電磁推進技術

李小鵬 王靜西

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

1 引言

過去70年中全世界研制運載火箭和有效載荷的費用超過1萬億美元，目前每千克載荷的發射費用達到7000美元，發射的成功率為90%～98%，這些已經是當代最優秀科學家最大努力的結果。運載火箭技術已相當成熟，取得重大的突破比較困難。增加有效載荷、提高發射率和重復使用率都可以降低單位載荷的發射費用，因為大型火箭比較好的降低了發射設備費用。但是小衛星具有體積小、成本低、性能高等特點，它是衛星發展的一個趨勢。小衛星可以完成各種費用不多但很有特色的空間任務，如應急軍事偵察、衛星登陸器、星際探測、科學實驗等，小衛星發射不同大型航天器發射周期需要數年，而是數月甚至數周，即使發射失敗，損失也不會太大，這些特點對軍事具有非常重大的意義。在工程設計中小衛星更希望標準化成批生產，運載器重復使用。這些出促使人們摒棄或是改造現有技術、系統以及方法，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入太空，這種想法最早出現在科幻小說中，但隨著科學和技術的進步，這種幻想逐漸變成現實。關于電磁推進在空間領域上的應用，已經提出了兩種法案：一是用電磁推進取代第一級火箭，發射體達到一定的速度后，在需要一級火箭即可入軌。二是用電磁推進完全取代傳統的推進方式，發射體達到超高速后直接入軌。其中第二種方案中對有效載荷的要求較高，其中兩點尤為重要：熱屏蔽要好和加速榮差小。這兩點要求是很顯然的，因為若要直接入軌就必須使載荷達到很高的速度，有效載荷所受的加速度必須很高，否則加速器就得做很長，這點對節約成本和提高可靠性是不利的；高速載荷通過大氣層時與空氣摩擦，產生熱能會對本身加熱，所以熱屏蔽要好[2]。

2 直線電磁加速器的選擇

輔助推進技術的指標也可以比較寬：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量和發射速度共同確定的，若為小質量載荷且要求發射速度較高時，則采用線圈式電磁發射器或是重接式電磁發射器，因為這兩種發射器在工作過程中載荷具有自穩性，省去了磁懸浮裝置，缺點是載荷所受力波動較大。若載荷質量較大且發射速度較低時，則采用大推力直線電機作為直線電磁推進器。因為速度比較低，所以可以不用磁懸浮裝置，該種方式的優點是：載荷質量可以很大，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

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

圖2 重接式電磁發射器示意圖

重接式電磁發射與以往其它種類電磁發射相比的顯著優點是：發射體具有自穩定性，不需要懸浮裝置。發射體受到外界干擾而偏離平衡位置時，電磁力將使發射體自動校正到平衡位置。例如當sp1＞sp2時，線圈與發射體上表面間能量密度要大于發射體下表面與線圈間的能量密度，這使得發射體在y方向上受到一個向下的力，該力把發射體校正到sp1=sp2位置。盡管發射體處在不對稱的位置，但是發射體在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，發射體自穩定性能力減弱，發射體可能與線圈接觸，為了增強發射體的穩定性，一個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K1，K2，K3），此時發射體水平受力不是很大，但是增強了發射體的穩定性。發射體速度比較低時，同一個線圈內通電次數增加，隨著發射體速度增加，該次數將逐漸減少（發射體速度為10m/s時，通電次數為7次，速度為100m/s時，通電次數為 3次）。為減少電源數量和體積，可將發射體采用機械裝置為發射提供一個初速度。

若發射體的形狀是板狀金屬導體，它并不適應高速運行。因此采用雙側推進系統，如圖5所示。該裝置的優點是：①載荷符合空氣動力性要求；②載荷與加速部分分離，線圈內通大電流時，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磁場對其內部的干擾。

圖4 一個線圈的通電狀態

一級該系統載荷速度是有限的（約為幾十到幾百m/s），電磁輔助推進系統需要制成多級，達到數千米每秒（圖 6）。該輔助系統的載荷質量范圍在幾千克到幾百千克，若載荷質量很大時，該裝置并不適合。

圖5 雙側推進系統

圖6 多級重接式電磁發射裝置示意圖

4 大推力直線電機

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，這對載荷的要求較高。若載荷質量很大，而且承受的加速度有限的情況時，需要采用大推力直線電機加速載荷使火箭在點火前有一個初速度，達到節約成本的目的，此速度不能太高，否則應使用磁懸浮。

大推力直線電機可以采用兩種方案：長定子結構和長動子結構。長定子結構運動部分是磁鋼、軛鐵和載荷三部分，長動子結構運動部分是線圈、鐵心、繞組以及載荷四部分。從性能角度來看長定子結構要優于長動子結構，但系統重量會增加。長動子結構相對簡單，但應當采取一些措施來補償直線電機的端部效應對系統性能的影響，可靠性也比長定子結構差一些。因此大推力直線電機采用長定子結構。由于大推力直線電機定子很長（600m），所以采用分段結構，分段的主要目的就是提高力能指標和系統效率，定子每段長度為1m，每段直線電機定子均采用雙邊對稱結構，此結構不但可以增加系統的出力指標，而且雙側定子對動子的吸引力近似抵消（理想情況下完全抵消），系統結構更加緊湊。直線電機動子也采用雙側結構。

大推力直線電機采用對稱機構，兩側動子與載荷相連，其截面如圖7所示，載荷受力如圖8所示。分段結構雖然提高了力能指標和系統的效率，但增加了控制驅動系統的數量和成本，整個系統有7套驅動控制系統，其中動子與定子相對時相應的定子段繞組通電，動子同時與兩段繞組相對時，這兩段繞組同時通電，這樣做的目的是減小載荷受力波動。

5 結論

若將電磁推進技術引入空間發射領域，它必將帶來革命性變革。其中線圈式發射器適合小質量載荷，且速度要求較高的場合。大推力直線電機適合大質量載荷。兩種方式既可以減小成本，也可以提高發射的頻率。

圖7 直線電磁輔助推進器截面

圖8 分載荷受力

[1]李立毅,羅光耀,李小鵬.新型推進技術的基本原理及其應用前景[J].電工技術雜志,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.