航天器電磁推射技術(shù)的構(gòu)成與發(fā)展思路的研究

李子奇　楊旭

摘 要：一種新式的航天器發(fā)射技術(shù)：航天器電磁推射技術(shù)。它徹底改變了火箭自發(fā)明以來(lái)的推進(jìn)模式，采用電磁力推進(jìn)，儲(chǔ)存動(dòng)能為主要能量，具有成本低、可靠性高、速度快、不易攔截等優(yōu)良性能，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和軍事戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，是未來(lái)航天發(fā)射的最佳手段，戰(zhàn)爭(zhēng)太空衛(wèi)星補(bǔ)網(wǎng)的首選。本文總結(jié)了航天器電磁推射構(gòu)想的起源，總結(jié)了其發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理和亟待解決的技術(shù)難題，提出了空間二次轉(zhuǎn)移的概念設(shè)想，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行展望與研究。

關(guān)鍵詞：電磁推射 航天發(fā)射 軍民兩用

中圖分類(lèi)號(hào)：V419 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（a）-0010-02

傳統(tǒng)的火箭以化學(xué)能為主要能源，化學(xué)能火箭存在諸多問(wèn)題。如準(zhǔn)備秏時(shí)、發(fā)射成本高、環(huán)境污染、失敗率高……隨之而來(lái)的便是投入與回報(bào)不成正比，利潤(rùn)下降。電磁推射是一種全新概念的航天器火箭發(fā)射方式，利用了洛倫茲力的加速原理，采用了直接動(dòng)能飛行模式，具有及其廣闊的發(fā)展空間。電磁推射和化學(xué)火箭相比具有完全不同的發(fā)射原理，具有造價(jià)低、可控性強(qiáng)、適應(yīng)多種發(fā)射、能量可控制、可高頻率發(fā)射，可經(jīng)濟(jì)的往太空投送小型衛(wèi)星和資源。尤其是在戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)程中，太空衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)很容易遭到敵方反衛(wèi)星武器的攻擊，造成衛(wèi)星網(wǎng)損毀，而此時(shí)發(fā)射化學(xué)火箭補(bǔ)給衛(wèi)星很容易遭到攔截，因此電磁推測(cè)法發(fā)射火箭成為唯一的思路。

1 電磁推射的基本原理

電磁推射的裝置主要包括大型脈沖電源、電力可控裝置、金屬平行軌道、載流中樞、承載的航天器、絕緣固定裝置。電樞進(jìn)入軌道閉合開(kāi)關(guān)，電流經(jīng)過(guò)后膛在軌道中流動(dòng)，形成了一個(gè)閉合回路。在兩側(cè)軌道形成的反向電流之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)其電樞產(chǎn)生電磁力的作用。此時(shí)電流值迅速增加，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到萬(wàn)安甚至兆安，此時(shí)電樞將受到強(qiáng)大的洛倫茲力作用，將帶著載荷以極高的加速度向發(fā)射口移動(dòng)。

2 電磁推射的來(lái)源與發(fā)展

2.1 炮彈飛出地球的構(gòu)想與嘗試

自從炮彈發(fā)明以來(lái)，人類(lèi)始終嘗試著讓炮彈飛得更遠(yuǎn)，人們發(fā)現(xiàn)炮彈的初速度越大角度越合適，其飛行的距離越遠(yuǎn)。在人們認(rèn)清地球的形狀之后，就開(kāi)始討論炮彈如何克服地球引力飛出地球的問(wèn)題。1960年，吉拉德·布爾博士研發(fā)了一種改變?nèi)祟?lèi)觀念的大炮巴巴多斯大炮。它曾經(jīng)將190kg的炮彈以2100m/s的初速度打到180km的太空，至進(jìn)無(wú)人能破。然而不幸的是布爾博士被刺殺，項(xiàng)目被迫終止，但是這一構(gòu)想?yún)s得到了證實(shí)。

1980年，美國(guó)科研人員用電磁炮發(fā)射成功一顆317g的彈丸，岀膛的速度可高達(dá)4200m/s，NASA設(shè)計(jì)主持修建一個(gè)長(zhǎng)達(dá)700m，500mm直徑，30度仰角的電磁炮，將2T的試驗(yàn)火箭加速為4000～5000m/s，飛行到達(dá)了200km以上的高度，1990年，美國(guó)的sandia實(shí)驗(yàn)室主持設(shè)計(jì)了一種電磁線(xiàn)圈發(fā)射裝置，有9700組驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈構(gòu)成，發(fā)射設(shè)備長(zhǎng)960m，傾角為25°，可將600kg的電樞和1220的飛行器加速到6000m/h，加速度2000G，現(xiàn)如今NASA已經(jīng)進(jìn)入工程前期的預(yù)研階段，初步看到了發(fā)展的前景[1]。

3 類(lèi)別與主要技術(shù)

3.1 電磁推射類(lèi)別

純電磁推射：通過(guò)電磁推射直接將航天器發(fā)射到太空進(jìn)入預(yù)訂軌道。適合質(zhì)量較小航天器，如微型衛(wèi)星（10～100kg）、納米衛(wèi)星（<10kg）。

火箭組合推射：利用電磁炮將單級(jí)火箭和航天器的組合體發(fā)射至一定高度，之后火箭空中點(diǎn)火攜帶航天器進(jìn)入預(yù)定軌道。適用于大型衛(wèi)星或小型宇宙飛船。

空間二次轉(zhuǎn)移推射：利用電磁炮將航天器發(fā)射到太空，然后利用空基轉(zhuǎn)移設(shè)施對(duì)航天器進(jìn)行二次轉(zhuǎn)移，進(jìn)而飛向更遠(yuǎn)的地方。主要用于遠(yuǎn)地或星際衛(wèi)星和大型宇宙飛船。

3.2 電磁推射主要技術(shù)

3.2.1 脈沖直流電機(jī)技術(shù)

可以承載控制磁場(chǎng)，并將其中的物體按照一定的方向加速的一定的速度的設(shè)備叫做脈沖直流電機(jī)。具有可承載高強(qiáng)度電流的特點(diǎn)。其核心技術(shù)主要有定子線(xiàn)圈同步放電技術(shù)等、強(qiáng)磁場(chǎng)與應(yīng)力沖擊條件下的定子線(xiàn)圈成型技術(shù)、多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合建模技術(shù)、不同高強(qiáng)度金屬材料復(fù)合工藝、軌道抗燒蝕技術(shù)、連續(xù)發(fā)射下電機(jī)冷卻技術(shù)、長(zhǎng)行程直線(xiàn)電機(jī)串聯(lián)分段與斷開(kāi)技術(shù)、多段初級(jí)直流電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)[2]。

3.2.2 發(fā)射體技術(shù)

發(fā)射器加速的對(duì)象被稱(chēng)之為發(fā)射體，發(fā)射體可以承受高強(qiáng)度的電流，利用自身的電流與外界高強(qiáng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生極大的電磁力。核心技術(shù)為：超高速運(yùn)動(dòng)體穩(wěn)定懸浮問(wèn)題、強(qiáng)感應(yīng)電流及輕量化動(dòng)子線(xiàn)圈技術(shù)、高效動(dòng)能毀傷技術(shù)、超高速一體化制導(dǎo)彈丸技術(shù)、高強(qiáng)度直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.2.3 高性能電源技術(shù)

在電磁推射過(guò)程中，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)需要脈沖電源瞬間提供足夠的能量。電源可以提供穩(wěn)定電流和瞬時(shí)電流。應(yīng)具備功率高，連續(xù)脈沖電流大的特性，因此需要高功率密度和高儲(chǔ)能度密度。核心技術(shù)為：脈沖功率絕緣電子技術(shù)、脈沖形成與波形成精確控制技術(shù)、重復(fù)頻率快速開(kāi)斷技術(shù)、高能量密度長(zhǎng)壽命脈沖電容儲(chǔ)能技術(shù)、大功率電能變換技術(shù)、飛輪能量釋放機(jī)電動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、高能量密度慣性?xún)?chǔ)能技術(shù)、混合儲(chǔ)能技術(shù)[3]。

4 電磁推射裝置的選址

由阻力公式F=（1/2）CρSV^2 可知空氣的密度越稀薄，產(chǎn)生的阻力越小，離地球軸心較遠(yuǎn)，自轉(zhuǎn)半徑較大，線(xiàn)速度越大，耗能越少。高原具有空氣密度低和地勢(shì)高的特點(diǎn)，因此將電磁推射裝置適合建在高原山上更有利用發(fā)射，如果現(xiàn)在赤道的高原上效果會(huì)更好，此外發(fā)射方向應(yīng)該朝著地球自轉(zhuǎn)的方向，這樣更有利于獲得初速度。

5 結(jié)語(yǔ)

電磁推射技術(shù)是一種新技術(shù)，然而很多技術(shù)上的問(wèn)題依舊沒(méi)有解決，如高原設(shè)施建設(shè)問(wèn)題、設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題、材料壽命問(wèn)題、激波聲障熱障問(wèn)題。因此距離實(shí)際應(yīng)用還需要再等一段時(shí)間。一旦電磁推射技術(shù)成熟，那么航天發(fā)射的成本將會(huì)大大降低，航天器發(fā)射頻率增加，太空項(xiàng)目可以更好的開(kāi)展，航天產(chǎn)業(yè)將會(huì)迎來(lái)輝煌時(shí)期。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬偉明，魯軍勇.電磁發(fā)射技術(shù)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（6）：2-3.

[2] 周勝.坑道瞬變電磁發(fā)射技術(shù)研究[D].中南大學(xué)，2002.

[3] 楊鑫，林志凱，龍志強(qiáng).電磁軌道炮及其脈沖電源技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國(guó)防科技，2016，37（3）：1-5.