各種線圈繞組都裝配在地面軌道上,分別為圖中的三相直線電機(jī)繞組和軌道短路線圖.其基本推進(jìn)、懸浮和導(dǎo)向原理為:1雙向電機(jī)擴(kuò)大滑合力采用直線同步電機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力.安裝在滑橇中心的超導(dǎo)線圈起勵(lì)磁線圈作用,當(dāng)軌道中間的三相直線電機(jī)繞組供電,將在超導(dǎo)線圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電流,然后電機(jī)線圈和超導(dǎo)線圈之間的電磁場(chǎng)作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)滑橇運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)力.通過(guò)控制供給三相電機(jī)繞組電流的頻率和幅值可以達(dá)到控制推力和運(yùn)行速度的目的.2懸浮力的產(chǎn)生當(dāng)直線電機(jī)推動(dòng)滑橇產(chǎn)生速度時(shí),滑橇上內(nèi)嵌的超導(dǎo)懸浮線圈引起的磁通變化將在軌道短路線圖中感應(yīng)產(chǎn)生電流,感應(yīng)電流與超導(dǎo)線圈間發(fā)生作用產(chǎn)生排斥力,這個(gè)力就是懸浮力,它用于懸浮被加速的裝置.3地面軌道平面的磁通變化導(dǎo)向原理與懸浮原理相同.當(dāng)滑橇偏離中心有任何橫向位移時(shí),磁通變化將引起超導(dǎo)線圈和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生一個(gè)橫向的回復(fù)力,這就是導(dǎo)向力,它將有助于滑橇回復(fù)到中心位置.地面軌道平面之所以要有一定角度,主要是為了便于產(chǎn)生回復(fù)力.2.2磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單算例分析磁懸浮助推發(fā)射過(guò)程中所需推力、加速時(shí)間和能量消耗的情況(見(jiàn)表1).基本假設(shè):運(yùn)載器起飛總重450000kg,承載滑橇質(zhì)量200000kg,運(yùn)載器分離速度255m/s.通過(guò)以上計(jì)算,初步得出如下結(jié)論:1)每次磁懸浮助推發(fā)射的系統(tǒng)能量需求非常大,8～20s內(nèi)需要約2.1×1010J電能和上千兆瓦級(jí)功率,建立能提供如此大功率的能量供給系統(tǒng)是一項(xiàng)巨大的工程.目前,俄羅斯已經(jīng)具有“Sakhalin”(500MW級(jí))脈沖磁流體發(fā)電機(jī)組,并設(shè)想使用13臺(tái)并聯(lián)的“Sakhalin”發(fā)電機(jī)組為磁懸浮助推發(fā)射提供所需的電能.國(guó)內(nèi)目前還不具有可用于磁懸浮助推發(fā)射的脈沖能量供給系統(tǒng),常規(guī)火力或水力發(fā)電機(jī)組輸出功率約幾十萬(wàn)千瓦,滿足磁懸浮助推發(fā)射的能量需求還是相當(dāng)困難,因此除了開(kāi)發(fā)大能量高功率的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng),還可以考慮在承載滑橇上增加其他輔助推進(jìn)裝置(渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭發(fā)動(dòng)機(jī))來(lái)減小助推發(fā)射對(duì)電能的依賴.2)理論上助推加速度越大越好,可以縮短磁懸浮軌道的長(zhǎng)度,降低建設(shè)成本.然而由于能量系統(tǒng)的高功率要求和目前驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)加速水平(<1g)的限制,磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)選擇1g左右的助推加速度是較為合理的.3磁浮輔助載射器的軌跡計(jì)算3.1運(yùn)輸器質(zhì)量式中,V為飛行速度;γ為爬升角;h為飛行高度;m為運(yùn)載器質(zhì)量;T為發(fā)動(dòng)機(jī)推力;α為攻角;L為氣動(dòng)升力;D為氣動(dòng)阻力;g為重力加速度;g0為地球表面重力加速度;r為運(yùn)載器與地心的距離;Isp為發(fā)動(dòng)機(jī)比沖.3.2[2]初始抬高角運(yùn)載器的飛行任務(wù)為進(jìn)入200km高度的圓形軌道.動(dòng)壓約束:q≤100kPa過(guò)載約束:n≤4初始條件:[V0,γ0,h0,m0]=[255m/s,γ0,0,5.5×105?kg]終端條件:[Vf,γf,hf,mf]=[7788.5m/s,0,200km,mf]式中,下標(biāo)“0”、“f”分別表示運(yùn)載器起飛初始時(shí)刻和進(jìn)入目標(biāo)軌道的終端時(shí)刻;γ0為待優(yōu)化的初始爬升角;mf為進(jìn)入目標(biāo)軌道的運(yùn)載器質(zhì)量,是彈道優(yōu)化的目標(biāo).3.3氣動(dòng)升力系數(shù)及氣動(dòng)阻力系數(shù)氣動(dòng)外形參見(jiàn)文獻(xiàn),運(yùn)載器氣動(dòng)升力系數(shù)CL及氣動(dòng)阻力系數(shù)CD采用以下公式近似擬合CL=CL0+CLααCD=CD0+AC2L式中,CL0和CD0分別為α=0時(shí)的氣動(dòng)升力系數(shù)和氣動(dòng)阻力系數(shù);CLα為CL相對(duì)于α的一階導(dǎo)數(shù);A為CD相對(duì)于CL二階導(dǎo)數(shù).3.5計(jì)算值的優(yōu)化方法采用參數(shù)組合優(yōu)化方法,主要使用單純形優(yōu)化方法,α和T為優(yōu)化的控制參數(shù),運(yùn)動(dòng)方程中V、γ、h和m為待優(yōu)化的狀態(tài)變量.3.6優(yōu)化值的確定圖4～圖7分別為優(yōu)化計(jì)算得到的V、γ、hm、q、n、α和T的變化曲線,初步分析可得出以下結(jié)論1)初始γ0的優(yōu)化值為5.2°;2)初始α的優(yōu)化值約為10°;3)初始推重比Tm0g0需達(dá)到約1.5;4)推進(jìn)劑消耗量為477.89t,占運(yùn)載器總重的86.9%,進(jìn)入目標(biāo)軌道的運(yùn)載器質(zhì)量約占總重的13.1%.本算例采用了較為簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型和一些假設(shè)條件,因此得出的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與實(shí)際彈道還有一定偏差,但計(jì)算結(jié)果已經(jīng)可以定性反映具有助推初速水平起飛運(yùn)載器的一些彈道特性,得出的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果對(duì)磁懸浮助推發(fā)射運(yùn)載器總體方案有一定的借鑒作用.4炮式發(fā)射技術(shù)除了磁懸浮助推發(fā)射方式外,國(guó)外還提出了其它類(lèi)型的航天助推發(fā)射方式,如火箭橇、炮式發(fā)射和地效飛行器助推發(fā)射等等火箭橇是20世紀(jì)下半葉發(fā)展起來(lái)的一種大型、高精度地面動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)設(shè)備,主要使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力,推動(dòng)裝載試件的滑橇沿滑軌高速運(yùn)行.目前美國(guó)的霍洛曼(Holloman)試驗(yàn)基地使用該試驗(yàn)設(shè)備可以提供Ma為5左右的助推速度,同時(shí)該試驗(yàn)基地正在著手研究使用超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)來(lái)升級(jí)火箭橇的性能,以達(dá)到Ma為7～10的目標(biāo).該試驗(yàn)裝置的很多特點(diǎn)都類(lèi)似于磁懸浮助推發(fā)射方式,不同的是使用了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為滑橇推進(jìn)動(dòng)力,因此可以實(shí)現(xiàn)的助推分離速度非常高.炮式發(fā)射概念的本質(zhì)就是通過(guò)炮射裝置產(chǎn)生一個(gè)巨大的脈沖量,實(shí)現(xiàn)把載荷以很高的加速度直接送入太空.先進(jìn)炮式發(fā)射技術(shù)是由美國(guó)國(guó)防部支持的高超聲速發(fā)射裝置研究項(xiàng)目,目前主要包括導(dǎo)軌炮(railgun)、線圈炮(coilgun)、電熱炮(lightgasgun)三種類(lèi)型.其中導(dǎo)軌炮和線圈炮是電磁發(fā)射裝置,通過(guò)裝置中電流與電流之間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用,來(lái)提供加速所需的作用力,而電熱炮是一種部分使用電能產(chǎn)生高速等離子體與化學(xué)工質(zhì)作用產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)的新型火炮發(fā)射技術(shù).這三種炮式發(fā)射技術(shù)的共同特點(diǎn)是加速度非常大,出口速度非常大,但發(fā)送載荷的質(zhì)量較小.地效飛行器是一種充分利用空氣動(dòng)力的地面效應(yīng)原理,能夠在水面或陸地起飛和降落,以亞音速貼近水面或平坦陸地在地效區(qū)內(nèi)穩(wěn)定飛行的新型運(yùn)載工具.目前俄羅斯擁有世界上最大的地效飛行器“鷂”式(400噸級(jí)).使用地效飛行器作為助推發(fā)射方式,具有載重量大、發(fā)射地點(diǎn)選擇容易(尤其是海面)、發(fā)射頻率高等優(yōu)勢(shì),日本東京的Musashi技術(shù)學(xué)院和俄羅斯圣彼得堡空間儀器國(guó)家研究院聯(lián)合對(duì)該發(fā)射方案進(jìn)行了比較深入的研究.表2主要通過(guò)分離速度、加速度、入軌載荷和發(fā)射成本等幾個(gè)參考量,初步比較評(píng)價(jià)以上幾種助推發(fā)射方式.表中部分?jǐn)?shù)據(jù)引自文獻(xiàn).5懸浮助推發(fā)射方