磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展與應用

磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展與應用

降低成本、重返成本、重返世界。幾十年來，許多新型的發(fā)射計劃一直在研究和開發(fā)，如航空航天計劃、x-30計劃、x-33號升力計劃、英國耀環(huán)計劃和西德耀環(huán)計劃。但考慮到發(fā)射成本，沒有達到令人滿意的效果。目前,以美國、俄羅斯為代表的幾個國家正在開展將磁懸浮軌道技術(shù)應用于航天發(fā)射方案及技術(shù)研究工作.主要目標是通過磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)為單級入軌運載器提供一個較大的助推力,實現(xiàn)在短時間內(nèi)(10s左右)將其加速到一個高的起飛速度(Ma為0.7左右),然后運載器發(fā)動機點火,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)進行助推加速的特點是載重量大、大懸浮間隙、無摩擦低能耗,可以有效降低推進劑的消耗量,大大降低發(fā)射成本.本文著重對磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)設(shè)計進行闡述,對磁懸浮助推發(fā)射運載器的飛行彈道進行計算分析,并比較了其它同種類型的航天助推發(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)應用于航天發(fā)射,為運載器提供一個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)射的基本過程為:首先將運載器定位于承載滑橇上,完成推進劑添加和發(fā)射前的最終檢測;發(fā)射開始時,承載滑橇由直線電機驅(qū)動,同時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向力;滑橇速度接近分離速度時,運載器發(fā)動機點火,與磁懸浮發(fā)射系統(tǒng)分離;分離后運載器繼續(xù)爬升入軌;承載滑橇則制動減速直至停止,然后依靠直線電機驅(qū)動返回初始點,準備下一次發(fā)射.從本質(zhì)上分析,磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)相當于運載器的第一個助推級.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)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1)能夠平穩(wěn)快速地提供一個較高的助推分離速度,這個速度有利于減小運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載器起飛初始亞聲速段的氣動升力,可改善運載器的氣動設(shè)計;3)起飛初速有利于改善運載器主發(fā)動機(火箭發(fā)動機或吸氣式組合發(fā)動機)在低空低速時的工作性能,從而減少推進劑的消耗量;4)助推承載裝置有利于簡化運載器起落裝置結(jié)構(gòu),從而減小運載器的結(jié)構(gòu)總重;5)磁懸浮助推發(fā)射過程中地面摩擦損耗小,電能轉(zhuǎn)化效率高,安全性好,無地面環(huán)境污染;6)磁懸浮助推發(fā)射方式可操作性好,可重復使用率高,有利于大大降低發(fā)射和維護成本.因此磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)被列為美國第三代航天運載器計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一.2系統(tǒng)概念研究2.1組成和結(jié)構(gòu)特點關(guān)于磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的組成,各國提出了不同的方案,但從系統(tǒng)功能方面劃分,其基本組成主要包括動力供應系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動直線電機、懸浮導向系統(tǒng)、承載滑橇、磁懸浮軌道和控制系統(tǒng)等七個部分.系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,各組成部分功能簡述如下:1種方案的對比用于磁懸浮助推加速過程中存儲和產(chǎn)生巨大電能.目前關(guān)于磁懸浮助推發(fā)射動力供應系統(tǒng)的研究,主要有三種候選方案,分別為汽輪機(gasturbines)發(fā)電動力系統(tǒng)、泵式存儲(pumpedstorage)發(fā)電動力系統(tǒng)和PulsedMHD(Magnetohydrodynamics)脈沖磁流體發(fā)電動力系統(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用性較好,可以作為長遠研究發(fā)展的目標.2力轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計巨大的能量要在短時間內(nèi)傳遞給動力執(zhí)行機構(gòu),需要一套強有力的動力轉(zhuǎn)換裝置.它通過控制電壓、頻率等手段控制動力供應系統(tǒng)提供給驅(qū)動電機的電流,達到控制驅(qū)動直線電機加速過程的目的.根據(jù)國外磁懸浮列車研制經(jīng)驗,采用脈寬調(diào)制(PWM)逆變器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)比較合適.3電機驅(qū)動電機磁懸浮助推加速過程中驅(qū)動直線電機主要具有三方面作用,加速過程中產(chǎn)生驅(qū)動推力,運載器分離后產(chǎn)生制動力和驅(qū)使承載滑橇返回初始地點.選擇直線電機作為驅(qū)動動力,主要是因為其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能耗小、利于產(chǎn)生較大的驅(qū)動力和制動力,目前多采用長定子直線同步電動機.4磁懸浮助推系統(tǒng)通過內(nèi)嵌于承載滑橇的線圈與磁懸浮軌道線圈之間的電磁場作用,為承載滑橇助推加速過程中提供可靠的懸浮力和導向力,這是磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的一個重要系統(tǒng).5承載滑合裝置主要用于定位、支撐、加速和分離發(fā)射運載器,除分離發(fā)射所必需的支撐架和分離機構(gòu)外,承載滑橇底部包含驅(qū)動電機系統(tǒng)和懸浮導向系統(tǒng)必需的線圈繞組或超導磁體.61磁浮軌跡主要用于定位排列驅(qū)動直線電機繞組和懸浮導向系統(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)基本工作機理用于控制整個磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)的正常運行,其主要控制對象是驅(qū)動直線電機.通過處理承載滑橇瞬時位置的反饋信號,傳遞給動力轉(zhuǎn)換裝置,然后通過控制進入直線電機的電流控制電機的加速和減速過程.磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)最核心的技術(shù)是由驅(qū)動直線電機、懸浮導向系統(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)的磁懸浮列車技術(shù)自上世紀20年代開始,至今已有80多年的研究歷史.目前,依據(jù)工作機理磁懸浮列車系統(tǒng)主要有常導吸浮型(EMS)和超導斥浮型(EDS)兩種類型.其中常導吸浮型采用了異性磁極相吸的原理,其研究工作以德國為主要代表,時速可根據(jù)需要設(shè)計為100～500km/h,懸浮高度一般為10mm.而超導斥浮型系統(tǒng)使用低溫超導線圈,應用同性磁極相斥的原理,其研究工作以日本為主要代表,時速一般在500km/h以上,懸浮高度達100mm以上.在設(shè)計用于航天發(fā)射的磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)時,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,超導斥浮有實現(xiàn)自適應控制的能力,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所示為一個典型航天發(fā)射用磁懸浮軌道系統(tǒng)的示意圖,下面簡述該系統(tǒng)的工作機理.在磁懸浮助推發(fā)射軌道系統(tǒng)中,用于勵磁的主要是超導線圈,超導線圈安裝在承載滑橇上,分別為中心的推進線圈和兩側(cè)的懸浮導向線圈,與超導線圈相互作用產(chǎn)生推進、懸浮、導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繞組和軌道短路線圖.其基本推進、懸浮和導向原理為:1雙向電機擴大滑合力采用直線同步電機作為推進動力.安裝在滑橇中心的超導線圈起勵磁線圈作用,當軌道中間的三相直線電機繞組供電,將在超導線圈中產(chǎn)生出感應電流,然后電機線圈和超導線圈之間的電磁場作用產(chǎn)生驅(qū)動滑橇運動的推進力.通過控制供給三相電機繞組電流的頻率和幅值可以達到控制推力和運行速度的目的.2懸浮力的產(chǎn)生當直線電機推動滑橇產(chǎn)生速度時,滑橇上內(nèi)嵌的超導懸浮線圈引起的磁通變化將在軌道短路線圖中感應產(chǎn)生電流,感應電流與超導線圈間發(fā)生作用產(chǎn)生排斥力,這個力就是懸浮力,它用于懸浮被加速的裝置.3地面軌道平面的磁通變化導向原理與懸浮原理相同.當滑橇偏離中心有任何橫向位移時,磁通變化將引起超導線圈和導軌之間產(chǎn)生一個橫向的回復力,這就是導向力,它將有助于滑橇回復到中心位置.地面軌道平面之所以要有一定角度,主要是為了便于產(chǎn)生回復力.2.2磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)下面通過一個簡單算例分析磁懸浮助推發(fā)射過程中所需推力、加速時間和能量消耗的情況(見表1).基本假設(shè):運載器起飛總重450000kg,承載滑橇質(zhì)量200000kg,運載器分離速度255m/s.通過以上計算,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電能和上千兆瓦級功率,建立能提供如此大功率的能量供給系統(tǒng)是一項巨大的工程.目前,俄羅斯已經(jīng)具有“Sakhalin”(500MW級)脈沖磁流體發(fā)電機組,并設(shè)想使用13臺并聯(lián)的“Sakhalin”發(fā)電機組為磁懸浮助推發(fā)射提供所需的電能.國內(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)電機組輸出功率約幾十萬千瓦,滿足磁懸浮助推發(fā)射的能量需求還是相當困難,因此除了開發(fā)大能量高功率的能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng),還可以考慮在承載滑橇上增加其他輔助推進裝置(渦輪發(fā)動機或火箭發(fā)動機)來減小助推發(fā)射對電能的依賴.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)動直線電機加速水平(<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算3.1運輸器質(zhì)量式中,V為飛行速度;γ為爬升角;h為飛行高度;m為運載器質(zhì)量;T為發(fā)動機推力;α為攻角;L為氣動升力;D為氣動阻力;g為重力加速度;g0為地球表面重力加速度;r為運載器與地心的距離;Isp為發(fā)動機比沖.3.2[2]初始抬高角運載器的飛行任務(wù)為進入200km高度的圓形軌道.動壓約束:q≤100kPa過載約束: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“0”、“f”分別表示運載器起飛初始時刻和進入目標軌道的終端時刻;γ0為待優(yōu)化的初始爬升角;mf為進入目標軌道的運載器質(zhì)量,是彈道優(yōu)化的目標.3.3氣動升力系數(shù)及氣動阻力系數(shù)氣動外形參見文獻,運載器氣動升力系數(shù)CL及氣動阻力系數(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時的氣動升力系數(shù)和氣動阻力系數(shù);CLα為CL相對于α的一階導數(shù);A為CD相對于CL二階導數(shù).3.5計算值的優(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),運動方程中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需達到約1.5;4)推進劑消耗量為477.89t,占運載器總重的86.9%,進入目標軌道的運載器質(zhì)量約占總重的13.1%.本算例采用了較為簡化的數(shù)學模型和一些假設(shè)條件,因此得出的優(yōu)化計算結(jié)果與實際彈道還有一定偏差,但計算結(jié)果已經(jīng)可以定性反映具有助推初速水平起飛運載器的一些彈道特性,得出的優(yōu)化計算結(jié)果對磁懸浮助推發(fā)射運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,國外還提出了其它類型的航天助推發(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世紀下半葉發(fā)展起來的一種大型、高精度地面動態(tài)模擬試驗設(shè)備,主要使用火箭發(fā)動機作為動力,推動裝載試件的滑橇沿滑軌高速運行.目前美國的霍洛曼(Holloman)試驗基地使用該試驗設(shè)備可以提供Ma為5左右的助推速度,同時該試驗基地正在著手研究使用超導磁懸浮系統(tǒng)來升級火箭橇的性能,以達到Ma為7～10的目標.該試驗裝置的很多特點都類似于磁懸浮助推發(fā)射方式,不同的是使用了火箭發(fā)動機作為滑橇推進動力,因此可以實現(xiàn)的助推分離速度非常高.炮式發(fā)射概念的本質(zhì)就是通過炮射裝置產(chǎn)生一個巨大的脈沖量,實現(xiàn)把載荷以很高的加速度直接送入太空.先進炮式發(fā)射技術(shù)是由美國國防部支持的高超聲速發(fā)射裝置研究項目,目前主要包括導軌炮(railgun)、線圈炮(coilgun)、電熱炮(lightgasgun)三種類型.其中導軌炮和線圈炮是電磁發(fā)射裝置,通過裝置中電流與電流之間產(chǎn)生的電磁場相互作用,來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工質(zhì)作用產(chǎn)生高溫高壓燃氣驅(qū)動彈丸運動的新型火炮發(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力的地面效應原理,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).使用地效飛行器作為助推發(fā)射方式,具有載重量大、發(fā)射地點選擇容易(尤其是海面)、發(fā)射頻率高等優(yōu)勢,日本東京的Musashi技術(shù)學院和俄羅斯圣彼得堡空間儀器國家研究院聯(lián)合對該發(fā)射方案進行了比較深入的研究.表2主要通過分離速度、加速度、入軌載荷和發(fā)射成本等幾個參考量,初步比較評價以上幾種助推發(fā)射方式.表中部分數(shù)據(jù)引自文獻.5懸浮助推發(fā)射方