电磁推进技术

2010-06-23李小鹏王静西

电气技术 2010年1期

李小鹏王静西

（1.天津工程师范学院自动化系，天津 300222；2.解放军总装备部科研订购部，北京 100081）

1 引言

过去70年中全世界研制运载火箭和有效载荷的费用超过1万亿美元，目前每千克载荷的发射费用达到7000美元，发射的成功率为90%～98%，这些已经是当代最优秀科学家最大努力的结果。运载火箭技术已相当成熟，取得重大的突破比较困难。增加有效载荷、提高发射率和重复使用率都可以降低单位载荷的发射费用，因为大型火箭比较好的降低了发射设备费用。但是小卫星具有体积小、成本低、性能高等特点，它是卫星发展的一个趋势。小卫星可以完成各种费用不多但很有特色的空间任务，如应急军事侦察、卫星登陆器、星际探测、科学实验等，小卫星发射不同大型航天器发射周期需要数年，而是数月甚至数周，即使发射失败，损失也不会太大，这些特点对军事具有非常重大的意义。在工程设计中小卫星更希望标准化成批生产，运载器重复使用。这些出促使人们摒弃或是改造现有技术、系统以及方法，探索一种概念全新的有效载荷升空方法[1]。

利用电磁力加速有效载荷穿过大气层进入太空，这种想法最早出现在科幻小说中，但随着科学和技术的进步，这种幻想逐渐变成现实。关于电磁推进在空间领域上的应用，已经提出了两种法案：一是用电磁推进取代第一级火箭，发射体达到一定的速度后，在需要一级火箭即可入轨。二是用电磁推进完全取代传统的推进方式，发射体达到超高速后直接入轨。其中第二种方案中对有效载荷的要求较高，其中两点尤为重要：热屏蔽要好和加速荣差小。这两点要求是很显然的，因为若要直接入轨就必须使载荷达到很高的速度，有效载荷所受的加速度必须很高，否则加速器就得做很长，这点对节约成本和提高可靠性是不利的；高速载荷通过大气层时与空气摩擦，产生热能会对本身加热，所以热屏蔽要好[2]。

2 直线电磁加速器的选择

辅助推进技术的指标也可以比较宽：载荷速度从几百米/秒到几千米/秒。直线电磁加速器的种类选择是由载荷的质量和发射速度共同确定的，若为小质量载荷且要求发射速度较高时，则采用线圈式电磁发射器或是重接式电磁发射器，因为这两种发射器在工作过程中载荷具有自稳性，省去了磁悬浮装置，缺点是载荷所受力波动较大。若载荷质量较大且发射速度较低时，则采用大推力直线电机作为直线电磁推进器。因为速度比较低，所以可以不用磁悬浮装置，该种方式的优点是：载荷质量可以很大，载荷受力比较均匀等，如图1所示。

图1 直线电磁加速器的选择

3 线圈式直线电磁加速器

电磁发射器可以分为导轨式电磁发射器和线圈式电磁发射器，其中导轨式电磁发射器更适合武器装备，线圈式电磁发射器比较适合空间应用。重接式电磁发射器应当属于一种特殊形式的线圈式电磁发射器，它被认为是未来超高速电磁发射装置的理想结构形式。这种发射方式的载荷承必须承受很大的加速度，载荷可以包括：用于空间站补给的水、食品、工具以及核废料等。重接式电磁发射器示意图和磁力线分布如图2和图3所示[3]。

图2 重接式电磁发射器示意图

重接式电磁发射与以往其它种类电磁发射相比的显著优点是：发射体具有自稳定性，不需要悬浮装置。发射体受到外界干扰而偏离平衡位置时，电磁力将使发射体自动校正到平衡位置。例如当sp1＞sp2时，线圈与发射体上表面间能量密度要大于发射体下表面与线圈间的能量密度，这使得发射体在y方向上受到一个向下的力，该力把发射体校正到sp1=sp2位置。尽管发射体处在不对称的位置，但是发射体在x方向受力变化不大。

图3 磁力线分布

在电阻作用，线圈电流很快衰减，发射体自稳定性能力减弱，发射体可能与线圈接触，为了增强发射体的稳定性，一个线圈的不同位置接通不同电容器组（如图4所示的a，b，c位置分别接通放电开关K1，K2，K3），此时发射体水平受力不是很大，但是增强了发射体的稳定性。发射体速度比较低时，同一个线圈内通电次数增加，随着发射体速度增加，该次数将逐渐减少（发射体速度为10m/s时，通电次数为7次，速度为100m/s时，通电次数为 3次）。为减少电源数量和体积，可将发射体采用机械装置为发射提供一个初速度。

若发射体的形状是板状金属导体，它并不适应高速运行。因此采用双侧推进系统，如图5所示。该装置的优点是：①载荷符合空气动力性要求；②载荷与加速部分分离，线圈内通大电流时，有效载荷受到加热比较少；③有效载荷易于采取措施防止脉冲强磁场对其内部的干扰。

图4 一个线圈的通电状态

一级该系统载荷速度是有限的（约为几十到几百m/s），电磁辅助推进系统需要制成多级，达到数千米每秒（图 6）。该辅助系统的载荷质量范围在几千克到几百千克，若载荷质量很大时，该装置并不适合。

图5 双侧推进系统

图6 多级重接式电磁发射装置示意图

4 大推力直线电机

由于线圈式直线电磁加速器中载荷所受加速度很大，而且载荷的热屏蔽层较厚，这对载荷的要求较高。若载荷质量很大，而且承受的加速度有限的情况时，需要采用大推力直线电机加速载荷使火箭在点火前有一个初速度，达到节约成本的目的，此速度不能太高，否则应使用磁悬浮。

大推力直线电机可以采用两种方案：长定子结构和长动子结构。长定子结构运动部分是磁钢、轭铁和载荷三部分，长动子结构运动部分是线圈、铁心、绕组以及载荷四部分。从性能角度来看长定子结构要优于长动子结构，但系统重量会增加。长动子结构相对简单，但应当采取一些措施来补偿直线电机的端部效应对系统性能的影响，可靠性也比长定子结构差一些。因此大推力直线电机采用长定子结构。由于大推力直线电机定子很长（600m），所以采用分段结构，分段的主要目的就是提高力能指标和系统效率，定子每段长度为1m，每段直线电机定子均采用双边对称结构，此结构不但可以增加系统的出力指标，而且双侧定子对动子的吸引力近似抵消（理想情况下完全抵消），系统结构更加紧凑。直线电机动子也采用双侧结构。

大推力直线电机采用对称机构，两侧动子与载荷相连，其截面如图7所示，载荷受力如图8所示。分段结构虽然提高了力能指标和系统的效率，但增加了控制驱动系统的数量和成本，整个系统有7套驱动控制系统，其中动子与定子相对时相应的定子段绕组通电，动子同时与两段绕组相对时，这两段绕组同时通电，这样做的目的是减小载荷受力波动。