利用高速磁浮列車發射運載火箭的可行性研究

尹力明， 趙金才

1. 上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245 2. 上海宇航系統工程研究所 上海 201109

利用高速磁浮列車發射運載火箭的可行性研究

尹力明1， 趙金才2

1. 上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245 2. 上海宇航系統工程研究所 上海 201109

進行了以下理論研究：利用磁浮列車能夠實現高速運行的特點，使用地面的電網能源和地球重力加速度的分量，將二級以上運載火箭加速到500km/h以上的速度并發射，可以取消運載火箭的第一級，同時降低成本；利用磁浮發射裝置可以較快返回發射軌道起點繼續加載的特點，能夠較快地進行下一次發射。在理論研究的基礎上設計和推薦了一種U形發射軌道，不僅借助于地球的重力勢能，而且通過直線電動機的電制動實現動電能的轉換，并回饋電網。

磁浮列車； 運載火箭； 軌道； 發射； 研究； 設計

由于常溫導體高速磁浮列車的走行部與軌道不接觸，具備了機械阻力小和運行速度較高的特點，因此可以充分利用地面電網的大容量，使用磁浮列車的電驅動來加速運載火箭的二級以上箭體，從而取代一級火箭，可以降低運載火箭的整體質量和發射的費用，這將成為一種新型環保的運載火箭發射方式。

1 常導高速磁浮列車簡介[1]

常導高速磁浮列車采用了同步直線電動機驅動列車運行，電動機的定子鐵心和三相繞組被固定在軌道上。因此，向電動機供電的牽引變流器就可以安裝在地面上，從而減輕了列車的自身質量。

支撐列車的懸浮電磁鐵同時兼做直線電動機的同步磁極，具有懸浮和驅動雙重功能。為了向列車的運行提供導向力，走行部上還安裝有導向懸浮電磁鐵，每個轉向架上安裝了兩臺，所以常導高速磁浮列車的走行部與軌道完全沒有機械接觸，如圖1～ 圖3所示。

常導高速磁浮列車的運行控制采用的是現代網絡通信技術和軌道信號系統，實現了在地面操控列車的運行。列車運行情況和所處位置，以及車載設備的運行狀態都能夠通過無線網絡傳輸，在調度控制系統中顯示出來，從而實現了遠程實時監控。

圖2 懸浮模塊

圖3 走行部的懸浮轉向架

常導高速磁浮列車每列車走行部的重力約為400kN，允許全重約為650kN。

2 磁浮發射車的基本組成

磁浮發射車主要利用了常導高速磁浮列車走行部和軌道的結構，原車體可以用能滿足運載火箭發射要求的車體來取代。

2.1 走行部結構

由圖2可以看到，常導高速磁浮列車的走行部共有4個轉向架，其間還搭接了1個懸浮模塊。在筆者方案中，相當于使用了2列車的8個轉向架，從搭接懸浮模塊的角度而言，總共使用了30個懸浮電磁鐵模塊和16個導向電磁鐵。

磁浮發射車上部結構可以用吊掛的方式，與轉向架上的空氣彈簧壓座連接，除了能夠起阻隔和緩沖連接部運行振動之外，還可以在發射車通過軌道的豎曲線時滿足轉向架的折轉要求。

使用2列車的走行部，其承載的上部發射系統結構和運載火箭的重力可以達到約 500kN 的水平。走行部上還要安裝基于懸浮電磁鐵的懸浮控制器、應急電池、發射控制系統等設備。2列車走行部的重力約800kN。

2.2 上部結構

對于磁浮發射車的上部結構，筆者選用發射筒結構，可以安全地放置運載火箭。筒形結構的強度較高，高速運行時的氣動阻力較小，與磁浮列車的車體結構比較相似，與走行部轉向架的連接相對方便,如圖4所示。

圖4 磁浮發射車的結構示意圖

火箭的箭體應該平放在發射筒內軌道上，以便于在發射時可以輕松地在慣性的作用下被拋出。在對發射車不產生太大沖擊干擾的條件下，如果使用壓縮氣體柔和地彈射運載火箭，則效果會更好，還可以進一步提高發射的初速度。

火箭彈射出發射筒之后，應該在相對于發射車處于安全的空間位置時再對其發動機進行點火，以保障發射車和軌道的安全。

對于有機翼的大氣中飛行器，上部結構可以采用平板車體結構，只要設置發射軌道和系留裝置即可。

3 U形發射軌道

磁浮發射車運行軌道的設計結構對實現安全、高效、節能、環保發射及降低發射費用起著決定性的作用，為此，經過多次比較和選擇，設計了一種U形軌道方案。

與常導高速磁浮列車相同，驅動磁浮發射車運動的同步直線電動機依然采用長定子結構(圖5)，可以在幾百米到1km的長度上實現區段供電，牽引變流器安裝在地面上。發射車的驅動控制可以照搬常導高速磁浮列車的運行控制模式。

圖5 同步直線電動機的長定子鐵心和三相繞組

3.1 U形發射軌道的結構

筆者設計的發射軌道分為6段，每段都有相應的作用，對發射車產生不同的受力影響，如圖6所示。

圖6 U形發射軌道

在軌道最初的a段，屬于水平直道，應該與總裝調試廠房相連接，運載火箭的安裝和測試都在此處完成。發射的初期，直線電動機驅動磁浮發射車進入水平加速運行狀態，并且達到一定的速度。

當磁浮發射車進入軌道b段時，由于這是一個有坡度的下行軌道，因此磁浮發射車將獲得一個地球重力分量的驅動力，并且與直線電動機的驅動力疊加，發射車進一步加速。

當磁浮發射車進入軌道c段時，發射車達到了最高速度，將在這一段恒速運行，自動發射控制系統進入發射前的準備工作。

當磁浮發射車進入軌道d段時，由于這又是一個帶有坡度的軌道，因此發射車呈現抬頭的運行狀態，同時實施最大制動力的電氣制動，促使發射車快速制動。同步直線電動機的電制動還可以實現動能-電能的轉換，將磁浮發射車運動的動能以電能的形式回饋電網。這個制動力也要疊加一個地球的重力分量，并產生高減速度的效果，此時，運載火箭將在慣性的作用下被拋出或彈射出去。

當磁浮發射車進入軌道e段時，軌道的坡度相對于d段適當減緩，產生一個角度差，為的是與已經按照d段坡度飛出去的運載火箭形成一定的高度差，以免火箭點火時危及發射車和發射軌道。在這個區段，發射車的總質量減小了，更有利于發射車的減速運行。

當磁浮發射車進入軌道f段時，直道保證磁浮發射車能夠完全停下來。在檢查車輛完整無損后，發射車就可以沿著發射軌道反方向行駛到總裝廠房，準備下一次的發射。

在軌道的a段至b段、b段至c段、c段至d段、d段至e段和e段至f段，都有一段坡道轉換的過渡軌道，必須認真設計。建議設計加入一段圓弧過渡曲線，使磁浮發射車在以一定的速度通過時，磁浮發射車不產生垂向的沖擊加速度，從而減小對懸浮系統產生的干擾力。

3.2 磁浮發射車在a段軌道上的運行和受力關系

磁浮發射車在a段平直軌道上，開始運行時的受力條件只是同步直線電動機的驅動力和空氣阻力，受力關系為：

Fa=Fdj-Fka=Maa

(1)

式中：Fa為磁浮發射車在軌道a段所受到的外力，N；Fdj為同步直線電動機的驅動力，N；M為發射車與火箭的總質量，kg；aa為磁浮發射車在軌道a段的運行加速度，m/s2；Fka為磁浮發射車在軌道a段的空氣阻力(忽略電磁系統產生的電磁阻力，下同)，N。

3.3 磁浮發射車在b段軌道上的運動和受力關系

磁浮發射車運行到軌道b段坡道上時，受力關系為：

Fb=Fdj+kbMg-Fkb=Mab

(2)

式中：Fb為磁浮發射車在軌道b段所受的外力，N；ab為磁浮發射車在軌道b段的運行加速度，m/s2；kb為坡道帶來的重力加速度分量因數；Fkb為磁浮發射車在軌道b段的空氣阻力，N。

如果kb能夠達到0.1，即直線電動機能夠產生1m/s2的驅動加速度，那么，發射車的總加速度將達到約 2m/s2。當發射車的最高運行速度達到 505km/h時，運載火箭相當于獲得了約140m/s的運行速度。按照這個條件，發射軌道b段要達到約5km的長度。

3.4 磁浮發射車在c段軌道上的運行和受力關系

磁浮發射車運行到軌道c段平直道上時，處于恒速運行階段，其受力關系為：

Fc=Fdj-Fkc=0

(3)

式中：Fc為磁浮發射車在軌道c段所受的外力，N；Fkc為磁浮發射車在軌道c段的空氣阻力，N。

3.5 磁浮發射車在d段軌道上的運行和受力關系

磁浮發射車運行到軌道d段坡道上時，受力關系為：

Fd=-Fdj-kdMg-Fkd=Mad

(4)

式中：Fd為磁浮發射車在軌道d段所受外力，N；ad為磁浮發射車在軌道d段的運行減速度，m/s2；kd為坡道帶來的重力加速度分量因數；Fkd為磁浮發射車在軌道d段的空氣阻力，N。

磁浮發射車的快速減速導致運載火箭在慣性的作用下被拋出或彈射出去。

磁浮發射軌道d段的kd應比0.1要大一些，為的是提高運載火箭的飛行角度。地球的重力分量作用在磁浮發射車上，也可以加大制動的減速度。

3.6 磁浮發射車在e段軌道上的運行和受力關系

磁浮發射車運行到軌道e段坡道上時，受力關系為：

Fe=-Fdj-kemg-Fke=mae

(5)

式中：Fe為磁浮發射車在軌道e段所受外力，N；m為火箭發射后發射車的空載質量，kg；ae為磁浮發射車在軌道e段的運行減速度，m/s2；ke為坡道帶來的重力加速度分量因數；Fke為磁浮發射車在軌道e段的空氣阻力，N。

ke與前述kd相比，應小一些，至少應與kb相等。

3.7 磁浮發射車在f段軌道上的運動和受力關系

磁浮發射車運行到軌道f段平直道上時，受力關系為：

Ff=-Fdj-Fkf=maf

(6)

式中：Ff為磁浮發射車在軌道f段所受外力，N；af為磁浮發射車在軌道f段的運行減速度，m/s2；Fkf為磁浮發射車在軌道f段的空氣阻力，N。

最終，磁浮發射車停下，且af=0。

根據上面的論述計算,發射軌的總長度可小于10km。

鑒于磁浮發射車還要返回發射軌道的起點，考慮發射車的最大驅動力Fdjm對發射軌道b段的牽引要求，重力加速度分量因數kb的選取還是有一定的約束條件，必須滿足：

Fdjm-kbmg>0

(7)

即：

kb

(8)

4 結束語

綜上所述，利用常導高速磁浮列車發射運載火箭的方案理論上是可行的，今后還需要對該課題開展一次全面的技術設計，以確定發射軌道的線型等諸參數，并對發射筒與轉向架接口部的結構進行設計。

由于高速磁浮列車尺寸和承載能力的限制，該方案比較適合于中型運載火箭的發射或重力為幾百千牛的大氣中高超飛行器的初期發射，可以減少每次發射的成本。

誠然，利用常導高速磁浮列車發射運載火箭也有一些缺點。

(1) 發射軌道的一次性投入較大。

(2) 磁浮控制系統的穩定適應性裕量要大，否則在質量發生較大變化時，系統會出現發散或振蕩。

(3) 發射車運行和制動時的加、減速度較大，走行部和發射部的接口強度要適應發射運行全過程中的惡劣條件。

(4) 與常規運載火箭的發射條件不同，二級以上火箭初始飛行在稠密的大氣中，且入軌的路徑較長，為此，二級火箭需要攜帶較多的燃料。

科技部在“十一五”期間對常導高速磁浮列車的關鍵技術研究進行了大力支持，現已獲得了試制兩列試驗車和建設1km長試驗線的成果，將來可以直接利用和改造。此外，上海電氣集團還對長定子鐵心和三相繞組電纜進行了全面攻關和研究，也取得了很好的結果。如果“十三五”期間常導高速磁浮列車的自主化變頻器順利研制成功，也就有了完整的前期硬件條件，開展利用常導高速磁浮列車發射運載火箭研究的物質基礎就基本具備了。

[1] 吳祥明.磁浮列車[M].上海：上海科學技術出版社，2003.

Following theoretical study was made：the carrier missile above two stages could be step up to the speed of more than 500km/h for launching by utilizing the characteristics of maglev trains that can achieve high-speed operation and using the earth-based grid energy and the component of earth acceleration, while the first stage of the carrier missile could be cancelled to reduce the cost. Since magnetic suspending launching device could quickly return to the starting point of launching rail it is available to be loaded for next launching in short time. On the basis of theoretical research a U-shaped launching rail was design and recommended, this design could use the earth’s gravitational potential energy, achieve the conversion between kinetic energy and electricity by electric brake of linear motors and feedback the power grid.

Maglev Train; Carrier Missile; Orbit; Launch； Research; Design

2016年5月

尹力明(1951— )，男，本科，教授級高級工程師，主要從事磁浮及軌道交通技術研發工作， E-mail: yinliming0522@vip.sina.com

TM271；U237

A

1674-540X(2016)04-001-04