電磁推進(jìn)技術(shù)

李小鵬 王靜西

（1.天津工程師范學(xué)院自動(dòng)化系，天津 300222；2.解放軍總裝備部科研訂購(gòu)部，北京 100081）

1 引言

過去70年中全世界研制運(yùn)載火箭和有效載荷的費(fèi)用超過1萬億美元，目前每千克載荷的發(fā)射費(fèi)用達(dá)到7000美元，發(fā)射的成功率為90%～98%，這些已經(jīng)是當(dāng)代最優(yōu)秀科學(xué)家最大努力的結(jié)果。運(yùn)載火箭技術(shù)已相當(dāng)成熟，取得重大的突破比較困難。增加有效載荷、提高發(fā)射率和重復(fù)使用率都可以降低單位載荷的發(fā)射費(fèi)用，因?yàn)榇笮突鸺容^好的降低了發(fā)射設(shè)備費(fèi)用。但是小衛(wèi)星具有體積小、成本低、性能高等特點(diǎn)，它是衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。小衛(wèi)星可以完成各種費(fèi)用不多但很有特色的空間任務(wù)，如應(yīng)急軍事偵察、衛(wèi)星登陸器、星際探測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，小衛(wèi)星發(fā)射不同大型航天器發(fā)射周期需要數(shù)年，而是數(shù)月甚至數(shù)周，即使發(fā)射失敗，損失也不會(huì)太大，這些特點(diǎn)對(duì)軍事具有非常重大的意義。在工程設(shè)計(jì)中小衛(wèi)星更希望標(biāo)準(zhǔn)化成批生產(chǎn)，運(yùn)載器重復(fù)使用。這些出促使人們摒棄或是改造現(xiàn)有技術(shù)、系統(tǒng)以及方法，探索一種概念全新的有效載荷升空方法[1]。

利用電磁力加速有效載荷穿過大氣層進(jìn)入太空，這種想法最早出現(xiàn)在科幻小說中，但隨著科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，這種幻想逐漸變成現(xiàn)實(shí)。關(guān)于電磁推進(jìn)在空間領(lǐng)域上的應(yīng)用，已經(jīng)提出了兩種法案：一是用電磁推進(jìn)取代第一級(jí)火箭，發(fā)射體達(dá)到一定的速度后，在需要一級(jí)火箭即可入軌。二是用電磁推進(jìn)完全取代傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，發(fā)射體達(dá)到超高速后直接入軌。其中第二種方案中對(duì)有效載荷的要求較高，其中兩點(diǎn)尤為重要：熱屏蔽要好和加速榮差小。這兩點(diǎn)要求是很顯然的，因?yàn)槿粢苯尤胲壘捅仨毷馆d荷達(dá)到很高的速度，有效載荷所受的加速度必須很高，否則加速器就得做很長(zhǎng)，這點(diǎn)對(duì)節(jié)約成本和提高可靠性是不利的；高速載荷通過大氣層時(shí)與空氣摩擦，產(chǎn)生熱能會(huì)對(duì)本身加熱，所以熱屏蔽要好[2]。

2 直線電磁加速器的選擇

輔助推進(jìn)技術(shù)的指標(biāo)也可以比較寬：載荷速度從幾百米/秒到幾千米/秒。直線電磁加速器的種類選擇是由載荷的質(zhì)量和發(fā)射速度共同確定的，若為小質(zhì)量載荷且要求發(fā)射速度較高時(shí)，則采用線圈式電磁發(fā)射器或是重接式電磁發(fā)射器，因?yàn)檫@兩種發(fā)射器在工作過程中載荷具有自穩(wěn)性，省去了磁懸浮裝置，缺點(diǎn)是載荷所受力波動(dòng)較大。若載荷質(zhì)量較大且發(fā)射速度較低時(shí)，則采用大推力直線電機(jī)作為直線電磁推進(jìn)器。因?yàn)樗俣缺容^低，所以可以不用磁懸浮裝置，該種方式的優(yōu)點(diǎn)是：載荷質(zhì)量可以很大，載荷受力比較均勻等，如圖1所示。

圖1 直線電磁加速器的選擇

3 線圈式直線電磁加速器

電磁發(fā)射器可以分為導(dǎo)軌式電磁發(fā)射器和線圈式電磁發(fā)射器，其中導(dǎo)軌式電磁發(fā)射器更適合武器裝備，線圈式電磁發(fā)射器比較適合空間應(yīng)用。重接式電磁發(fā)射器應(yīng)當(dāng)屬于一種特殊形式的線圈式電磁發(fā)射器，它被認(rèn)為是未來超高速電磁發(fā)射裝置的理想結(jié)構(gòu)形式。這種發(fā)射方式的載荷承必須承受很大的加速度，載荷可以包括：用于空間站補(bǔ)給的水、食品、工具以及核廢料等。重接式電磁發(fā)射器示意圖和磁力線分布如圖2和圖3所示[3]。

圖2 重接式電磁發(fā)射器示意圖

重接式電磁發(fā)射與以往其它種類電磁發(fā)射相比的顯著優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)射體具有自穩(wěn)定性，不需要懸浮裝置。發(fā)射體受到外界干擾而偏離平衡位置時(shí)，電磁力將使發(fā)射體自動(dòng)校正到平衡位置。例如當(dāng)sp1＞sp2時(shí)，線圈與發(fā)射體上表面間能量密度要大于發(fā)射體下表面與線圈間的能量密度，這使得發(fā)射體在y方向上受到一個(gè)向下的力，該力把發(fā)射體校正到sp1=sp2位置。盡管發(fā)射體處在不對(duì)稱的位置，但是發(fā)射體在x方向受力變化不大。

圖3 磁力線分布

在電阻作用，線圈電流很快衰減，發(fā)射體自穩(wěn)定性能力減弱，發(fā)射體可能與線圈接觸，為了增強(qiáng)發(fā)射體的穩(wěn)定性，一個(gè)線圈的不同位置接通不同電容器組（如圖4所示的a，b，c位置分別接通放電開關(guān)K1，K2，K3），此時(shí)發(fā)射體水平受力不是很大，但是增強(qiáng)了發(fā)射體的穩(wěn)定性。發(fā)射體速度比較低時(shí)，同一個(gè)線圈內(nèi)通電次數(shù)增加，隨著發(fā)射體速度增加，該次數(shù)將逐漸減少（發(fā)射體速度為10m/s時(shí)，通電次數(shù)為7次，速度為100m/s時(shí)，通電次數(shù)為 3次）。為減少電源數(shù)量和體積，可將發(fā)射體采用機(jī)械裝置為發(fā)射提供一個(gè)初速度。

若發(fā)射體的形狀是板狀金屬導(dǎo)體，它并不適應(yīng)高速運(yùn)行。因此采用雙側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)，如圖5所示。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：①載荷符合空氣動(dòng)力性要求；②載荷與加速部分分離，線圈內(nèi)通大電流時(shí)，有效載荷受到加熱比較少；③有效載荷易于采取措施防止脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)其內(nèi)部的干擾。

圖4 一個(gè)線圈的通電狀態(tài)

一級(jí)該系統(tǒng)載荷速度是有限的（約為幾十到幾百m/s），電磁輔助推進(jìn)系統(tǒng)需要制成多級(jí)，達(dá)到數(shù)千米每秒（圖 6）。該輔助系統(tǒng)的載荷質(zhì)量范圍在幾千克到幾百千克，若載荷質(zhì)量很大時(shí)，該裝置并不適合。

圖5 雙側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)

圖6 多級(jí)重接式電磁發(fā)射裝置示意圖

4 大推力直線電機(jī)

由于線圈式直線電磁加速器中載荷所受加速度很大，而且載荷的熱屏蔽層較厚，這對(duì)載荷的要求較高。若載荷質(zhì)量很大，而且承受的加速度有限的情況時(shí)，需要采用大推力直線電機(jī)加速載荷使火箭在點(diǎn)火前有一個(gè)初速度，達(dá)到節(jié)約成本的目的，此速度不能太高，否則應(yīng)使用磁懸浮。

大推力直線電機(jī)可以采用兩種方案：長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分是磁鋼、軛鐵和載荷三部分，長(zhǎng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分是線圈、鐵心、繞組以及載荷四部分。從性能角度來看長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)要優(yōu)于長(zhǎng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)，但系統(tǒng)重量會(huì)增加。長(zhǎng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但應(yīng)當(dāng)采取一些措施來補(bǔ)償直線電機(jī)的端部效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，可靠性也比長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)差一些。因此大推力直線電機(jī)采用長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)。由于大推力直線電機(jī)定子很長(zhǎng)（600m），所以采用分段結(jié)構(gòu)，分段的主要目的就是提高力能指標(biāo)和系統(tǒng)效率，定子每段長(zhǎng)度為1m，每段直線電機(jī)定子均采用雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不但可以增加系統(tǒng)的出力指標(biāo)，而且雙側(cè)定子對(duì)動(dòng)子的吸引力近似抵消（理想情況下完全抵消），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。直線電機(jī)動(dòng)子也采用雙側(cè)結(jié)構(gòu)。

大推力直線電機(jī)采用對(duì)稱機(jī)構(gòu)，兩側(cè)動(dòng)子與載荷相連，其截面如圖7所示，載荷受力如圖8所示。分段結(jié)構(gòu)雖然提高了力能指標(biāo)和系統(tǒng)的效率，但增加了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)量和成本，整個(gè)系統(tǒng)有7套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中動(dòng)子與定子相對(duì)時(shí)相應(yīng)的定子段繞組通電，動(dòng)子同時(shí)與兩段繞組相對(duì)時(shí)，這兩段繞組同時(shí)通電，這樣做的目的是減小載荷受力波動(dòng)。

5 結(jié)論

若將電磁推進(jìn)技術(shù)引入空間發(fā)射領(lǐng)域，它必將帶來革命性變革。其中線圈式發(fā)射器適合小質(zhì)量載荷，且速度要求較高的場(chǎng)合。大推力直線電機(jī)適合大質(zhì)量載荷。兩種方式既可以減小成本，也可以提高發(fā)射的頻率。

圖7 直線電磁輔助推進(jìn)器截面

圖8 分載荷受力

[1]李立毅,羅光耀,李小鵬.新型推進(jìn)技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用前景[J].電工技術(shù)雜志,2003(4)∶39-43.

[2]Li Xiaopeng,Luo Guangyao, etc. Reconnection Electromagnetic Launcher for Space Application.2003 IEEE Aerospace Conference.

[3]C.R.Hummer, C.E.Hollandsworth. “A Single-Stage Reconnection Gun. Army Research Laboratory report,” ARL-TR -14,1992.