航天器電磁推射技術的構成與發(fā)展思路的研究

李子奇　楊旭

摘 要：一種新式的航天器發(fā)射技術：航天器電磁推射技術。它徹底改變了火箭自發(fā)明以來的推進模式，采用電磁力推進，儲存動能為主要能量，具有成本低、可靠性高、速度快、不易攔截等優(yōu)良性能，具有極大的經(jīng)濟價值和軍事戰(zhàn)略價值，是未來航天發(fā)射的最佳手段，戰(zhàn)爭太空衛(wèi)星補網(wǎng)的首選。本文總結了航天器電磁推射構想的起源，總結了其發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理和亟待解決的技術難題，提出了空間二次轉移的概念設想，并對未來的發(fā)展前景進行展望與研究。

關鍵詞：電磁推射 航天發(fā)射 軍民兩用

中圖分類號：V419 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0010-02

傳統(tǒng)的火箭以化學能為主要能源，化學能火箭存在諸多問題。如準備秏時、發(fā)射成本高、環(huán)境污染、失敗率高……隨之而來的便是投入與回報不成正比，利潤下降。電磁推射是一種全新概念的航天器火箭發(fā)射方式，利用了洛倫茲力的加速原理，采用了直接動能飛行模式，具有及其廣闊的發(fā)展空間。電磁推射和化學火箭相比具有完全不同的發(fā)射原理，具有造價低、可控性強、適應多種發(fā)射、能量可控制、可高頻率發(fā)射，可經(jīng)濟的往太空投送小型衛(wèi)星和資源。尤其是在戰(zhàn)爭過程中，太空衛(wèi)星網(wǎng)絡很容易遭到敵方反衛(wèi)星武器的攻擊，造成衛(wèi)星網(wǎng)損毀，而此時發(fā)射化學火箭補給衛(wèi)星很容易遭到攔截，因此電磁推測法發(fā)射火箭成為唯一的思路。

1 電磁推射的基本原理

電磁推射的裝置主要包括大型脈沖電源、電力可控裝置、金屬平行軌道、載流中樞、承載的航天器、絕緣固定裝置。電樞進入軌道閉合開關，電流經(jīng)過后膛在軌道中流動，形成了一個閉合回路。在兩側軌道形成的反向電流之間產(chǎn)生磁場，對其電樞產(chǎn)生電磁力的作用。此時電流值迅速增加，在短時間內(nèi)達到萬安甚至兆安，此時電樞將受到強大的洛倫茲力作用，將帶著載荷以極高的加速度向發(fā)射口移動。

2 電磁推射的來源與發(fā)展

2.1 炮彈飛出地球的構想與嘗試

自從炮彈發(fā)明以來，人類始終嘗試著讓炮彈飛得更遠，人們發(fā)現(xiàn)炮彈的初速度越大角度越合適，其飛行的距離越遠。在人們認清地球的形狀之后，就開始討論炮彈如何克服地球引力飛出地球的問題。1960年，吉拉德·布爾博士研發(fā)了一種改變?nèi)祟愑^念的大炮巴巴多斯大炮。它曾經(jīng)將190kg的炮彈以2100m/s的初速度打到180km的太空，至進無人能破。然而不幸的是布爾博士被刺殺，項目被迫終止，但是這一構想?yún)s得到了證實。

1980年，美國科研人員用電磁炮發(fā)射成功一顆317g的彈丸，岀膛的速度可高達4200m/s，NASA設計主持修建一個長達700m，500mm直徑，30度仰角的電磁炮，將2T的試驗火箭加速為4000～5000m/s，飛行到達了200km以上的高度，1990年，美國的sandia實驗室主持設計了一種電磁線圈發(fā)射裝置，有9700組驅動線圈構成，發(fā)射設備長960m，傾角為25°，可將600kg的電樞和1220的飛行器加速到6000m/h，加速度2000G，現(xiàn)如今NASA已經(jīng)進入工程前期的預研階段，初步看到了發(fā)展的前景[1]。

3 類別與主要技術

3.1 電磁推射類別

純電磁推射：通過電磁推射直接將航天器發(fā)射到太空進入預訂軌道。適合質量較小航天器，如微型衛(wèi)星（10～100kg）、納米衛(wèi)星（<10kg）。

火箭組合推射：利用電磁炮將單級火箭和航天器的組合體發(fā)射至一定高度，之后火箭空中點火攜帶航天器進入預定軌道。適用于大型衛(wèi)星或小型宇宙飛船。

空間二次轉移推射：利用電磁炮將航天器發(fā)射到太空，然后利用空基轉移設施對航天器進行二次轉移，進而飛向更遠的地方。主要用于遠地或星際衛(wèi)星和大型宇宙飛船。

3.2 電磁推射主要技術

3.2.1 脈沖直流電機技術

可以承載控制磁場，并將其中的物體按照一定的方向加速的一定的速度的設備叫做脈沖直流電機。具有可承載高強度電流的特點。其核心技術主要有定子線圈同步放電技術等、強磁場與應力沖擊條件下的定子線圈成型技術、多物理場強耦合建模技術、不同高強度金屬材料復合工藝、軌道抗燒蝕技術、連續(xù)發(fā)射下電機冷卻技術、長行程直線電機串聯(lián)分段與斷開技術、多段初級直流電機設計技術[2]。

3.2.2 發(fā)射體技術

發(fā)射器加速的對象被稱之為發(fā)射體，發(fā)射體可以承受高強度的電流，利用自身的電流與外界高強磁場相互作用產(chǎn)生極大的電磁力。核心技術為：超高速運動體穩(wěn)定懸浮問題、強感應電流及輕量化動子線圈技術、高效動能毀傷技術、超高速一體化制導彈丸技術、高強度直線電機動子結構設計技術。

3.2.3 高性能電源技術

在電磁推射過程中，直線電動機需要脈沖電源瞬間提供足夠的能量。電源可以提供穩(wěn)定電流和瞬時電流。應具備功率高，連續(xù)脈沖電流大的特性，因此需要高功率密度和高儲能度密度。核心技術為：脈沖功率絕緣電子技術、脈沖形成與波形成精確控制技術、重復頻率快速開斷技術、高能量密度長壽命脈沖電容儲能技術、大功率電能變換技術、飛輪能量釋放機電動態(tài)控制技術、高能量密度慣性儲能技術、混合儲能技術[3]。

4 電磁推射裝置的選址

由阻力公式F=（1/2）CρSV^2 可知空氣的密度越稀薄，產(chǎn)生的阻力越小，離地球軸心較遠，自轉半徑較大，線速度越大，耗能越少。高原具有空氣密度低和地勢高的特點，因此將電磁推射裝置適合建在高原山上更有利用發(fā)射，如果現(xiàn)在赤道的高原上效果會更好，此外發(fā)射方向應該朝著地球自轉的方向，這樣更有利于獲得初速度。

5 結語

電磁推射技術是一種新技術，然而很多技術上的問題依舊沒有解決，如高原設施建設問題、設備結構強度問題、材料壽命問題、激波聲障熱障問題。因此距離實際應用還需要再等一段時間。一旦電磁推射技術成熟，那么航天發(fā)射的成本將會大大降低，航天器發(fā)射頻率增加，太空項目可以更好的開展，航天產(chǎn)業(yè)將會迎來輝煌時期。

參考文獻

[1] 馬偉明，魯軍勇.電磁發(fā)射技術[J].國防科技大學學報，2016，38（6）：2-3.

[2] 周勝.坑道瞬變電磁發(fā)射技術研究[D].中南大學，2002.

[3] 楊鑫，林志凱，龍志強.電磁軌道炮及其脈沖電源技術的研究進展[J].國防科技，2016，37（3）：1-5.