磁懸浮發(fā)射技術(shù)課件

1、磁懸浮推進(jìn)技術(shù)研究宇航學(xué)院403教研室劉宇 楊文將 溫正 段毅 陳曉東主要內(nèi)容航天運(yùn)載器磁懸浮發(fā)射技術(shù)概念磁懸浮列車技術(shù)各種磁懸浮系統(tǒng)的綜合比較高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)基礎(chǔ)理論及方案高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究未來發(fā)展展望思考題一、航天運(yùn)載器磁懸浮發(fā)射技術(shù)概念應(yīng)用對象：水平起飛可重復(fù)使用運(yùn)載器或空天飛機(jī)；意義及作用：達(dá)到較高的運(yùn)載器地面起飛速度，如0.8Ma，這一速度利于提高運(yùn)載器總體（燃料消耗、推重比、翼型質(zhì)量）性能，降低發(fā)射成本；技術(shù)特點(diǎn)：采用無摩擦高效的電磁作用的磁懸浮技術(shù)和直線電機(jī)技術(shù)。磁懸浮發(fā)射二、磁懸浮列車技術(shù)(1) 傳統(tǒng)輪軌式機(jī)車特點(diǎn)：機(jī)械接觸，高速運(yùn)行穩(wěn)定性差，速度極限400km/

2、h左右。(2) 磁懸浮技術(shù)特點(diǎn)及目的：實(shí)現(xiàn)低阻力高速穩(wěn)定運(yùn)行。磁懸浮技術(shù)原理：采用電磁感應(yīng)作用原理實(shí)現(xiàn)懸浮和推進(jìn)；低阻力：磁懸浮，磁場不均勻造成的磁摩擦相對于機(jī)械摩擦小幾個量級；高穩(wěn)定：磁懸浮系統(tǒng)大大簡化機(jī)械機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)高速動態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性提高。磁懸浮技術(shù)特點(diǎn)磁懸浮列車發(fā)展簡史1922年，赫爾曼肯佩爾構(gòu)思應(yīng)用電磁懸浮原理使火車浮離地面，并于1934年8月14獲得專利；德國在1971年-1999年，先后研究發(fā)展了TR01-TR08八個型號的載人磁懸浮列車，最高運(yùn)行速度500公里/小時；日本在1970年-1999年，先后研究發(fā)展了ML，MLU，MLX三個系列的超導(dǎo)磁懸浮列車，最高運(yùn)行速度達(dá)到550公

3、里/小時。2003年，世界第一條商業(yè)運(yùn)行線在我國上海投入運(yùn)行，運(yùn)行時速達(dá)到430km/h，從而磁懸浮列車技術(shù)的新篇章。德國常導(dǎo)吸浮EMS型磁懸浮列車?yán)脤?dǎo)磁材料與電磁鐵間的吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮倒掛式懸浮；電磁吸引力為不穩(wěn)定力，需要復(fù)雜控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電磁力使懸浮氣隙維持在一定數(shù)值上；高速情況下，EMS系統(tǒng)需要獨(dú)立的水平導(dǎo)向系統(tǒng)；系統(tǒng)靜止懸浮，但懸浮高度僅10mm 左右，對于控制系統(tǒng)的要求很高，因此較適用于低速運(yùn)行環(huán)境。目前上海磁懸浮列車運(yùn)營線采用此種系統(tǒng)，運(yùn)行速度430km/h左右。常導(dǎo)吸浮EMS系統(tǒng)日本超導(dǎo)斥浮EDS系統(tǒng)磁懸浮列車低溫超導(dǎo)磁體（NbTi）與短路線圈間的排斥力實(shí)現(xiàn)懸浮，“8”字型零磁通線

4、圈實(shí)現(xiàn)懸浮導(dǎo)向一體化；自穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)，控制系統(tǒng)要求低，但乘坐舒適性差；懸浮高度100mm以上，對軌道加工精度和安裝要求低；超導(dǎo)磁體工作在液氦溫度(4.2K)，需要復(fù)雜高成本的車載低溫冷卻系統(tǒng)技術(shù)瓶頸；非靜止懸浮，低速需輪軌支撐；時速達(dá)550km/h，適合于高速運(yùn)行，受成本和舒適性限制，目前無商業(yè)運(yùn)營線。超導(dǎo)斥浮EDS系統(tǒng)三、各種磁懸浮系統(tǒng)的綜合比較由于德國常導(dǎo)吸浮EMS系統(tǒng)存在懸浮氣隙小、控制系統(tǒng)復(fù)雜，日本超導(dǎo)斥浮EDS系統(tǒng)存在低速下無法懸浮、需要高成本液氦低溫系統(tǒng)維持等缺點(diǎn)，近幾年又發(fā)展了新型的磁懸浮系統(tǒng)型式，主要為：高溫超導(dǎo)EMS系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)塊材EDS系統(tǒng)。 其技術(shù)發(fā)展趨向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)磁體

5、、低成本運(yùn)行和維護(hù)。高溫超導(dǎo)EMS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：采用液氮溫區(qū)（77K）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電磁鐵，產(chǎn)生強(qiáng)磁場；相比于常導(dǎo)EMS系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡化，質(zhì)量減輕，能耗降低，此外相對低溫EDS系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大大降低；懸浮能力提高，懸浮氣隙達(dá)到20mm以上，對懸浮可靠和控制有利；缺點(diǎn)：高溫超導(dǎo)線圈電流變化頻率低，線圈容易失超，控制系統(tǒng)依然復(fù)雜。高溫超導(dǎo)EMS系統(tǒng)高溫超導(dǎo)塊材EDS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：采用在液氮溫區(qū)（77K）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的高溫超導(dǎo)塊材與梯度磁場作用產(chǎn)生穩(wěn)定懸??；靜止懸浮，固有的二維懸浮穩(wěn)定性，無需控制系統(tǒng)和電能消耗；結(jié)構(gòu)簡單，懸浮氣隙可以達(dá)到20mm以上；缺點(diǎn)：永磁導(dǎo)軌造價高，永磁性造成安裝和維護(hù)有一定困

6、難。高溫超導(dǎo)塊材EDS系統(tǒng)永磁懸浮系統(tǒng)（傳統(tǒng)形式）優(yōu)點(diǎn)：依靠永磁體之間的同極相斥異極相吸產(chǎn)生懸浮和導(dǎo)向力；結(jié)構(gòu)簡單，水平移動產(chǎn)生導(dǎo)向力，垂直移動產(chǎn)生懸浮力；無需控制，無需消耗電能；無需低溫環(huán)境。缺點(diǎn)：懸浮氣隙小，擴(kuò)展能力差；懸浮穩(wěn)定性差。永磁懸浮系統(tǒng)磁懸浮系統(tǒng)綜合比較系統(tǒng)類型常導(dǎo)EMS系統(tǒng)低溫EDS系統(tǒng)高溫EMS系統(tǒng)高溫EDS系統(tǒng)永磁PM系統(tǒng)懸浮高度10mm100mm10-30mm10-30mmTc TTc TTc撤去外磁場排磁通現(xiàn)象 混合態(tài)，在下臨界場Hc1與上臨界場Hc2之間；在Hc1Hc2范圍內(nèi)，理想第類超導(dǎo)體的臨界電流Ic幾乎等于零，沒有實(shí)用價值，而非理想第類超導(dǎo)體具有很高的臨界電流；

7、理想第類超導(dǎo)體磁化曲線可逆，而非理想第類超導(dǎo)體的磁化曲線呈現(xiàn)不可逆性，磁通釘扎表現(xiàn)俘獲磁通行為。 （a）ICH特性曲線（b）可逆磁化曲線（c）不可逆磁化曲線 第類超導(dǎo)體基本性質(zhì)：高溫超導(dǎo)塊材YBaCuO非理想第類超導(dǎo)體；單籽晶生長；制備大尺寸、高性能YBaCuO塊材難度大，常用尺寸為30mm，多塊組合形成整體超導(dǎo)作用面；懸浮力FJcddBz/dZ，與超導(dǎo)塊臨界電流密度，塊材尺寸和外磁場梯度三個量成正比，目前主要通過增加外磁場梯度來實(shí)現(xiàn)懸浮力要求。YBCO塊材NdFeB（銣鐵硼）永磁導(dǎo)軌參考超導(dǎo)體懸浮力公式，外磁場梯度值越大越好；NdFeB，目前世界上剩磁和矯頑力最高的永磁體，利于創(chuàng)建強(qiáng)磁場；永

8、磁體與軟鐵組成的永磁導(dǎo)軌方案，可以使外磁場達(dá)到1.5T；超導(dǎo)磁懸浮方案與永磁導(dǎo)軌磁場如右圖所示。NdFeB永磁導(dǎo)軌薄底液氮絕熱低溫容器高溫超導(dǎo)體在上，永磁導(dǎo)軌在下的作用方案；有效懸浮高度要求低溫容器底部厚度要薄，平整度要求高，無磁或弱磁；避免外壁結(jié)霜和液氮揮發(fā)過快，低溫容器絕熱效果要好，而且具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 因此，采用薄底絕熱真空杜瓦式低溫容器，設(shè)計(jì)底部厚度為5mm，可持續(xù)工作 1h以上。薄底液氮低溫容器五、高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究為了研究高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)基本懸浮特性，采用先建立高溫超導(dǎo)磁懸浮單元靜態(tài)測試系統(tǒng)和動態(tài)測試系統(tǒng)，然后建立磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗(yàn)平臺的研究思路，對超導(dǎo)磁懸浮

9、系統(tǒng)的靜、動態(tài)懸浮特性都有了深入的了解。1.永磁導(dǎo)軌表面磁場測量表面磁場測試儀構(gòu)成：測試系統(tǒng)驅(qū)動滑臺及被測件臺面；二軸坐標(biāo)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；高斯計(jì)探頭及表箱；電機(jī)控制及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)；測試程序用于設(shè)定采樣頻率、采樣時間間隔、空間間隔等參數(shù)。測試步驟：被測件定位；確定測試長度和空間間隔；測試程序中進(jìn)行合理設(shè)置；實(shí)時觀察數(shù)據(jù)曲線及分析。表面磁場測試儀采集程序典型測試結(jié)果2.磁懸浮單元靜態(tài)測試系統(tǒng)構(gòu)成：高溫超導(dǎo)磁懸浮單元；永磁導(dǎo)軌單元；步進(jìn)電機(jī)及控制系統(tǒng)；力傳感器及采集系統(tǒng)。測試目的：超導(dǎo)單元中超導(dǎo)塊材排列的優(yōu)化方式；超導(dǎo)單元對應(yīng)不同場冷高度、懸浮位置、移動路徑的懸浮特性。靜態(tài)測試系統(tǒng)永磁導(dǎo)軌設(shè)計(jì)單峰永磁

10、導(dǎo)軌雙峰永磁導(dǎo)軌單峰永磁導(dǎo)軌典型方案雙峰永磁導(dǎo)軌典型方案永磁導(dǎo)軌采用Ansys有限元設(shè)計(jì)，目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)高磁場強(qiáng)度；分別測試單磁場峰和雙磁場峰導(dǎo)軌上的超導(dǎo)組合優(yōu)化排列方案；懸浮力特性（初始值為零，與懸浮間距成指數(shù)變化關(guān)系）；導(dǎo)向力特性（初始值為零、與水平位移成一定線性關(guān)系）；懸浮力和導(dǎo)向力存在明顯的磁滯效應(yīng)（即往復(fù)位移的力曲線不重合）。典型懸浮力測試結(jié)果（零場冷）典型導(dǎo)向力測試結(jié)果（15mm場冷）不同排列的懸浮導(dǎo)向力不同場冷位置的懸浮導(dǎo)向力3.磁懸浮單元動態(tài)測試系統(tǒng)構(gòu)成：高溫超導(dǎo)磁懸浮單元；永磁導(dǎo)軌單元；激振系統(tǒng)；加速度計(jì)及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。測試目的：不同振動幅度和振動頻率下單元的幅頻特性；不同場

11、冷方案的共振頻率和幅頻特性的比較。動態(tài)測試系統(tǒng)定頻時域分析（加速度信號） 掃頻時域分析（加速度信號） 頻率影響振幅影響 基于磁懸浮單元測試結(jié)果，建立可以綜合展示磁懸浮系統(tǒng)整體性能的試驗(yàn)平臺裝置，具體為，磁懸浮系統(tǒng)：7m雙排對稱永磁導(dǎo)軌，有很高的加工和安裝精度；高溫超導(dǎo)磁懸浮超導(dǎo)單元，對稱放置6個在磁懸浮橇體模型下；磁懸浮橇體模型：低溫容器、加速裝置、飛行器模型和測試系統(tǒng)等的連接部件；電機(jī)抬升機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)超導(dǎo)單元場冷位置。加速、制動系統(tǒng)：加速方式，雙邊直線感應(yīng)電機(jī)；3.磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗(yàn)平臺制動方式，彈性阻尼體緩沖器。靜態(tài)測試系統(tǒng)：等載荷砝碼，100kg；差動變壓器式位移傳感器；導(dǎo)向力測試系統(tǒng)

12、，采用銷接機(jī)構(gòu)和拉壓式傳感器。動態(tài)測試系統(tǒng)：3個加速計(jì)，9自由度采集；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。試驗(yàn)平臺系統(tǒng)圖片1（磁懸浮系統(tǒng)）圖片2（加速制動系統(tǒng)）圖片3（靜態(tài)測試系統(tǒng)）圖片4（懸浮狀態(tài)）靜態(tài)測試目的：不同場冷條件對應(yīng)的系統(tǒng)懸浮力和導(dǎo)向力綜合結(jié)果；不同載荷條件下對應(yīng)的懸浮力和導(dǎo)向力特性。動態(tài)測試目的：磁懸浮平臺加速和制動穩(wěn)定性；不同場冷條件對應(yīng)的磁懸浮系統(tǒng)懸浮穩(wěn)定性比較。靜態(tài)測試結(jié)果不同場冷位置懸浮力比較不同場冷位置導(dǎo)向力比較100kg加載對懸浮力影響（場冷35mm）不同加載對導(dǎo)向力影響（場冷35mm）結(jié)論：場冷位置對系統(tǒng)懸浮力和導(dǎo)向力性能影響嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時需依據(jù)不同的懸浮氣隙和導(dǎo)向力要求，合理選擇場冷位置，實(shí)現(xiàn)最大載荷；載荷變化會使系統(tǒng)懸浮力減小，導(dǎo)向力增大，經(jīng)過一定載荷變化后，懸浮力和導(dǎo)向力趨于穩(wěn)定，適合做為磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。加速測試結(jié)果場冷45mm的前進(jìn)、水平、垂直加速度兩次場冷（45mm和25mm）的前進(jìn)、水平、垂直加速度場冷25mm的前進(jìn)、水平、垂直加速度結(jié)論：右圖所示，低場冷位置有利于減小系統(tǒng)高速運(yùn)行的水平、垂直振動加速度，即有利于實(shí)現(xiàn)系