CN109297356B - 一种运载火箭电磁发射系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运载火箭电磁发射系统和方法，该系统包括：脉冲发电机电源，用于接收电磁发射系统所需的电能并储存，以及，在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流；悬浮直线感应电机，用于接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能；吸引型轨道控制器，用于在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行。本发明通过电‑磁之间的能量转换为运载火箭的发射提供初始飞行速度，提高了运载火箭发射效率，降低了发射成本。

Description

一种运载火箭电磁发射系统和方法

技术领域

本发明属于航天运输技术领域，尤其涉及一种运载火箭电磁发射系统和方法。

背景技术

随着人类在太空中科学试验、深空探测、商业服务及太空军事应用方面等活动日益频繁，人类对进入太空的能力及成本提出了越来越高的要求。为满足未来空间运输的快速性、低成本和高可靠性要求，需要开展运载火箭电磁发射系统的需求分析，提出合适的应用方向及设计方案。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种运载火箭电磁发射系统和方法，通过电-磁之间的能量转换为运载火箭的发射提供初始飞行速度，提高了运载火箭发射效率，降低了发射成本。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种运载火箭电磁发射系统，包括：

脉冲发电机电源，用于接收电磁发射系统所需的电能并储存，以及，在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流；其中，工作电流为满足悬浮直线感应电机工作的电流；

悬浮直线感应电机，用于接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能；

吸引型轨道控制器，用于在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行。

在上述运载火箭电磁发射系统中，吸引型轨道控制器，还用于：

基于电磁效应产生悬浮磁力；

通过控制悬浮磁力大小使运载火箭在空气中处于一个无金属摩擦、无接触的平衡状态，以在运载火箭加速过程中保持运载火箭姿态稳定。

在上述运载火箭电磁发射系统中，吸引型轨道控制器，还用于：

通过控制电磁铁中的电流，使运载火箭在悬浮状态下与轨道四周布置的磁铁产生吸引力，确保水平加速过程中运载火箭姿态稳定。

在上述运载火箭电磁发射系统中，吸引型轨道控制器，还用于：

在运载火箭分离后，采用永磁励磁制动，以确保悬浮直线感应电机的动子稳定减速制动。

在上述运载火箭电磁发射系统中，脉冲发电机电源，包括：

原动机模块：用于拖动脉冲发电机缓慢加速；

脉冲发电机模块：通过高速旋转储存电能；

PWM整流逆变电路模块：用于对释放出的大容量电能进行整流处理，输出满足悬浮直线感应电机工作的工作电流。

在上述运载火箭电磁发射系统中，悬浮直线感应电机，包括：

电机定子模块：用于形成磁场供电机动子运动；

电机电枢绕组模块：用于对电机定子分段供电；

电机动子模块：用于提供涡流回路，在接收道脉冲发电机电源输出的工作电流时，对工作电流进行电能转换，实现水平方向的电磁推力，向运载火箭提供发射时所需的初始动能。

在上述运载火箭电磁发射系统中，吸引型轨道控制器，包括：

电磁铁单元模块，用于产生磁力吸引悬浮的运载火箭；

动子回收模块，用于在运载火箭分离后，控制动子稳定减速制动。

在上述运载火箭电磁发射系统中，悬浮直线感应电机，还用于：采用模型预测控制的双侧PWM综合控制策略，实现负载突变条件下的悬浮直线感应电机的稳定控制。

在上述运载火箭电磁发射系统中，吸引型轨道控制器，还用于：采用奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪控制策略，对运载火箭与电磁轨道的分离进行控制，确保运载火箭与电磁轨道的稳定分离。

相应的，本发明还公开了一种运载火箭电磁发射方法，包括：

接收电磁发射系统所需的电能并储存；

在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流；其中，工作电流为满足悬浮直线感应电机工作的电流；

通过悬浮直线感应电机接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能；

在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行。

本发明具有以下优点：

(1)本发明首次在航天运输发射领域提出电磁发射运载火箭的设计方法。利用法拉第电磁感应定律，通过洛伦兹力对发射的运载火箭进行加速。首先将运载火箭定位于承载滑橇上，完成推进剂加注和发射前检测；然后由直线电机驱动，同时发射轨道系统提供稳定的控制力和悬浮力，对运载火箭进行加速；当运载火箭达到分离所需的飞行速度时，运载火箭与电磁发射系统分离，运载火箭发动机点火，继续飞行，承载滑橇制动减速、停止，返回初始点，准备下一次发射。电磁发射系统可根据不同级别的运载火箭发射要求对自身参数进行设计，提供满足火箭发射所需的初始速度。

(2)本发明提出了电磁发射系统组成方式，电磁发射系统由脉冲发电机电源、悬浮直线感应电机和吸引型轨道控制器3个分系统组成。脉冲发电机电源采用多台脉冲发电机并联发电，实现高功率、大电流连续脉冲输出。电机方案为悬浮直线感应电机方案，为驱动运载火箭提供动力。轨道控制系统采用吸引型轨道控制器。组成的电磁发射系统可以为不同型号运载火箭发射提供所需的能量。

(3)本发明针对电磁发射系统中直线电压波动对电机稳定输出的影响，提出了一种采用模型预测控制的双侧PWM控制方案。该方法采用模型预测控制方法，设计直接模型功率预测控制方法和直接模型转矩预测控制方法，建立一种采用模型预测控制的双侧PWM控制方案。该方案在整流电路端和逆变电路端控制电机运行，当电机负载发生突变时能够有效消除母线直流电压波动引起的干扰，并将响应速度减小25％以上。

(4)本发明针对运载火箭与电磁发射系统分离时的稳态控制问题，提出基于奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪控制方法。将奇异摄动裕度信息引入三回路自动驾驶仪中，对自动驾驶仪进行开环穿越频率极点设计和预测校正，能够在分离时对运载火箭进行有效稳定控制。同时设计电磁发射系统动子回收装置方案，使动子与运载火箭分离后能够稳定减速，利于再次发射使用。

附图说明

图1是本发明实施例中一种运载火箭电磁发射系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种运载火箭电磁发射系统的系统组成示意图；

图3是本发明实施例中一种电磁发射运载火箭的过程示意图；

图4是本发明实施例中一种脉冲发电机电源的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种悬浮直线感应电机的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种基于模型预测控制的双侧PWM综合控制策略示意图；

图7是本发明实施例中一种电机控制系统设计示意图；

图8是本发明实施例中一种电磁铁单元示意图；

图9是本发明实施例中一种电磁铁单元电路原理图；

图10是本发明实施例中一种吸引型轨道控制器控制原理设计图；

图11是本发明实施例中一种永磁励磁动子制动方法示意图；

图12是本发明实施例中一种基于奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪设计策略示意图；

图13是本发明实施例中一种脉冲发电机电源工作仿真示意图；

图14是本发明实施例中一种电机工作仿真示意图；

图15是本发明实施例中一种轨道控制系统工作仿真示意图；

图16是本发明实施例中一种负载突变下电机稳态运行仿真示意图；

图17是本发明实施例中一种运载火箭与轨道分离稳定控制仿真示意图；

其中，图5a)为电机电枢绕组设计示意图，5b)为定子分段供电方式示意图，5c)为电机定子侧等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

为满足未来空间运输的种种要求，本发明设计了一种运载火箭电磁发射系统。电磁发射系统由电源、悬浮直线电机和轨道控制系统组成。电磁发射系统中电源采用脉冲发电机电源方案，悬浮直线电机采用悬浮直线感应电机方案，轨道控制系统采用吸引型轨道控制器方案，满足运载火箭起飞发射的相关技术要求，通过电磁悬浮和电磁力转换推动运载火箭加速运动。同时采模型预测控制的双侧PWM综合控制方法实现在负载突变状态下对电机的稳态控制；采用奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪实现对电磁发射系统与运载火箭分离的稳定控制。最后设计电磁发射系统动子回收装置方案，使动子与运载火箭分离后能够稳定减速，利于再次发射使用。仿真分析证明，本发明可以有效利用电磁发射技术实现对运载火箭的发射，满足运载火箭发射的各种约束要求。

参照图1，示出了本发明实施例中一种运载火箭电磁发射系统的结构示意图。在本实施例中，该运载火箭电磁发射系统，包括:

脉冲发电机电源101，用于接收电磁发射系统所需的电能并储存，以及，在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流。

在本实施例中，工作电流为满足悬浮直线感应电机工作的电流。

优选的，脉冲发电机电源101具体可以包括：原动机模块：用于拖动脉冲发电机缓慢加速；脉冲发电机模块：通过高速旋转储存电能；PWM整流逆变电路模块：用于对释放出的大容量电能进行整流处理，输出满足悬浮直线感应电机工作的工作电流。

悬浮直线感应电机102，用于接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能。

在本实施例中，悬浮直线感应电机102具体可以包括：电机定子模块：用于形成磁场供电机动子运动；电机电枢绕组模块：用于对电机定子分段供电；电机动子模块：用于提供涡流回路，在接收道脉冲发电机电源输出的工作电流时，对工作电流进行电能转换，实现水平方向的电磁推力，向运载火箭提供发射时所需的初始动能。

吸引型轨道控制器103，用于在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行。

在本实施例中，吸引型轨道控制器103具体可以包括：电磁铁单元模块，用于产生磁力吸引悬浮的运载火箭；动子回收模块，用于在运载火箭分离后，控制动子稳定减速制动。

在本发明的一优选实施例中，吸引型轨道控制器，还用于：基于电磁效应产生悬浮磁力；通过控制悬浮磁力大小使运载火箭在空气中处于一个无金属摩擦、无接触的平衡状态，以在运载火箭加速过程中保持运载火箭姿态稳定。

在本发明的一优选实施例中，吸引型轨道控制器，还用于：通过控制电磁铁中的电流，使运载火箭在悬浮状态下与轨道四周布置的磁铁产生吸引力，确保水平加速过程中运载火箭姿态稳定。

在本发明的一优选实施例中，吸引型轨道控制器，还用于：在运载火箭分离后，采用永磁励磁制动，以确保悬浮直线感应电机的动子稳定减速制动。

在本发明的一优选实施例中，悬浮直线感应电机，还用于：采用模型预测控制的双侧PWM综合控制策略，实现负载突变条件下的悬浮直线感应电机的稳定控制。

在本发明的一优选实施例中，吸引型轨道控制器，还用于：采用奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪控制策略，对运载火箭与电磁轨道的分离进行控制，确保运载火箭与电磁轨道的稳定分离。

基于上述实施例，下面结合一个具体实例进行说明。

针对未来人类进入空间领域需求，对运载火箭发射提出了低成本、高可靠性和高频率发射的要求，开展运载火箭电磁发射任务需求，梳理运载火箭电磁发射系统的关键参数，设计运载火箭电磁发射系统，对运载火箭电磁发射系统的功能、组成，开展轨道构型、推进方式等方案进行分析研究，并通过仿真分析对总体方案的闭合性进行验证。

具体步骤如下：

(1)设计运载火箭电磁发射系统，系统由脉冲发电机电源、悬浮直线感应电机和吸引型轨道控制器组成，电磁发射系统的设计如图2所示。运载火箭电磁发射系统的基本工作过程如下：

(1.1)首先将运载火箭定位于承载滑橇上，完成推进剂加注和发射前检测；

(1.2)发射开始时，承载滑橇由悬浮直线感应电机驱动，同时电磁轨道系统提供承载滑橇稳定加速的悬浮力和导向力；

(1.3)运载火箭随承载滑橇一起由悬浮直线感应电机加速，达到分离速度时，运载火箭与电磁发射系统分离；

(1.4)分离后运载火箭发动机点火，继续爬升入轨；

(1.5)承载滑橇制动减速直至停止，然后依靠动子制动驱动返回初始点，准备下一次发射。

其中，运载火箭电磁发射的过程如图3所示。

(2)设计电磁发射系统脉冲发电机电源。由于在电磁发射火箭过程中，电压和电流的数值极大，为保证直线电机稳定工作，要求电源输出电流必须尽可能等幅，同时要求电流的直流偏置较小。根据上述要求，电源采用脉冲发电机电源，脉冲发电机电源的如图4所示。脉冲发电机电源在开始工作时首先用原动机拖动，拖动过程可以用较低的功率来使脉冲发电机慢慢升速。当脉冲发电机转速达到3000r/min时，原动机退出电源系统工作。此后脉冲发电机自身开始进行转速上升。当发电机转速升至电磁发射所需速度时，脉冲发电机电源开始放电，释放后的电能通过VSR整流电路和逆变电路进行整流后输送给悬浮直线感应电机。放电开始时，脉冲发电机产生的电频率和自身转速最高，随着脉冲发电机逐渐将动能转化为电能释放，其转速也不断下降，对应的电频率也逐渐降低。

由于运载火箭电磁发射过程需要的电能大，单一的脉冲发电机电源无法满足运载火箭电磁发射要求。脉冲发电机电源采用电源并联设计，电源选用统一型号的脉冲发电机电源110台进行并联，其中每两台发电机电源将运行方向反向设计构成电机对，从而有效地减小放电时产生的电磁力对电机以及外围结构的影响。其中脉冲发电机相关参数如下：

脉冲发电机的电极对数为2，相数为3，电机内部电感30μH，电阻为10mΩ，电机容量50MJ，自带工作转速为3000r/min，转动惯量为10³kg·m²。

(3)设计电磁发射系统悬浮直线感应电机，电机负责将电能转化为运载火箭发射所需的动能。

(3.1)根据电磁发射系统发射轨道长，动子运动速度高，发射体质量大的特点，电机选用悬浮直线电机，电机设计如图5所示。根据分析计算，应用于电磁发射领域的悬浮直线感应电机所产生的电磁力的数量级需要达到10⁶N级别。因此传统的开槽铁心结构作为定子的电机已经无法满足电机工作需求。电机定子采用无槽结构作为其铁心。电机需要提供1.57MN以上的推力，为满足要求，电机定子的材料采用1J22合金，此类合金的饱和磁密可以达到2.2T以上，是强磁场、高能量密度的电磁装置应用中的优选材料。

确定定子材料和结构后，电枢绕组依次按相序缠绕在定子铁心上，采用导电性能较好的圆形铜导线。由于没有齿槽结构，需要在定子铁心上加装非导磁材料块作为绕组缠绕的凭借，同时为绕组提供定位依据。每一块定子对应两个极距，即一相绕组在一块定子内正好达成360度电角度，绕组缠绕方式如图5a)所示。

绕组按定子每段接好后引出串联供电，其供电方式为分段供电。具体实施中，当动子前端与某一块定子完全重合后，该段定子开始供电；当动子末端与某一块定子完全脱离后，该段定子停止供电。如图5b)所示，当动子前端到达x2位置时，定子II上的绕组开始供电，当动子末端到达x1位置时，定子I上的绕组停止供电。

悬浮直线感应电机动子需要为电磁场提供涡流回路实现水平方向的电磁推力。考虑到电磁发射过程时间短暂，电机动子材料选用铝合金；如果动子硬度不足，也可以选用铜合金材料。

(3.2)由于各段定子所对应的动子侧电磁参数随动子运动不断改变，折算至定子侧的动子电阻、电抗参数将随动子相对于定子的位置而改变，其中定子侧、动子侧电抗值和励磁主电抗也会随动子速度和电频率的升高而变大。因此电机在工作时始终处于一个时变强耦合的电磁场之中。悬浮直线感应电机定子侧等效电路如图5c)所示。定子侧的电阻R₁可由式(1)计算得到，电感X_1σ(x)可由式(2)计算得到，电机励磁主电抗可由式(3)计算得到.

式(1)中，K'_F表示由于趋肤效应造成的电阻增大系数，取值为通交流电时电阻与直流电阻比值；ρ为导线材料的电阻率；N为每相串联匝数；a₁为并联支路数；l₀为线圈半匝平均长度；A₀为导体截面积。

式(2)中，μ₀为真空磁导率；l_ef为电枢轴向有效长度；p为定子极对数；q为定子侧每极每相槽数；τ为极距；a为动子加速度，在极短时间内可视为恒定值；x为动子相对于定子的位置；∑λ为电机槽比漏磁导、谐波比漏磁导、齿顶比漏磁导、端部比漏磁导之和；其他变量参数同式(1)。

式(3)中，m为相数；k_dq1为基波绕组系数；δ₀为气隙有效长度；其他变量参数同式(1)、(2)。

(4)设计一种基于模型预测控制的双侧PWM综合控制方法，用于抑制由于负载端状态突变导致的干扰。图6显示的控制方案设计示意图。设计的脉冲调制整流(PWM)变量控制主电路拓扑频率调速系统如图7所示，整个电路由电网端整流电路、直流电路和电机端逆变电路3部分组成。

首先在整流电路端设计直接模型功率控制预测(MPDPC)系统，整流电路端输入电流的MPDPC计算如式(4)所示；定子电流的MPDTC预测计算如式(5)所示。

式(4)中，V_g是系统内电路的矢量电动势，V_rec是整流电路在输入端的矢量电压，i_g是整流器在交流电路端的矢量电流，V_g(k)是在k时刻采样时间内的空间电压矢量，V_rec(k+1)是在k+1时刻的电压矢量，R_g表示电路中引起功率开关损耗的等效电阻与滤波器电感的等效电阻之和，L_g是电路中所有等效电感之和，i_g(k+2)是二步预测下得到的整流电路端输入电流。

式(5)中，L_r、L_m和L_σ分别是电机系统中的转子电感、相互电感和漏电感，ω_r是转子角速度，R_r是转子电阻。R_σ是等效电阻，i_s(k+1)是二步预测下得到的定子电流预测计算值。

获得整流输入端电流和定子端电流后，推导k+2时刻预测的电路瞬间有功功率和无功功率计算如方程组(6)所示。

在逆变电路端设计直接模型转矩控制预测系统，根据基尔霍夫定理，将电机的定子电流和定子磁通量作为状态矢量，三相异步电机的等效电路方程如式(7)所示。

式(7)中，R_s是定子电阻。将定子电压表达式进行欧拉公式离散化，得到定子磁链和动子磁链的计算公式如方程组(8)所示。

方程组(8)中，

和

是在k时刻计算得到的定子磁链值和动子磁链值。V_inv(k-1)是在k-1时刻三相电机输出端的空间电压矢量。i_s(k-1)是在k-1时刻电机定子电流的矢量值。根据一步预测算法，得到k+1时刻的预测定子磁链值如式(9)所示。

在逆变电路中采用直接转矩控制，k+1时刻的电路直接模型转矩控制预测通过定子磁链值和定子电流值计算得到，具体的计算过程如式(10)所示。

最后通过有效时间范围内能量守恒原理建立全系统瞬时功率平衡分析方法，提出全响应的电气系统功率补偿控制策略。同时将改进的MPC方法应用于整流电路和逆变电路两端，在直接模型功率控制预测和直接模型转矩控制预测两步预测的分析基础上得到全系统的优化协调控制方案如方程组(11)所示。

方程组(11)中，P_ref1是系统实时补偿功率，P_ref2是系统的周期性补偿功率，g₁是有功功率和无功功率相关联的目标函数，g₂是定子磁链和电机转矩相关联的目标函数，T_eref是电机转矩，

是定子磁链，λ₁是调节有功功率与无功功率的权重系数，P_ref是有功功率，Q_ref是无功功率，λ₂是定子磁链和电机转矩的权重系数，λ₃是是指定工况条件下的功率反馈因子，通过方程组(8)的计算对负载突变情况下的电机进行稳态控制。

(5)设计吸引型轨道控制器。吸引型轨道控制器利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力，通过控制电磁铁电流的大小来控制悬浮吸引力大小。吸引型轨道控制器中通过电磁铁单元实现精确悬浮吸引控制，最基本的电磁铁单元如图8所示，它由一个通电线圈缠绕一个C型铁组成，通过C型铁两端的磁极面积产生磁力吸引悬浮物。电磁铁单元电路原理图如图9所示。整个吸引型轨道控制器由多个电磁铁单元电路组成。吸引型轨道控制器控制原理如图10所示。利用电磁效应产生悬浮磁力，通过控制悬浮力大小使运载火箭在空气中处于一个无金属摩擦、无接触的平衡状态，通过控制电磁铁电流的大小,可以将悬浮气隙保持在一定的数值上，从而精确控制运载火箭在轨道上运行状态。

吸引型轨道控制器还包含动子回收装置系统，当运载火箭与发射系统分离后，制动部分质量仅剩推进装置部分，主要包括悬浮结构和直线电机动子部分。制动过程采用永磁励磁制动方法，如图11所示。在定子铁心上固定了一系列的高性能永磁体。极性交替排布的永磁体会产生交替变化的磁场，当动子切割磁力线时，会在动子侧会感应出涡流，动子涡流感应出的磁场与定子侧磁场相互作用产生了制动力。在这一过程中，动子的动能转化为涡流产生的内能，最后在制动运行过程中与空气进行热交换，最终实现电机动子制动。

(6)设计一种基于奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪，用于有效对运载火箭与电磁轨道系统的分离过程进行稳定控制。三回路自动驾驶仪设计方法如图12所示，将奇异摄动裕度信息引入三回路自动驾驶仪中，对自动驾驶仪进行开环穿越频率极点设计和预测校正，使得三回路自动驾驶仪能够有效对开环穿越频率进行约束，不再依赖控制系统的闭环自振频率，同时计算得到的奇异摄动值可有效反映控制系统性能。

(7)仿真计算

运载火箭电磁发射系统的仿真计算通过MATLAB编程软件实现，首先根据总体方案参数指标使用ANSYS软件设计出电磁发射系统运行参数，然后在MATLAB中搭建完整的仿真运行模型，最后进行计算完成参数解算和显示。如图13～16所示。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种运载火箭电磁发射方法，包括：接收电磁发射系统所需的电能并储存；在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流；其中，工作电流为满足悬浮直线感应电机工作的电流；通过悬浮直线感应电机接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能；在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行。

对于方法实施例而言，由于其与系统实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种运载火箭电磁发射系统，其特征在于，包括：

脉冲发电机电源，用于接收电磁发射系统所需的电能并储存，以及，在脉冲发电机电源释放储存的电能时，通过整流电路和逆变电路对释放的电能进行整流处理，输出工作电流；其中，工作电流为满足悬浮直线感应电机工作的电流；

悬浮直线感应电机，用于接收脉冲发电机电源输出的工作电流，对工作电流进行电能转换，向运载火箭提供发射时所需的初始动能；以及，采用模型预测控制的双侧PWM综合控制策略，实现负载突变条件下的悬浮直线感应电机的稳定控制；

吸引型轨道控制器，用于在检测到悬浮直线感应电机的母线电压突变时，根据预置功率补偿控制策略，抑制母线电压突变，以确保运载火箭分离过程中悬浮直线感应电机的稳态运行；以及，基于电磁效应产生悬浮磁力；通过控制悬浮磁力大小使运载火箭在空气中处于一个无金属摩擦、无接触的平衡状态，以在运载火箭加速过程中保持运载火箭姿态稳定；以及，通过控制电磁铁中的电流，使运载火箭在悬浮状态下与轨道四周布置的磁铁产生吸引力，确保水平加速过程中运载火箭姿态稳定；以及，在运载火箭分离后，采用永磁励磁制动，以确保悬浮直线感应电机的动子稳定减速制动；以及，采用奇异摄动裕度的三回路自动驾驶仪控制策略，对运载火箭与电磁轨道的分离进行控制，确保运载火箭与电磁轨道的稳定分离；

其中：

脉冲发电机电源，包括：原动机、脉冲发电机、VSR整流电路和逆变电路；脉冲发电机电源在开始工作时首先用原动机拖动，拖动过程采用低功率来使脉冲发电机慢慢升速；当脉冲发电机转速达到3000r/min时，原动机退出工作，此后脉冲发电机自身开始进行转速上升；当脉冲发电机转速升至电磁发射所需速度时，脉冲发电机电源开始放电，释放后的电能通过VSR整流电路和逆变电路进行整流后输送给悬浮直线感应电机；放电开始时，脉冲发电机产生的电频率和自身转速最高，随着脉冲发电机逐渐将动能转化为电能释放，其转速也不断下降，对应的电频率也逐渐降低；脉冲发电机电源采用电源并联设计，选用统一型号的110台脉冲发电机电源进行并联，其中每两台脉冲发电机电源将运行方向反向设计构成电机对，从而有效地减小放电时产生的电磁力对电机以及外围结构的影响；

悬浮直线感应电机，包括：定子、电枢绕组、非导磁材料块和动子；定子采用无槽结构作为铁心，定子的材料采用1J22合金，提供1.57MN以上的推力；电枢绕组依次按相序缠绕在定子铁心上；在定子铁心上加装非导磁材料块作为电枢绕组缠绕的凭借，同时为电枢绕组提供定位依据；每一块定子对应两个极距，即一相电枢绕组在一块定子内正好达成360度电角度；电枢绕组按定子每段接好后引出串联供电，供电方式为分段供电：当动子前端与某一块定子完全重合后，该段定子开始供电；当动子末端与某一块定子完全脱离后，该段定子停止供电；动子材料选用铝合金，为电磁场提供涡流回路实现水平方向的电磁推力；

悬浮直线感应电机在采用模型预测控制的双侧PWM综合控制策略，实现负载突变条件下的悬浮直线感应电机的稳定控制时，包括：通过构建由整流电路、直流电路和逆变电路构成的脉冲调制整流变量控制主电路拓扑频率调速系统，实现负载突变条件下的悬浮直线感应电机的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的运载火箭电磁发射系统，其特征在于，吸引型轨道控制器，包括：

电磁铁单元模块，用于产生磁力吸引悬浮的运载火箭；

动子回收模块，用于在运载火箭分离后，控制动子稳定减速制动。

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