航天器磁懸浮助推發射技術發展綜述

夏陳超，茍永杰

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

1 引言

電磁發射是通過將電磁能轉變為動能，實現物體高速或超高速發射的技術。它既可用于分離時末速度100 m/s量級的飛機彈射，也可用于3 km/s量級的炮彈和8 km/s量級的航天器發射。相比于傳統利用機械能或化學能發射的方式，電磁發射在效率、可靠性、安全性、可操作性等方面具有顯著優勢，是一種未來航天發射新型技術。

國外從20世紀60年代就開始研究利用電磁技術進行航天器發射，主要思路有2種:一種是電磁發射裝置起到運載火箭第一級的作用，對航天器進行助推加速，航天器再利用自身動力加速入軌，為減少摩擦阻力，一般結合磁懸浮技術。磁懸浮助推發射的基本原理是利用電流與磁場相互作用產生電磁力來平衡載荷自身的重力，實現載荷無接觸的可控、穩定懸浮與助推發射。另一種思路是將航天器加速至入軌速度從而直接進入空間，其典型應用實例是電磁軌道炮，其原理與磁懸浮助推發射相似，但所需的分離速度要求較高，適用于質量較小的航天器，對于質量較大的航天器一般需要相當長的加速軌道。

當前，絕大多數航天器均采用運載火箭結合化學推進的技術進入空間，有效載荷的平均發射成本約為每千克1萬美元。隨著人類探索空間步伐的加快，世界航天活動日益頻繁，傳統的發射從效率和經濟性等方面已難以滿足需求。相比之下，由于具有更高的發射效率和可重復使用的特點，相同的能量需求下，即使考慮建造和運營成本，磁懸浮助推發射也具有很高的經濟性。除了具有更高的效費比，磁懸浮助推發射還具有發射過程損耗和環境污染小、可重復使用率高、安全性好、載荷可簡化設計等優點，其發展和應用將對未來航天運輸體系產生重要影響，支撐大型/超大型空間基礎設施建設，以及月球/火星等深遠空空間探索任務。

磁懸浮助推發射技術是未來航天器發射的可行和理想方式，本文結合國外典型的概念設計方案，對其發展情況及相關關鍵技術進行綜述。

2 發展現狀

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

2.1 磁懸浮助推發射系統Maglifter

1994年，NASA的Mankins提出了磁懸浮助推發射系統Maglifter，馬歇爾航天飛行中心隨后對其開展了大量研究，包括方案設計和地面縮比試驗。Maglifter系統主要由助推系統(磁懸浮導軌與運載車等)、電源系統(基于儲能系統)、結構支撐系統(隧道及其環境控制等)和支持系統(運控和安裝系統等)模塊組成。該系統基于超導磁懸浮技術，利用建在山上的5～6 km長真空管道，將可重復使用航天器置于運載車上，由電磁推進加速后實現助推發射，從而大幅降低運載發射成本，實現相當高的效費比。

Maglifter系統相關的磁懸浮技術已在美國Holloman空軍基地的高速測試滑軌上進行了多次試驗，如圖1所示。據報道，2016年，美國空軍846中隊利用多級火箭推進結合低溫超導磁懸浮，將試驗裝置加速到了約1018 km/h，其未來目標速度是10倍聲速(3400 m/s)。

圖1 M aglifter磁懸浮助推發射試驗平臺[14]Fig.1 Experiment platform of the M aglifter spacecraft launch system[14]

Olds等結合Maglifter磁懸浮助推發射和火箭基組合循環發動機(RBCC)技術，提出了一種可重復使用的單級入軌航天器系統概念Argus，如圖2所示。Argus航天器總重約385 t，由磁懸浮助推系統提供地面初始速度(約240 m/s)，由液氫/液氧發動機提供主推進動力，可將約9 t貨物運往185 km高度軌道，或將5 t貨物運往國際空間站。初步分析，Argus系統的內部收益率約為28.1%，執行國際空間站貨運任務的重復性成本約為每千克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 磁懸浮空間發射系統Startram

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

Gen-1系統利用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環線與管道中布置的鋁環相互作用，為航天器產生懸浮作用力，再加上直線同步電機技術提供驅動力，使得航天器在管道中能夠穩定加速。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次的發射量，每年可將約12.8萬噸貨物送入空間。

作為升級版的Startram，Gen-2系統采用了與Gen-1類似的技術，如圖3所示。Gen-2不但可用于發射貨物，還可用于發射載人航天器，故而其加速度較低(約2～3g)，由此也導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，并由支撐結構和繩索延伸到高空，管道出口高度約20 km，降低了大氣對航天器的氣動阻力和氣動加熱。Gen-2的發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系統和Gen-2系統的主要區別如表1所示。

圖3 Gen-2系統發射航天器示意[17]Fig.3 I 2 l[l1u7]s tration of spacecraft launch by the Gen-

表1 Gen-1和Gen-2的主要區別Table 1 M ain differences between Gen-1 and Gen-2

從經濟性角度的初步分析表明，建造一套運貨用Gen-1系統的成本約200億美元，每千克有效載荷的綜合入軌成本約43美元，遠遠低于現有航天發射成本。對于兼具運貨和載人的Gen-2系統，其建造成本約670億美元，但單人次的載人飛行費用僅約1.3萬美元。綜合來看，Startram空間發射系統的經濟效益十分顯著。

2.3 航天器空中電磁發射

在空中機載平臺上配置電磁發射裝置，可以將質量較小的航天器(如微小衛星)高效經濟地發射到空間，任務上具有極強的機動靈活性，且航天器在高空所承受的空氣動力加熱作用相比地面要低得多。

在美國空軍的支持下，德克薩斯大學的聯合團隊開展了基于空中平臺電磁發射有效載荷的概念研究。在如圖4所示的C-5B(或A-380F)載機上，利用一種多級電磁發射裝置，將1～10 kg級的微小衛星直接發射進入空間，載機上所用的小型多級電磁發射裝置如圖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(未來可結合高溫超導技術)、載荷氣動熱防護、電子設備組件及機械結構抗高過載設計等方面。盡管該方案的基礎是基于等離子體電樞的電磁軌道炮技術，基于磁懸浮助推的小型航天器空中發射同樣具有可行性。

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

2.4 航天器月面電磁發射

月球具有極高的科學探索價值和豐富的礦產資源，也是人類探索深遠空間的重要基地和前哨站。獨特的空間位置結合低重力、高真空等環境特點，使其成為地球之外具有良好電磁發射應用潛力的地方。

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

20世紀60年代，William Escher提出了Lunatron方案，對在月球表面應用電磁發射技術的可行性和優缺點進行了分析，系統概念如圖6～7所示。利用布置于月球表面的超長電磁發射軌道，通過較低的加速度不斷加速并發射載荷(貨物或人員)，可用于執行月面范圍內遠距離運輸、月面出發返回地球表面、月面出發探索深空等多類任務。

圖6 月面電磁發射系統示意[23]Fig.6 Illustration of the electromagnetic launch system on the lunar surface[23]

圖7 月面電磁發射系統管道建造概念[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月球的開發成為新的研究熱點。這時期提出的月面電磁發射典型應用場景是基于電磁發射實現月面起飛，利用月球資源實現空間設施建造，相關研究涉及任務設計、系統概念方案和控制問題論證等。Bilby等提出了一種基于超導技術的月面電磁發射系統，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，每次發射可將1500 kg的質量(包含1000 kg從月球資源中獲取的液氧推進劑有效載荷)加速并送入100 km高的月球軌道，支撐更加經濟的空間資源開發和運輸任務。

近年來，Wright等回顧了以往的月面電磁發射方案，總結了月面電磁發射可重復使用、發射效率高、無廢棄物產生、低維護成本、自動化程度高等優點，同時結合對直線驅動電機、能源、熱控等關鍵技術的分析，提出了未來用于月面原位資源利用的電磁發射技術相關設想。Roesler基于電磁發射系統建立了數學模型，初步分析了月球資源利用的規模質量和成本。

2.5 國外其他研究

除了以上典型的航天器磁懸浮助推發射系統方案，國外近年來還開展了其他若干相關研究。McNab對磁懸浮助推發射和化學助推發射的經濟性進行了對比分析，其結論認為影響電磁發射系統成本的因素主要是大功率電能的存儲和傳輸。因此，大功率脈沖電源技術是提高電磁發射技術經濟性的關鍵。Schmidt等研究了一種利用電磁炮將1000 kg載荷貨物運往國際空間站的概念；Hasirci等提出了一種利用電磁炮將小衛星直接發射至低地球軌道的方案，小衛星質量100 kg，入軌速度6 km/s；Inger提出了一種利用電磁發射技術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)發射至80 km的低軌，飛行器再利用化學推進系統進行兩次機動，轉移至目標軌道；Mc-Nab最近結合航天電磁發射技術發展現狀，對發射場位置、發射角度/速度/加速度、飛行器等若干要素進行了分析，認為電磁發射技術雖有明顯潛在優勢，但客觀上與成熟的火箭發射技術相比，成熟度還較低，需加大投入對諸多方面的關鍵技術進行深入攻關；Roesler在假定月面上已有電磁發射場的情況下，分析了月球資源開發和利用的規模，建立了用于評估月面電磁發射和建造成本的質量模型；Blomberg等研究了利用電磁發射從月表往火星進行貨物轉移的可行性，若在其中結合月面原位資源利用技術則可進一步提升發射效益。

2.6 國內研究現狀

電磁發射主要包含了電磁彈射(主要對象是飛機、導彈)、電磁軌道炮(主要對象是彈丸)和電磁助推發射(主要對象是航天器)等幾種應用模式。近年來，國內在電磁彈射和電磁軌道炮方面的研究發展迅速，取得了不少成果，磁懸浮技術已取得較大進展且在地面軌道交通領域得到了應用。針對航天器磁懸浮助推發射，國內部分學者也已進行了初步研究。

楊文將等對比了電磁懸浮(EMS)和電動懸浮(EDS)，認為后者可提供較大懸浮間隙和較優的自適應控制能力，更適合用于助推發射。同時，基于研究的高溫超導體的EDS系統，建立了縮比試驗平臺，通過測試分析獲得不同載荷下的懸浮特性；建立了高溫超導磁懸浮測試系統，獲得了懸浮力和導向力測試結果；對可重復使用運載器磁懸浮助推發射參數進行了計算，分析了影響總體性能的優化參數。劉宇等以面向航天器地面助推發射用的高溫超導體EDS系統為研究對象，分析了磁懸浮、直線電機與能源供給、空氣動力學、運載器分離發射等方面的關鍵技術，并初步提出了解決方向。陳曉東等研究了磁懸浮助推發射裝置的空氣動力學特性并進行了風洞縮比試驗，得到了考慮地面效應影響的設計規律。段毅等從環境、發射裝置結構、航天器發動機、滑軌等多方面的影響因素出發，研究了航天器磁懸浮助推發射分離過程中的發射系統的振動及其對分離過程的影響，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動力技術的可重復使用航天器發射系統概念方案(圖8)，分析了利用常導磁懸浮技術進行助推發射的可行性。李揚等研究了航天發射用的超導電動磁懸浮技術，并設計了懸浮導向系統方案?？傮w而言，國內在航天器磁懸浮助推發射方面的研究仍較少，且基本處于概念研究階段。

2.7 小結

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

綜合航天器磁懸浮助推發射技術發展情況，國外(尤其是美國)在該領域的研究起步較早。其發展過程大致可分為3個階段:第1個階段是20世紀60年代，伴隨著航天活動的興起，研究人員開始提出利用電磁能取代化學能進行航天發射，由于整體技術水平有限，大多僅是概念研究；第2個階段是20世紀80年代末至90年代初，隨著航天技術的進步，結合可重復使用航天運載器的研究熱潮，電磁助推發射的可行性研究再次興起，Maglifter是該階段的典型方案；第3個階段是21世紀以來，面向航天應用的電磁助推技術研究不斷增多，在更加注重技術和經濟可行性的同時，結合地面試驗開展關鍵技術攻關與驗證，不斷提高技術成熟度；Startram是這個階段磁懸浮助推發射的代表性方案。國內相關研究起步較晚，提出的系統方案較少，但近年來在電磁彈射、磁懸浮軌道等方面取得了較大進展，相關技術亦在不斷發展中。

3 關鍵技術分析

面向航天應用任務的磁懸浮助推發射系統涉及電磁發射模塊和航天器模塊，包括以下幾個方面的關鍵技術。

3.1 具備高發射速度的磁懸浮技術

磁懸浮技術根據原理不同可分為電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導懸浮，目前均已有較多的研究，理論上對于航天器助推發射均為可行技術。其中電磁懸浮和高溫超導懸浮具有更好的穩定性，電動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采用了低溫超導電動懸浮形成，已基于火箭動力進行了多次測試，最高速度達到1019 km/s，未來的終極目標是達到9馬赫的超高速度。盡管如此，不同技術體系的研究基礎和難點均有差異，在每秒數公里發射速度下的研究還處于初期，有必要結合航天發射任務特點和需求開展多技術體系對比，探索大承載、懸浮與導向穩定、高性能材料等難點問題，綜合考慮技術和經濟可行性，尋找適用于航天器高速發射的最優磁懸浮技術路線。

3.2 直線電機驅動與控制技術

磁懸浮助推發射系統利用能耗低、磨損小的線性電機實現對航天器的驅動，包含線性感應電機、線性直流電機和線性同步電機等幾種形式。線性感應電機動子結構簡單，動子質量小因而系統所需的附加功率較小，但由于氣隙大導致電磁能利用率低，所需線性感應電機容量非常大；線性同步電機功率因數和電磁能利用率較高，但控制魯棒性差，容易產生電壓或電流沖擊，因而控制系統較為復雜；線性直流電機的電磁力密度最高，但在高速下存在換向問題，通過取消機械換向器并使用電力電子器件實現換向，形成線性無刷直流電機，可有效解決該問題，且電磁能利用率較高，是可滿足磁懸浮發射應用較為理想的方案。對于線性無刷直流電機，涉及短時大電流作用下多相繞組絕緣、大極距電機漏磁抑制、大推力電機法向力控制與電磁干擾抑制、大推力強電流下的電機同步運行控制等方面的技術難點需要研究。

3.3 超大功率高效能源供給技術

航天器磁懸浮助推發射對電能具有極高的需求，實現對數十噸級航天器的助推需要數百兆瓦電功率，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間內進行供給與傳輸，即脈沖電源。高頻次的電磁發射任務對小型、高效、經濟的電源系統提出了很高的要求。從初級能源的角度而言，目前脈沖電源一般采用汽輪機發電結合儲能技術。除了常規發電方式，核電源具有能量自主產生并不受光照等外界影響、能量密度和功率大、可模塊化設計和使用、體積質量較小等優勢，是未來具有較高綜合性價比的大功率電能供給技術。在核能應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堆電源，結合高密度儲能技術，來實現對磁懸浮助推系統的大功率電能供給。從典型儲能形式來看，化學儲能成本適中，適合大規模利用，但使用壽命較短、效率較低；超級電容儲能功率密度高、壽命長，但能量密度較低且成本較高；超導磁儲能功率密度高、壽命長，但需低溫維持且成本較高；飛輪儲能能量密度和效率較高、壽命長、響應快、可行性相對較高，實際應用中還需結合各技術的發展情況進行優選。

3.4 適應助推發射的航天器設計技術

不同的發射方式直接影響著航天器的設計，電磁助推發射顯著區別于傳統運載火箭發射，對航天器的設計提出了新的要求。作為磁懸浮助推發射的主載荷，航天器需結合電磁發射方式和具體任務模式的特點進行必要的適應性設計。在磁懸浮航天發射技術尚未實現工程應用階段，針對采用磁懸浮助推發射的航天器研究目前還較少。后續研究方向主要聚焦以下方面:①航天器與磁懸浮發射系統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射系統的安全分離；接口形式盡可能實現通用和統一，便于發射系統與載荷的高效結合，提高發射頻次和綜合任務效能。②航天器加速過程中與空氣有強烈的相互作用，既產生了很大的阻力也影響了系統穩定性，因而需對氣動布局進行合理設計，確保具有良好的氣動特性，對于超高速發射的航天器還需進一步考慮氣動熱設計與防護。③航天器系統結構和器件等應能適應高加速過載，以滿足超高速加速助推發射需求。

4 結束語

空間探測和利用活動的日益頻繁，對經濟、高效、可重復使用的航天發射能力提出了迫切需求。在傳統基于化學能的運載火箭發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射是未來航天發射理想的技術方式之一，國內外已開展了較多的研究并提出了多個概念方案。隨著磁懸浮穩定控制與導向、大功率脈沖電源供給、高速直線電機驅動、高溫超導新材料等技術的發展，磁懸浮技術的應用將越來越廣，可逐步從中低速的軌道交通領域拓展至超高速的航天發射領域。未來，磁懸浮助推發射將實現航天器及其他有效載荷更加經濟、高效地進入空間，對航天運輸體系帶來革命性影響。隨著技術逐步成熟，磁懸浮助推發射技術還可應用于空間或者月球等其他場合，支撐地外空間資源的開發利用，以及更遠深空的科學探索。