CN110406698A - 一种基于电磁推射的航天发射系统及方法 - Google Patents

一种基于电磁推射的航天发射系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁推射的航天发射系统及方法。它将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭，将火箭沿着电磁发射轨道加速到一定速度，实现火箭的发射。本发明通过电磁力将火箭等航天运载器在一定距离内加速到数马赫，可取代目前传统火箭的一级发动机，做到将火箭发射到高空中再点火，具有准备时间短、发射频次高、发射及维护成本低、发射方式灵活便捷等突出优点，解决了传统火箭发射不能满足高频率连续发射、火箭发射成本高、发射灵活性不足等问题。

Description

一种基于电磁推射的航天发射系统及方法
技术领域
本发明属于电磁力推射物体的航天发射系统技术领域，具体涉及一种基于电磁推射的航天发射系统及方法。
背景技术
近年来随着技术水平不断进步，卫星的性能指标和应用范围大幅提高，尤其是200公斤以下小卫星在商业遥感、对地观测、物联网、卫星通信等领域得到广泛应用。未来的太空经济以地球轨道上密布的卫星星座为基础，实现天网地网的“天地一体化”无缝连接，为人类社会的智能化发展提供从信息感知到信息交互的坚实基础。欧美等发达国家都在大力发展太空经济，有实力的国家纷纷布局太空产业。据统计，目前全球已公布的小卫星发射需求高达数万颗，这还不包括未公布的星座组网计划及星座补充卫星的数量。
面对庞大的卫星发射需求，现有卫星发射技术难以提供高效、经济的服务，发射数量和周期无法保证，严重阻碍了卫星技术的大规模应用。自1957年前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星以来，所有的卫星发射均采用单纯依靠火箭推力将卫星发射到所需空间轨道的方式，火箭的推力来源于燃烧化学燃料时喷射的尾流。这种传统卫星发射方式存在如下缺点：一是火箭需要在火箭发射台上点火，发射后需要对发射台进行维护，导致火箭发射准备及维护时间长，难以实现高频次快速发射；二是随着电子信息技术的不断进步，卫星成本越来越低，但火箭发射的成本却长期居高不下；三是传统火箭发射方式以大载荷、高轨道为设计目标，搭载的卫星只能适应发射条件，发射机会有限，发射灵活性严重不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁推射的航天发射系统及方法，该电磁发射系统解决了传统火箭发射的三大问题：一是解决了传统火箭发射不能满足高频率连续发射的问题；二是单次火箭发射的成本比传统火箭发射降低约一个数量级；三是解决了传统卫星发射机会有限、发射灵活性不足的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于电磁推射的航天发射系统，包括
能量存储分系统，用于在推射火箭时，将存储的能量输送至能量变换分系统；
能量变换分系统，用于将能量存储分系统输送的能量变换为交流电输出至直线电机分系统；
直线电机分系统，用于接收能量变换分系统输出的交流电，产生电磁力，推动火箭在一定距离内加速到一定速度；
控制维护分系统，用于分别向能量存储分系统、能量变换分系统和直线电机分系统发出不同的控制指令，控制能量存储分系统、能量变换分系统和直线电机分系统按照预定程序执行。
进一步地，所述能量存储分系统还用于在推射火箭间歇，从供电系统吸收能量并储存能量。
进一步地，所述能量存储分系统包括n×m个相互独立的电源模块，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数。
进一步地，每个电源模块分为p组电源单元，每组电源单元分别与能量变换分系统中一个逆变器中的对应逆变单元连接。
进一步地，所述每组电源单元包括电池组阵列和充电柜，所述充电柜为充电接口连接在供电系统与电池组阵列之间。
进一步地，所述每组电源单元还包括储能开关柜，储能开关柜连接在电池组阵列与逆变单元之间。
进一步地，所述能量变换分系统包括n×m个相互独立的逆变器，每个逆变器向一台直线电机的一相供电，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数。
进一步地，所述每个逆变器由由k个逆变柜并联组成，每个逆变柜由p个逆变单元级联组成。
进一步地，所述直线电机分系统包括n台直线电机和火箭适配器，每台直线电机包括定子和安装于定子上的动子，所述火箭适配器分别与n台直线电机的动子相连。
进一步地，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向均匀布置。
进一步地，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向均匀布置，n为偶数。
进一步地，所述直线电机的定子与水平面之间的角度为0～90度。
进一步地，直线电机的定子采用分段的方式供电。
进一步地，所述控制维护分系统包括顶层控制设备、能量存储控制设备、能量变换控制设备、直线电机控制设备，所述顶层控制设备、能量存储控制设备、能量变换控制设备、直线电机控制设备之间通过控制环网的方式连接；
所述顶层控制设备用于提供人机交互控制接口，分别向能量存储控制设备、能量变换控制设备和直线电机控制设备发出控制指令；
所述能量存储控制设备用于根据接收的控制指令，实现对能量存储分系统的充电、放电控制；
所述能量变换控制设备用于根据接收的控制指令，实现对能量变换分系统的能量变换控制；
所述直线电机控制设备用于根据接收的控制指令，实现对直线电机分系统中直线电机的动子运动的实时控制、定子分段供电的控制。
进一步地，所述控制维护分系统还包括能量存储监测设备、能量变换监测设备、直线电机监测设备和管理维护设备，所述能量存储监测设备、能量变换监测设备、直线电机监测设备和管理维护设备之间相互通过健康环网的方式连接，
所述能量存储监测设备用于采集能量存储分系统的工作数据并上传给管理维护设备；
所述能量变换监测设备用于采集能量变换分系统的工作数据并上传给管理维护设备；
所述直线电机监测设备用于采集直线电机分系统的工作数据并上传给管理维护设备。
所述管理维护设备用于根据接收的数据分析、显示、存储和查询能量存储分系统、能量变换分系统及直线电机分系统的健康状态和信息，提供维护测试功能。
一种基于电磁推射的航天发射方法，过程为：将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭，将火箭沿着电磁发射轨道加速到一定速度，实现火箭的发射。
进一步地，利用直流电能转换成交流电供给直线电机，再通过直线电机将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭。
进一步地，多个直线电机通过火箭适配器推动火箭。
进一步地，通过直线电机分系统将电能转换为电磁力，所述直线电机分系统包括n台直线电机和火箭适配器，每台直线电机包括定子和安装于定子上的动子，n台直线电机的定子形成所述电磁发射轨道，所述火箭适配器分别与n台直线电机的动子相连，所述火箭安装于火箭适配器上，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向对称布置；或所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向对称布置，n为偶数。
更进一步地，所述直线电机的定子与水平面之间的角度为0～90度。
本发明的有益效果是：
(1)、由于采用了电磁发射系统产生电磁力推动火箭的冷发射方式，即火箭在离开发射台前不点火，发射到高空中之后再点火，可做到对发射台零损伤，发射台的恢复时间提高到数百秒，即使考虑发射载荷的转运时间，连续发射的间隔时间可提高到1小时以内，可达到在1个发射窗口时间段内多次发射火箭的目的，解决了火箭高频率连续发射的难题。
(2)、由于通过电磁发射系统在火箭点火前预先将火箭加速到数马赫，因此相比于传统火箭，取消了火箭的一级部分，极大的节省了火箭燃料，减轻了火箭重量、简化了火箭结构，大幅降低了火箭成本。
(3)、采用电磁发射系统发射卫星时，由于直线电机的电磁力连续可调，可根据卫星的实际需求，适配大中小不同的火箭，可适应更加宽泛的发射时间和轨道要求，发射方式灵活便捷。
(4)、由于采用冗余设计的方法，整个电磁发射系统具有冗余能力，保证当其中部分设备故障时仍能完成当次发射任务，使得电磁发射系统故障时火箭发射失败的风险大大降低，解决了可靠性问题。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明能量存储分系统与能量变换分系统的示意图。
图3为图2中方框A内的单个电源模块与单个逆变器的示意图。
图4为本发明直线电机分系统周向对称布置的示意图。
图5为本发明直线电机分系统径向对称布置的示意图。
图6为本发明控制维护分系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1所示，本发明提供一种基于电磁推射的航天发射系统，包括能量存储分系统1、能量变换分系统2、直线电机分系统3和管理维护分系统组成4，四者之间的关系主要分为能量流和信息流，其中能量流向为：在每次发射前供电系统将电能供给能量存储分系统1存储，在发射时能量存储分系统1将电能供给能量变换分系统2，并由能量变换分系统2将调制后的电能供给直线电机分系统3；信息流向为：控制维护分系统4通过冗余分布式工业以太网络与其它三大分系统相连，控制能量流的各装置按预定程序执行，并可实时诊断其它三大分系统以及自身的健康状态。各分系统的功能具体如下：
能量存储分系统1，用于根据控制指令在推射火箭间歇，从供电系统吸收能量并以较长的时间储存能量；用于根据接收的控制指令在推射火箭时，将存储的能量输送至能量变换分系统2。
能量变换分系统2，用于根据控制指令将能量存储分系统1输送的能量变换为所需要的调频调压的交流电输出至直线电机分系统3。
直线电机分系统3，用于根据控制指令接受能量变换分系统2输出的交流电，产生电磁力，推动火箭在一定距离内加速到设定速度。
控制维护分系统4，用于分别向能量存储分系统1、能量变换分系统2和直线电机分系统3发出不同的控制指令，控制能量存储分系统1、能量变换分系统2和直线电机分系统3按照预定程序执行。控制维护分系统4与其它三个分系统通过网络连接，主要是提供操作人员和系统装置的人机接口，控制各分系统按照预定流程完成作业，并对各分系统设备的状态进行监测和管理。
上述方案中，如图2、图3所示，能量存储分系统1的储能元件采用高安全性大倍率放电锂电池方案，具体包括n×m个相互独立的电源模块，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数，n和m均为大于等于1的整数，每个电源模块独立给一台直线电机的其中一相供电。每个电源模块又分为p组电源单元，每组电源单元分别与能量变换分系统中一个逆变器中的对应的多个逆变单元(即下面的k个逆变柜中对应的并联的逆变单元)连接，p为大于等于1的整数。每组子模块包括电池组阵列、充电柜和储能开关柜，电池组阵列采用多块锂电池以串、并联的方式组成，所述充电柜为充电接口连接在电网与电池组阵列之间，所述储能开关柜连接在电池组阵列与逆变单元之间。在推射火箭间隙，由供电系统通过充电柜向能量存储分系统小功率充电；推射火箭时，能量存储分系统通过能量变换分系统向直线电机提供大功率的电能。
上述方案中，如图2、图3所示，能量变换分系统2采用集中式逆变器布置方案，具体包括n×m个相互独立的逆变器，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数，每个逆变器向一台直线电机的一相供电，每个逆变器由k台逆变柜并联组成，每台逆变柜由p个逆变单元级联组成，即直流侧k台逆变柜中对应的逆变单元之间并联；交流侧单台逆变柜中的逆变单元之间级联后，其输出端再与其他逆变柜的输出一起并联。如直流侧(即输入端)，第1台逆变柜的第一个逆变单元、第二台逆变柜的第一个逆变单元…第k台逆变柜中的第一个逆变单元之间并联，…，第1台逆变柜的第p个逆变单元、第二台逆变柜的第p个逆变单元…第k台逆变柜中的第p个逆变单元之间并联；交流侧(即输出端)，第1台逆变柜的第一个逆变单元…第p个逆变单元之间级联，…，第k台逆变柜的第一个逆变单元…第p个逆变单元之间级联，第1台逆变柜的输出端…第k台逆变柜的输出端之间并联。单个逆变单元为由q个功率管并联形成的H桥式的结构，n、m、k、p和q为大于等于1的整数。能量变换分系统由于容量为吉伏安级，而目前电力电子器件单管性能有限，故只能采用级联加并联的方式才可能实现。本案示例采用的功率器件为IGBT，但图3所示的拓扑方案同样适应于其它类型的功率器件。
上述方案中，直线电机分系统3包括n台m相直线电机和火箭适配器，火箭适配器为直线电机动子与火箭的接口，用以匹配不同型号的火箭以及传递直线电机电磁力。每台直线电机包括定子(初级)和安装于定子上的动子(次级)，所述火箭适配器分别与n台直线电机的动子相连，火箭安装于火箭适配器上，n台直线电机的定子形成电磁发射轨道，如图4所示，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向均匀布置，n为大于等于1的整数，进一步地n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向均匀且对称布置；或如图5所示，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向均匀布置，进一步地n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向均匀且对称布置，n为偶数。直线电机的定子长度为设定值，大约有数公里长，因此直线电机的定子采用分段的方式供电，直线电机的定子与水平面之间的角度为0～90度，优选为30度、60度或90度，图4、图5所示的即为90度。系统工作时，通过能量变换分系统向电机定子输送变频变压的交流电，在电机动子上产生电磁力，带动火箭适配器，沿着电磁发射轨道推动火箭，将其加速到数马赫的速度。
上述方案中，如图6所示，控制维护分系统4包括顶层控制设备4-1、能量存储控制设备4-2、能量变换控制设备4-3、直线电机控制设备4-4、能量存储监测设备4-5、能量变换监测设备4-6、直线电机监测设备4-7和管理维护设备4-8，其中，顶层控制设备4-1、能量存储控制设备4-2、能量变换控制设备4-3、直线电机控制设备4-4之间通过控制环网的方式连接，能量存储监测设备4-5、能量变换监测设备4-6、直线电机监测设备4-7和管理维护设备4-8之间相互通过健康环网的方式连接，顶层控制设备4-1另外单独与管理维护设备4-8相连。另外值得指出某些设备可合并为一个设备，例如能量存储监测设备和能量变换监测设备功能比较单一，运算负荷不大，通常可合并为一个设备，类似的情况也应该在本案的保护范围之内。
顶层控制设备4-1和管理维护设备4-8采用工控机、加固计算机、PC104等硬件方案，各分系统控制设备和监测设备采用DSP、FPGA、PLC、PC104等硬件方案，控制环网、健康环网以及顶层控制设备和管理维护设备单独连接采用工业以太网，各分系统控制设备和监测设备通过总线、串口、信号线等与相应的分系统相连。
顶层控制设备4-1用于提供人机交互控制接口，分别向能量存储控制设备4-2、能量变换控制设备4-3和直线电机控制设备4-4发出控制指令，实现接受、处理、发送各种指令，控制各分系统按照预定流程完成作业，具有互锁功能，可防止误操作。能量存储控制设备4-2用于根据接收的控制指令，实现对能量存储分系统的充电、放电控制。能量变换控制设备4-3用于根据接收的控制指令，实现对能量变换分系统的能量变换控制。直线电机控制设备4-4用于根据接收的控制指令，实现对直线电机分系统中直线电机的动子运动的实时控制、定子分段供电的控制。能量存储监测设备4-5用于采集能量存储分系统的工作数据(包括电池电压、温度等数据)并上传给管理维护设备。能量变换监测设备4-6用于采集能量变换分系统的工作数据(包括电流、电压、温度等数据)并上传给管理维护设备。直线电机监测设备4-7用于采集直线电机分系统的工作数据(包括温度、动子位置等数据)并上传给管理维护设备。管理维护设备4-8用于根据接收的数据进行分析、显示、存储和查询各分系统(能量存储分系统、能量变换分系统及直线电机分系统)的健康状态和信息功能，提供维护测试功能，实现装置的健康管理等功能。
基于上述的航天发射系统，本发明还提供一种基于电磁推射的航天发射方法，过程为：采用上述航天发射系统将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭，将火箭沿着电磁发射轨道加速到数马赫，实现火箭的发射，从而取代目前传统火箭的一级发动机。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (20)

1.一种基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：包括
能量存储分系统(1)，用于在推射火箭时，将存储的能量输送至能量变换分系统(2)；
能量变换分系统(2)，用于将能量存储分系统输送的能量变换为交流电输出至直线电机分系统(3)；
直线电机分系统(3)，用于接收能量变换分系统(2)输出的交流电，产生电磁力，推动火箭在一定距离内加速到一定速度；
控制维护分系统(4)，用于分别向能量存储分系统(1)、能量变换分系统(2)和直线电机分系统(3)发出不同的控制指令，控制能量存储分系统(1)、能量变换分系统(2)和直线电机分系统(3)按照预定程序执行。
2.根据权利要求1所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述能量存储分系统(1)还用于在推射火箭间歇，从供电系统吸收能量并储存能量。
3.根据权利要求1或2所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述能量存储分系统(1)包括n×m个相互独立的电源模块，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数。
4.根据权利要求3所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：每个电源模块分为p组电源单元，每组电源单元分别与能量变换分系统中一个逆变器中的对应逆变单元连接。
5.根据权利要求4所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述每组电源单元包括电池组阵列和充电柜，所述充电柜为充电接口连接在供电系统与电池组阵列之间。
6.根据权利要求5所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述每组电源单元还包括储能开关柜，储能开关柜连接在电池组阵列与逆变单元之间。
7.根据权利要求1所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述能量变换分系统(2)包括n×m个相互独立的逆变器，每个逆变器向一台直线电机的一相供电，n为直线电机台数，m为每台直线电机相数。
8.根据权利要求7所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述每个逆变器由k个逆变柜并联组成，每个逆变柜由p个逆变单元级联组成。
9.根据权利要求1所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述直线电机分系统(3)包括n台直线电机和火箭适配器，每台直线电机包括定子和安装于定子上的动子，所述火箭适配器分别与n台直线电机的动子相连。
10.根据权利要求9所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向均匀布置。
11.根据权利要求9所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向均匀布置，n为偶数。
12.根据权利要求9-11所述的任意一项基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述直线电机的定子与水平面之间的角度为0～90度。
13.根据权利要求9-11所述的任意一项基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：直线电机的定子采用分段的方式供电。
14.根据权利要求1所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述控制维护分系统(4)包括顶层控制设备、能量存储控制设备、能量变换控制设备、直线电机控制设备，所述顶层控制设备、能量存储控制设备、能量变换控制设备、直线电机控制设备之间通过控制环网的方式连接；
所述顶层控制设备用于提供人机交互控制接口，分别向能量存储控制设备、能量变换控制设备和直线电机控制设备发出控制指令；
所述能量存储控制设备用于根据接收的控制指令，实现对能量存储分系统的充电、放电控制；
所述能量变换控制设备用于根据接收的控制指令，实现对能量变换分系统的能量变换控制；
所述直线电机控制设备用于根据接收的控制指令，实现对直线电机分系统中直线电机的动子运动的实时控制、定子分段供电的控制。
15.根据权利要求1所述的基于电磁推射的航天发射系统，其特征在于：所述控制维护分系统(4)还包括能量存储监测设备、能量变换监测设备、直线电机监测设备和管理维护设备，所述能量存储监测设备、能量变换监测设备、直线电机监测设备和管理维护设备之间相互通过健康环网的方式连接，
所述能量存储监测设备用于采集能量存储分系统的工作数据并上传给管理维护设备；
所述能量变换监测设备用于采集能量变换分系统的工作数据并上传给管理维护设备；
所述直线电机监测设备用于采集直线电机分系统的工作数据并上传给管理维护设备。
所述管理维护设备用于根据接收的数据分析、显示、存储和查询能量存储分系统、能量变换分系统及直线电机分系统的健康状态和信息，提供维护测试功能。
16.一种基于电磁推射的航天发射方法，其特征在于：将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭，将火箭沿着电磁发射轨道加速到一定速度，实现火箭的发射。
17.根据权利要求16所述的基于电磁推射的航天发射方法，其特征在于：利用直流电能转换成交流电供给直线电机，再通过直线电机将电能转换为电磁力，通过电磁力推动火箭。
18.根据权利要求16所述的基于电磁推射的航天发射方法，其特征在于：多个直线电机通过火箭适配器推动火箭。
19.根据权利要求16-18所述的任意一项基于电磁推射的航天发射方法，其特征在于：通过直线电机分系统将电能转换为电磁力，所述直线电机分系统包括n台直线电机和火箭适配器，每台直线电机包括定子和安装于定子上的动子，n台直线电机的定子形成所述电磁发射轨道，所述火箭适配器分别与n台直线电机的动子相连，所述火箭安装于火箭适配器上，所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的周向均匀布置；或所述n台直线电机的定子沿火箭适配器的径向均匀布置，n为偶数。
20.根据权利要求19所述的基于电磁推射的航天发射方法，其特征在于：直线电机的定子与水平面之间的角度为0～90度。
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