航天器电磁推射技术的构成与发展思路的研究

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　　摘 要：一种新式的航天器发射技术：航天器电磁推射技术。它彻底改变了火箭自发明以来的推进模式，采用电磁力推进，储存动能为主要能量，具有成本低、可靠性高、速度快、不易拦截等优良性能，具有极大的经济价值和军事战略价值，是未来航天发射的最佳手段，战争太空卫星补网的首选。本文总结了航天器电磁推射构想的起源，总结了其发展现状、基本原理和亟待解决的技术难题，提出了空间二次转移的概念设想，并对未来的发展前景进行展望与研究。
　　关键词：电磁推射 航天发射 军民两用
　　中图分类号：V419 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0010-02
　　传统的火箭以化学能为主要能源，化学能火箭存在诸多问题。如准备秏时、发射成本高、环境污染、失败率高……随之而来的便是投入与回报不成正比，利润下降。电磁推射是一种全新概念的航天器火箭发射方式，利用了洛伦兹力的加速原理，采用了直接动能飞行模式，具有及其广阔的发展空间。电磁推射和化学火箭相比具有完全不同的发射原理，具有造价低、可控性强、适应多种发射、能量可控制、可高频率发射，可经济的往太空投送小型卫星和资源。尤其是在战争过程中，太空卫星网络很容易遭到敌方反卫星武器的攻击，造成卫星网损毁，而此时发射化学火箭补给卫星很容易遭到拦截，因此电磁推测法发射火箭成为唯一的思路。
　　1 电磁推射的基本原理
　　电磁推射的装置主要包括大型脉冲电源、电力可控装置、金属平行轨道、载流中枢、承载的航天器、绝缘固定装置。电枢进入轨道闭合开关，电流经过后膛在轨道中流动，形成了一个闭合回路。在兩侧轨道形成的反向电流之间产生磁场，对其电枢产生电磁力的作用。此时电流值迅速增加，在短时间内达到万安甚至兆安，此时电枢将受到强大的洛伦兹力作用，将带着载荷以极高的加速度向发射口移动。
　　2 电磁推射的来源与发展
　　2.1 炮弹飞出地球的构想与尝试
　　自从炮弹发明以来，人类始终尝试着让炮弹飞得更远，人们发现炮弹的初速度越大角度越合适，其飞行的距离越远。在人们认清地球的形状之后，就开始讨论炮弹如何克服地球引力飞出地球的问题。1960年，吉拉德·布尔博士研发了一种改变人类观念的大炮巴巴多斯大炮。它曾经将190kg的炮弹以2100m/s的初速度打到180km的太空，至进无人能破。然而不幸的是布尔博士被刺杀，项目被迫终止，但是这一构想却得到了证实。
　　1980年，美国科研人员用电磁炮发射成功一颗317g的弹丸，岀膛的速度可高达4200m/s，NASA设计主持修建一个长达700m，500mm直径，30度仰角的电磁炮，将2T的试验火箭加速为4000～5000m/s，飞行到达了200km以上的高度，1990年，美国的sandia实验室主持设计了一种电磁线圈发射装置，有9700组驱动线圈构成，发射设备长960m，倾角为25°，可将600kg的电枢和1220的飞行器加速到6000m/h，加速度2000G，现如今NASA已经进入工程前期的预研阶段，初步看到了发展的前景[1]。
　　3 类别与主要技术
　　3.1 电磁推射类别
　　纯电磁推射：通过电磁推射直接将航天器发射到太空进入预订轨道。适合质量较小航天器，如微型卫星（10～100kg）、纳米卫星（<10kg）。
　　火箭组合推射：利用电磁炮将单级火箭和航天器的组合体发射至一定高度，之后火箭空中点火携带航天器进入预定轨道。适用于大型卫星或小型宇宙飞船。
　　空间二次转移推射：利用电磁炮将航天器发射到太空，然后利用空基转移设施对航天器进行二次转移，进而飞向更远的地方。主要用于远地或星际卫星和大型宇宙飞船。
　　3.2 电磁推射主要技术
　　3.2.1 脉冲直流电机技术
　　可以承载控制磁场，并将其中的物体按照一定的方向加速的一定的速度的设备叫做脉冲直流电机。具有可承载高强度电流的特点。其核心技术主要有定子线圈同步放电技术等、强磁场与应力冲击条件下的定子线圈成型技术、多物理场强耦合建模技术、不同高强度金属材料复合工艺、轨道抗烧蚀技术、连续发射下电机冷却技术、长行程直线电机串联分段与断开技术、多段初级直流电机设计技术[2]。
　　3.2.2 发射体技术
　　发射器加速的对象被称之为发射体，发射体可以承受高强度的电流，利用自身的电流与外界高强磁场相互作用产生极大的电磁力。核心技术为：超高速运动体稳定悬浮问题、强感应电流及轻量化动子线圈技术、高效动能毁伤技术、超高速一体化制导弹丸技术、高强度直线电机动子结构设计技术。
　　3.2.3 高性能电源技术
　　在电磁推射过程中，直线电动机需要脉冲电源瞬间提供足够的能量。电源可以提供稳定电流和瞬时电流。应具备功率高，连续脉冲电流大的特性，因此需要高功率密度和高储能度密度。核心技术为：脉冲功率绝缘电子技术、脉冲形成与波形成精确控制技术、重复频率快速开断技术、高能量密度长寿命脉冲电容储能技术、大功率电能变换技术、飞轮能量释放机电动态控制技术、高能量密度惯性储能技术、混合储能技术[3]。
　　4 电磁推射装置的选址
　　由阻力公式F=（1/2）CρSV^2 可知空气的密度越稀薄，产生的阻力越小，离地球轴心较远，自转半径较大，线速度越大，耗能越少。高原具有空气密度低和地势高的特点，因此将电磁推射装置适合建在高原山上更有利用发射，如果现在赤道的高原上效果会更好，此外发射方向应该朝着地球自转的方向，这样更有利于获得初速度。
　　5 结语
　　电磁推射技术是一种新技术，然而很多技术上的问题依旧没有解决，如高原设施建设问题、设备结构强度问题、材料寿命问题、激波声障热障问题。因此距离实际应用还需要再等一段时间。一旦电磁推射技术成熟，那么航天发射的成本将会大大降低，航天器发射频率增加，太空项目可以更好的开展，航天产业将会迎来辉煌时期。
　　参考文献
　　[1] 马伟明，鲁军勇.电磁发射技术[J].国防科技大学学报，2016，38（6）：2-3.
　　[2] 周胜.坑道瞬变电磁发射技术研究[D].中南大学，2002.
　　[3] 杨鑫，林志凯，龙志强.电磁轨道炮及其脉冲电源技术的研究进展[J].国防科技，2016，37（3）：1-5.
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