航天器磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展綜述

夏陳超，茍永杰

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海航天技術(shù)研究院北京研發(fā)中心，北京100081)

1 引言

電磁發(fā)射是通過將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，實(shí)現(xiàn)物體高速或超高速發(fā)射的技術(shù)。它既可用于分離時(shí)末速度100 m/s量級(jí)的飛機(jī)彈射，也可用于3 km/s量級(jí)的炮彈和8 km/s量級(jí)的航天器發(fā)射。相比于傳統(tǒng)利用機(jī)械能或化學(xué)能發(fā)射的方式，電磁發(fā)射在效率、可靠性、安全性、可操作性等方面具有顯著優(yōu)勢，是一種未來航天發(fā)射新型技術(shù)。

國外從20世紀(jì)60年代就開始研究利用電磁技術(shù)進(jìn)行航天器發(fā)射，主要思路有2種:一種是電磁發(fā)射裝置起到運(yùn)載火箭第一級(jí)的作用，對(duì)航天器進(jìn)行助推加速，航天器再利用自身動(dòng)力加速入軌，為減少摩擦阻力，一般結(jié)合磁懸浮技術(shù)。磁懸浮助推發(fā)射的基本原理是利用電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力來平衡載荷自身的重力，實(shí)現(xiàn)載荷無接觸的可控、穩(wěn)定懸浮與助推發(fā)射。另一種思路是將航天器加速至入軌速度從而直接進(jìn)入空間，其典型應(yīng)用實(shí)例是電磁軌道炮，其原理與磁懸浮助推發(fā)射相似，但所需的分離速度要求較高，適用于質(zhì)量較小的航天器，對(duì)于質(zhì)量較大的航天器一般需要相當(dāng)長的加速軌道。

當(dāng)前，絕大多數(shù)航天器均采用運(yùn)載火箭結(jié)合化學(xué)推進(jìn)的技術(shù)進(jìn)入空間，有效載荷的平均發(fā)射成本約為每千克1萬美元。隨著人類探索空間步伐的加快，世界航天活動(dòng)日益頻繁，傳統(tǒng)的發(fā)射從效率和經(jīng)濟(jì)性等方面已難以滿足需求。相比之下，由于具有更高的發(fā)射效率和可重復(fù)使用的特點(diǎn)，相同的能量需求下，即使考慮建造和運(yùn)營成本，磁懸浮助推發(fā)射也具有很高的經(jīng)濟(jì)性。除了具有更高的效費(fèi)比，磁懸浮助推發(fā)射還具有發(fā)射過程損耗和環(huán)境污染小、可重復(fù)使用率高、安全性好、載荷可簡化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)未來航天運(yùn)輸體系產(chǎn)生重要影響，支撐大型/超大型空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及月球/火星等深遠(yuǎn)空空間探索任務(wù)。

磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)是未來航天器發(fā)射的可行和理想方式，本文結(jié)合國外典型的概念設(shè)計(jì)方案，對(duì)其發(fā)展情況及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

為降低航天發(fā)射成本，國外從20世紀(jì)60年代開始探索基于電磁技術(shù)的空間發(fā)射概念，先后提出了多個(gè)面向航天任務(wù)的航天器助推發(fā)射技術(shù)概念和方案，應(yīng)用場景涉及地面到空中，甚至月球表面。國內(nèi)在近些年也開展了相關(guān)技術(shù)的前期探索與研究。

2.1 磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)Maglifter

1994年，NASA的Mankins提出了磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)Maglifter，馬歇爾航天飛行中心隨后對(duì)其開展了大量研究，包括方案設(shè)計(jì)和地面縮比試驗(yàn)。Maglifter系統(tǒng)主要由助推系統(tǒng)(磁懸浮導(dǎo)軌與運(yùn)載車等)、電源系統(tǒng)(基于儲(chǔ)能系統(tǒng))、結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)(隧道及其環(huán)境控制等)和支持系統(tǒng)(運(yùn)控和安裝系統(tǒng)等)模塊組成。該系統(tǒng)基于超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，利用建在山上的5～6 km長真空管道，將可重復(fù)使用航天器置于運(yùn)載車上，由電磁推進(jìn)加速后實(shí)現(xiàn)助推發(fā)射，從而大幅降低運(yùn)載發(fā)射成本，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的效費(fèi)比。

Maglifter系統(tǒng)相關(guān)的磁懸浮技術(shù)已在美國Holloman空軍基地的高速測試滑軌上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，如圖1所示。據(jù)報(bào)道，2016年，美國空軍846中隊(duì)利用多級(jí)火箭推進(jìn)結(jié)合低溫超導(dǎo)磁懸浮，將試驗(yàn)裝置加速到了約1018 km/h，其未來目標(biāo)速度是10倍聲速(3400 m/s)。

圖1 M aglifter磁懸浮助推發(fā)射試驗(yàn)平臺(tái)[14]Fig.1 Experiment platform of the M aglifter spacecraft launch system[14]

Olds等結(jié)合Maglifter磁懸浮助推發(fā)射和火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(RBCC)技術(shù)，提出了一種可重復(fù)使用的單級(jí)入軌航天器系統(tǒng)概念A(yù)rgus，如圖2所示。Argus航天器總重約385 t，由磁懸浮助推系統(tǒng)提供地面初始速度(約240 m/s)，由液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)提供主推進(jìn)動(dòng)力，可將約9 t貨物運(yùn)往185 km高度軌道，或?qū)? t貨物運(yùn)往國際空間站。初步分析，Argus系統(tǒng)的內(nèi)部收益率約為28.1%，執(zhí)行國際空間站貨運(yùn)任務(wù)的重復(fù)性成本約為每千克370美元。

圖2 基于磁懸浮助推的Argus航天器概念示意[15]Fig.2 Illustration of the Argus vehiclew ith M aglifter launch assist[15]

2.2 磁懸浮空間發(fā)射系統(tǒng)Startram

Startram是美國約翰-霍普金斯大學(xué)Powell等提出的一種基于電磁助推的航天器發(fā)射系統(tǒng)方案，通過結(jié)合超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和真空管道來向低地球軌道空間發(fā)射貨物或人員。其中，只能發(fā)射貨物的為Gen-1系統(tǒng)，兼具貨物和人員發(fā)射的為Gen-2系統(tǒng)。

Gen-1系統(tǒng)利用130 km長的真空管道將航天器送入低地球軌道。航天器上布置的多條超導(dǎo)環(huán)線與管道中布置的鋁環(huán)相互作用，為航天器產(chǎn)生懸浮作用力，再加上直線同步電機(jī)技術(shù)提供驅(qū)動(dòng)力，使得航天器在管道中能夠穩(wěn)定加速。管道中加速度300 m/s，出口高度6000 m，出口速度8.78 km/s(貨包穿過大氣將會(huì)有0.78 km/s左右的速度衰減)。航天器直徑2 m，長度13 m，總重40 t(其中有效載荷35 t)。以每天10次的發(fā)射量，每年可將約12.8萬噸貨物送入空間。

作為升級(jí)版的Startram，Gen-2系統(tǒng)采用了與Gen-1類似的技術(shù)，如圖3所示。Gen-2不但可用于發(fā)射貨物，還可用于發(fā)射載人航天器，故而其加速度較低(約2～3g)，由此也導(dǎo)致了其真空加速管道更長(約1000 km)。由于管道過長，部分管道布置于地面，并由支撐結(jié)構(gòu)和繩索延伸到高空，管道出口高度約20 km，降低了大氣對(duì)航天器的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)加熱。Gen-2的發(fā)射能力是每年可將超過30萬噸貨物和40萬名旅客送入空間站。Gen-1系統(tǒng)和Gen-2系統(tǒng)的主要區(qū)別如表1所示。

圖3 Gen-2系統(tǒng)發(fā)射航天器示意[17]Fig.3 I 2 l[l1u7]s tration of spacecraft launch by the Gen-

表1 Gen-1和Gen-2的主要區(qū)別Table 1 M ain differences between Gen-1 and Gen-2

從經(jīng)濟(jì)性角度的初步分析表明，建造一套運(yùn)貨用Gen-1系統(tǒng)的成本約200億美元，每千克有效載荷的綜合入軌成本約43美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有航天發(fā)射成本。對(duì)于兼具運(yùn)貨和載人的Gen-2系統(tǒng)，其建造成本約670億美元，但單人次的載人飛行費(fèi)用僅約1.3萬美元。綜合來看，Startram空間發(fā)射系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2.3 航天器空中電磁發(fā)射

在空中機(jī)載平臺(tái)上配置電磁發(fā)射裝置，可以將質(zhì)量較小的航天器(如微小衛(wèi)星)高效經(jīng)濟(jì)地發(fā)射到空間，任務(wù)上具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)靈活性，且航天器在高空所承受的空氣動(dòng)力加熱作用相比地面要低得多。

在美國空軍的支持下，德克薩斯大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開展了基于空中平臺(tái)電磁發(fā)射有效載荷的概念研究。在如圖4所示的C-5B(或A-380F)載機(jī)上，利用一種多級(jí)電磁發(fā)射裝置，將1～10 kg級(jí)的微小衛(wèi)星直接發(fā)射進(jìn)入空間，載機(jī)上所用的小型多級(jí)電磁發(fā)射裝置如圖5所示。為了使載荷具備超過7 km/s的速度，需解決的問題包括大容量輕量化脈沖電源(未來可結(jié)合高溫超導(dǎo)技術(shù))、載荷氣動(dòng)熱防護(hù)、電子設(shè)備組件及機(jī)械結(jié)構(gòu)抗高過載設(shè)計(jì)等方面。盡管該方案的基礎(chǔ)是基于等離子體電樞的電磁軌道炮技術(shù)，基于磁懸浮助推的小型航天器空中發(fā)射同樣具有可行性。

圖4 航天器空中電磁發(fā)射概念[18]Fig.4 Illustration of the airborne electromagnetic launch to space[18]

2.4 航天器月面電磁發(fā)射

月球具有極高的科學(xué)探索價(jià)值和豐富的礦產(chǎn)資源，也是人類探索深遠(yuǎn)空間的重要基地和前哨站。獨(dú)特的空間位置結(jié)合低重力、高真空等環(huán)境特點(diǎn)，使其成為地球之外具有良好電磁發(fā)射應(yīng)用潛力的地方。

圖5 空中發(fā)射所用的多級(jí)電磁發(fā)射裝置[18]Fig.5 Illustration of the multistage electromagnetic device for airborne launch[18]

20世紀(jì)60年代，William Escher提出了Lunatron方案，對(duì)在月球表面應(yīng)用電磁發(fā)射技術(shù)的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)概念如圖6～7所示。利用布置于月球表面的超長電磁發(fā)射軌道，通過較低的加速度不斷加速并發(fā)射載荷(貨物或人員)，可用于執(zhí)行月面范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、月面出發(fā)返回地球表面、月面出發(fā)探索深空等多類任務(wù)。

圖6 月面電磁發(fā)射系統(tǒng)示意[23]Fig.6 Illustration of the electromagnetic launch system on the lunar surface[23]

圖7 月面電磁發(fā)射系統(tǒng)管道建造概念[23]Fig.7 Concept of the construction of tube for electromagnetic launch system on the lunar surface[23]

20世紀(jì)70至80年代，隨著美國載人登月工程接近尾聲，如何尋求替代方案以支撐對(duì)月球的開發(fā)成為新的研究熱點(diǎn)。這時(shí)期提出的月面電磁發(fā)射典型應(yīng)用場景是基于電磁發(fā)射實(shí)現(xiàn)月面起飛，利用月球資源實(shí)現(xiàn)空間設(shè)施建造，相關(guān)研究涉及任務(wù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)概念方案和控制問題論證等。Bilby等提出了一種基于超導(dǎo)技術(shù)的月面電磁發(fā)射系統(tǒng)，總重256 t，加速軌道長150 m，出口速度1700 m/s，單次電功率需求350 kW，每次發(fā)射可將1500 kg的質(zhì)量(包含1000 kg從月球資源中獲取的液氧推進(jìn)劑有效載荷)加速并送入100 km高的月球軌道，支撐更加經(jīng)濟(jì)的空間資源開發(fā)和運(yùn)輸任務(wù)。

近年來，Wright等回顧了以往的月面電磁發(fā)射方案，總結(jié)了月面電磁發(fā)射可重復(fù)使用、發(fā)射效率高、無廢棄物產(chǎn)生、低維護(hù)成本、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合對(duì)直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、能源、熱控等關(guān)鍵技術(shù)的分析，提出了未來用于月面原位資源利用的電磁發(fā)射技術(shù)相關(guān)設(shè)想。Roesler基于電磁發(fā)射系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，初步分析了月球資源利用的規(guī)模質(zhì)量和成本。

2.5 國外其他研究

除了以上典型的航天器磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)方案，國外近年來還開展了其他若干相關(guān)研究。McNab對(duì)磁懸浮助推發(fā)射和化學(xué)助推發(fā)射的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)論認(rèn)為影響電磁發(fā)射系統(tǒng)成本的因素主要是大功率電能的存儲(chǔ)和傳輸。因此，大功率脈沖電源技術(shù)是提高電磁發(fā)射技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。Schmidt等研究了一種利用電磁炮將1000 kg載荷貨物運(yùn)往國際空間站的概念；Hasirci等提出了一種利用電磁炮將小衛(wèi)星直接發(fā)射至低地球軌道的方案，小衛(wèi)星質(zhì)量100 kg，入軌速度6 km/s；Inger提出了一種利用電磁發(fā)射技術(shù)往地球同步軌道投送載荷的方案，線圈炮先將1000 kg的飛行器(其中有效載荷560 kg)發(fā)射至80 km的低軌，飛行器再利用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行兩次機(jī)動(dòng)，轉(zhuǎn)移至目標(biāo)軌道；Mc-Nab最近結(jié)合航天電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)發(fā)射場位置、發(fā)射角度/速度/加速度、飛行器等若干要素進(jìn)行了分析，認(rèn)為電磁發(fā)射技術(shù)雖有明顯潛在優(yōu)勢，但客觀上與成熟的火箭發(fā)射技術(shù)相比，成熟度還較低，需加大投入對(duì)諸多方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入攻關(guān)；Roesler在假定月面上已有電磁發(fā)射場的情況下，分析了月球資源開發(fā)和利用的規(guī)模，建立了用于評(píng)估月面電磁發(fā)射和建造成本的質(zhì)量模型；Blomberg等研究了利用電磁發(fā)射從月表往火星進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)移的可行性，若在其中結(jié)合月面原位資源利用技術(shù)則可進(jìn)一步提升發(fā)射效益。

2.6 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

電磁發(fā)射主要包含了電磁彈射(主要對(duì)象是飛機(jī)、導(dǎo)彈)、電磁軌道炮(主要對(duì)象是彈丸)和電磁助推發(fā)射(主要對(duì)象是航天器)等幾種應(yīng)用模式。近年來，國內(nèi)在電磁彈射和電磁軌道炮方面的研究發(fā)展迅速，取得了不少成果，磁懸浮技術(shù)已取得較大進(jìn)展且在地面軌道交通領(lǐng)域得到了應(yīng)用。針對(duì)航天器磁懸浮助推發(fā)射，國內(nèi)部分學(xué)者也已進(jìn)行了初步研究。

楊文將等對(duì)比了電磁懸浮(EMS)和電動(dòng)懸浮(EDS)，認(rèn)為后者可提供較大懸浮間隙和較優(yōu)的自適應(yīng)控制能力，更適合用于助推發(fā)射。同時(shí)，基于研究的高溫超導(dǎo)體的EDS系統(tǒng)，建立了縮比試驗(yàn)平臺(tái)，通過測試分析獲得不同載荷下的懸浮特性；建立了高溫超導(dǎo)磁懸浮測試系統(tǒng)，獲得了懸浮力和導(dǎo)向力測試結(jié)果；對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器磁懸浮助推發(fā)射參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了影響總體性能的優(yōu)化參數(shù)。劉宇等以面向航天器地面助推發(fā)射用的高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了磁懸浮、直線電機(jī)與能源供給、空氣動(dòng)力學(xué)、運(yùn)載器分離發(fā)射等方面的關(guān)鍵技術(shù)，并初步提出了解決方向。陳曉東等研究了磁懸浮助推發(fā)射裝置的空氣動(dòng)力學(xué)特性并進(jìn)行了風(fēng)洞縮比試驗(yàn)，得到了考慮地面效應(yīng)影響的設(shè)計(jì)規(guī)律。段毅等從環(huán)境、發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)、航天器發(fā)動(dòng)機(jī)、滑軌等多方面的影響因素出發(fā)，研究了航天器磁懸浮助推發(fā)射分離過程中的發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)及其對(duì)分離過程的影響，以盡可能充分地考慮航天器與滑撬的安全分離。趙金才等提出了一種基于磁懸浮和火箭基組合循環(huán)動(dòng)力技術(shù)的可重復(fù)使用航天器發(fā)射系統(tǒng)概念方案(圖8)，分析了利用常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)進(jìn)行助推發(fā)射的可行性。李揚(yáng)等研究了航天發(fā)射用的超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮技術(shù)，并設(shè)計(jì)了懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)方案?？傮w而言，國內(nèi)在航天器磁懸浮助推發(fā)射方面的研究仍較少，且基本處于概念研究階段。

2.7 小結(jié)

圖8 磁懸浮助推發(fā)射航天器示意[41]Fig.8 Illustration of maglev assist launch of spacecraft[41]

綜合航天器磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)發(fā)展情況，國外(尤其是美國)在該領(lǐng)域的研究起步較早。其發(fā)展過程大致可分為3個(gè)階段:第1個(gè)階段是20世紀(jì)60年代，伴隨著航天活動(dòng)的興起，研究人員開始提出利用電磁能取代化學(xué)能進(jìn)行航天發(fā)射，由于整體技術(shù)水平有限，大多僅是概念研究；第2個(gè)階段是20世紀(jì)80年代末至90年代初，隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合可重復(fù)使用航天運(yùn)載器的研究熱潮，電磁助推發(fā)射的可行性研究再次興起，Maglifter是該階段的典型方案；第3個(gè)階段是21世紀(jì)以來，面向航天應(yīng)用的電磁助推技術(shù)研究不斷增多，在更加注重技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性的同時(shí)，結(jié)合地面試驗(yàn)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證，不斷提高技術(shù)成熟度；Startram是這個(gè)階段磁懸浮助推發(fā)射的代表性方案。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，提出的系統(tǒng)方案較少，但近年來在電磁彈射、磁懸浮軌道等方面取得了較大進(jìn)展，相關(guān)技術(shù)亦在不斷發(fā)展中。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

面向航天應(yīng)用任務(wù)的磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)涉及電磁發(fā)射模塊和航天器模塊，包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 具備高發(fā)射速度的磁懸浮技術(shù)

磁懸浮技術(shù)根據(jù)原理不同可分為電磁懸浮、電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)懸浮，目前均已有較多的研究，理論上對(duì)于航天器助推發(fā)射均為可行技術(shù)。其中電磁懸浮和高溫超導(dǎo)懸浮具有更好的穩(wěn)定性，電動(dòng)懸浮具有更好的懸浮效率。不管采用哪種形式，與真空管道的結(jié)合是減少空氣阻力作用的必然選擇。美國霍洛曼空軍基地的高速滑撬系統(tǒng)采用了低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮形成，已基于火箭動(dòng)力進(jìn)行了多次測試，最高速度達(dá)到1019 km/s，未來的終極目標(biāo)是達(dá)到9馬赫的超高速度。盡管如此，不同技術(shù)體系的研究基礎(chǔ)和難點(diǎn)均有差異，在每秒數(shù)公里發(fā)射速度下的研究還處于初期，有必要結(jié)合航天發(fā)射任務(wù)特點(diǎn)和需求開展多技術(shù)體系對(duì)比，探索大承載、懸浮與導(dǎo)向穩(wěn)定、高性能材料等難點(diǎn)問題，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，尋找適用于航天器高速發(fā)射的最優(yōu)磁懸浮技術(shù)路線。

3.2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)

磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)利用能耗低、磨損小的線性電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的驅(qū)動(dòng)，包含線性感應(yīng)電機(jī)、線性直流電機(jī)和線性同步電機(jī)等幾種形式。線性感應(yīng)電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)子質(zhì)量小因而系統(tǒng)所需的附加功率較小，但由于氣隙大導(dǎo)致電磁能利用率低，所需線性感應(yīng)電機(jī)容量非常大；線性同步電機(jī)功率因數(shù)和電磁能利用率較高，但控制魯棒性差，容易產(chǎn)生電壓或電流沖擊，因而控制系統(tǒng)較為復(fù)雜；線性直流電機(jī)的電磁力密度最高，但在高速下存在換向問題，通過取消機(jī)械換向器并使用電力電子器件實(shí)現(xiàn)換向，形成線性無刷直流電機(jī)，可有效解決該問題，且電磁能利用率較高，是可滿足磁懸浮發(fā)射應(yīng)用較為理想的方案。對(duì)于線性無刷直流電機(jī)，涉及短時(shí)大電流作用下多相繞組絕緣、大極距電機(jī)漏磁抑制、大推力電機(jī)法向力控制與電磁干擾抑制、大推力強(qiáng)電流下的電機(jī)同步運(yùn)行控制等方面的技術(shù)難點(diǎn)需要研究。

3.3 超大功率高效能源供給技術(shù)

航天器磁懸浮助推發(fā)射對(duì)電能具有極高的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十噸級(jí)航天器的助推需要數(shù)百兆瓦電功率，若要助推加速至8 km/s左右的入軌速度，需要數(shù)十甚至上百吉瓦功率，工作電壓高、電流大，且超大功率能源需要在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行供給與傳輸，即脈沖電源。高頻次的電磁發(fā)射任務(wù)對(duì)小型、高效、經(jīng)濟(jì)的電源系統(tǒng)提出了很高的要求。從初級(jí)能源的角度而言，目前脈沖電源一般采用汽輪機(jī)發(fā)電結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)。除了常規(guī)發(fā)電方式，核電源具有能量自主產(chǎn)生并不受光照等外界影響、能量密度和功率大、可模塊化設(shè)計(jì)和使用、體積質(zhì)量較小等優(yōu)勢，是未來具有較高綜合性價(jià)比的大功率電能供給技術(shù)。在核能應(yīng)用日漸成熟的情況下，未來地球表面、空間以及月球等其他星表均可采用小型化的大功率核反應(yīng)堆電源，結(jié)合高密度儲(chǔ)能技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮助推系統(tǒng)的大功率電能供給。從典型儲(chǔ)能形式來看，化學(xué)儲(chǔ)能成本適中，適合大規(guī)模利用，但使用壽命較短、效率較低；超級(jí)電容儲(chǔ)能功率密度高、壽命長，但能量密度較低且成本較高；超導(dǎo)磁儲(chǔ)能功率密度高、壽命長，但需低溫維持且成本較高；飛輪儲(chǔ)能能量密度和效率較高、壽命長、響應(yīng)快、可行性相對(duì)較高，實(shí)際應(yīng)用中還需結(jié)合各技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行優(yōu)選。

3.4 適應(yīng)助推發(fā)射的航天器設(shè)計(jì)技術(shù)

不同的發(fā)射方式直接影響著航天器的設(shè)計(jì)，電磁助推發(fā)射顯著區(qū)別于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭發(fā)射，對(duì)航天器的設(shè)計(jì)提出了新的要求。作為磁懸浮助推發(fā)射的主載荷，航天器需結(jié)合電磁發(fā)射方式和具體任務(wù)模式的特點(diǎn)進(jìn)行必要的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。在磁懸浮航天發(fā)射技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用階段，針對(duì)采用磁懸浮助推發(fā)射的航天器研究目前還較少。后續(xù)研究方向主要聚焦以下方面:①航天器與磁懸浮發(fā)射系統(tǒng)需有安全可靠且有效的連接方式，確保航天器航天器與助推發(fā)射系統(tǒng)的安全分離；接口形式盡可能實(shí)現(xiàn)通用和統(tǒng)一，便于發(fā)射系統(tǒng)與載荷的高效結(jié)合，提高發(fā)射頻次和綜合任務(wù)效能。②航天器加速過程中與空氣有強(qiáng)烈的相互作用，既產(chǎn)生了很大的阻力也影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性，因而需對(duì)氣動(dòng)布局進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保具有良好的氣動(dòng)特性，對(duì)于超高速發(fā)射的航天器還需進(jìn)一步考慮氣動(dòng)熱設(shè)計(jì)與防護(hù)。③航天器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和器件等應(yīng)能適應(yīng)高加速過載，以滿足超高速加速助推發(fā)射需求。

4 結(jié)束語

空間探測和利用活動(dòng)的日益頻繁，對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效、可重復(fù)使用的航天發(fā)射能力提出了迫切需求。在傳統(tǒng)基于化學(xué)能的運(yùn)載火箭發(fā)射方式能量利用效率難以大幅提高的情況下，基于電磁能的磁懸浮助推發(fā)射是未來航天發(fā)射理想的技術(shù)方式之一，國內(nèi)外已開展了較多的研究并提出了多個(gè)概念方案。隨著磁懸浮穩(wěn)定控制與導(dǎo)向、大功率脈沖電源供給、高速直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高溫超導(dǎo)新材料等技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣，可逐步從中低速的軌道交通領(lǐng)域拓展至超高速的航天發(fā)射領(lǐng)域。未來，磁懸浮助推發(fā)射將實(shí)現(xiàn)航天器及其他有效載荷更加經(jīng)濟(jì)、高效地進(jìn)入空間，對(duì)航天運(yùn)輸體系帶來革命性影響。隨著技術(shù)逐步成熟，磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)還可應(yīng)用于空間或者月球等其他場合，支撐地外空間資源的開發(fā)利用，以及更遠(yuǎn)深空的科學(xué)探索。