CN110411276A - 一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，包括轨道分系统，用于为运载火箭分系统提供发射轨道和系统所需的悬浮力、导向力，轨道分系统由轨道起始段、弯道加速段和减速段构成；橇车分系统，用于承载运载火箭分系统在轨道分系统实现发射；电磁推进分系统，用于提供橇车分系统和运载火箭分系统行驶所需的推进力；运载火箭分系统，用于装载和运送卫星并在所述轨道分系统行驶；综合指挥控制分系统，分别与轨道分系统、橇车分系统、电磁推进分系统、运载火箭分系统网络连接，以监控各个分系统的实时工作状态并下发控制指令。本发明实现了一种利用磁悬浮与电磁推进系统实现的运载火箭发射系统。

Description

一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统

技术领域

本发明涉及磁悬浮与电磁推进技术领域，尤其涉及一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统。

背景技术

传统的航天发射主要是利用航天发射场基础设施(含技术区和发射区)，支撑运载火箭的发射。传统发射方式从技术区转到发射塔架进行发射，需要协调人员、工装、后勤、运输、物资大量资源，工作量大且各工作关联性强，一个环节的问题甚至会直接推迟整个发射任务，整个运行过程持续数天，运行成本占据总发射成本较大比重。

此外，采用现有发射方式，发射台、导流面等均处于燃气火焰及其反弹火焰的直接破坏范围内，振动作用和高温辐射作用的破坏范围较宽，发射位置附近的所有设施都可能由于振动和高温辐射引起松动、变形甚至是功能失效，需要在下次发射前，采取必要措施对发射设施进行防烧蚀、加固等维修和维护处理。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，实现了一种利用磁悬浮与电磁推进系统实现的运载火箭发射系统。

本发明提供了一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，包括：

轨道分系统，包括沿着指定路线设置的道床以及设置在所述道床上的悬浮子系统，用于为运载火箭分系统提供发射轨道和系统所需的悬浮力、导向力，所述发射轨道由轨道起始段、弯道加速段和减速段构成；

橇车分系统，通过所述悬浮子系统与所述轨道分系统连接，用于承载所述运载火箭分系统在所述轨道分系统发射，并在运载火箭发射阶段实现解锁分离；

电磁推进分系统，用于提供所述橇车分系统和所述运载火箭分系统行驶所需的推进力；

运载火箭分系统，用于装载和运送卫星并在所述轨道分系统行驶；

综合指挥控制分系统，分别与所述轨道分系统、橇车分系统、电磁推进分系统、运载火箭分系统网络连接，以监控各个分系统的实时工作状态并下发控制指令。

其中，所述悬浮子系统包括感应轨道和超导块材，所述感应轨道均匀铺设于所述道床上，所述超导块材设置在所述橇车分系统底部，当所述橇车分系统与所述感应轨道相对运动时，在所述感应轨道中产生感应磁场，使得超导块材的磁场与所述感应磁场相互作用产生悬浮斥力，实现轨道分系统与所述橇车分系统的分离。

其中，所述电磁推进分系统，包括直线电机、电力变化调节装置、能量存储装置和制动装置；

所述直线电机包括两级结构，所述直线电机的初级设置在发射轨道侧壁上，所述电机的次级设置在所述橇车分系统上，所述直线电机的两级结构通过运动方向的相互作用，牵引所述橇车分系统在运动方向上加速行驶；

所述电力变化调节装置，用于调节所述直线电机的电力变化；

所述能量存储装置，用于为所述电力变化调节装置供电；

所述制动装置，用于实现对所述橇车分系统的减速或停止运行控制。

其中，所述能量存储装置包括设置在所述轨道分系统一侧的飞轮、储能装置，所述储能装置于电网相连；

所述储能装置产生的电能传入沿线间隔设置的轨旁变电站，后经沿路供电电缆分段传入安装在所述感应轨道上的直线电机的初级。

其中，所述橇车分系统，包括车体、杜瓦整流罩以及锁定及解锁机构；

所述车体，设置在悬浮子系统上，用于承载所述运载火箭分系统进行发射，并在所述锁定及解锁机构释放所述运载火箭分系统之后返回；

所述杜瓦整流罩，用于保护所述运载火箭分系统，以防止所述运载火箭分系统受气动力、气动加热和/或声振的影响；

所述锁定及解锁机构，用于锁定所述运载火箭分系统，并在到达指定位置时解锁，释放所述运载火箭分系统。

其中，所述橇车分系统，还包括：

橇车监控设备，用于监控承载有所述运载火箭分系统的车体的实时发射状态。

其中，所述综合指挥控制分系统，包括发射集中控制子系统、指挥调度子系统和视频监控子系统；

所述发射集中控制子系统，用于实现自动悬浮控制功能、电力牵引控制功能、电力制动与机械制动控制功能和电源控制功能；

所述指挥调度子系统，与控制中心通信连接，用于与控制中心进行通信实现综合指挥调度；

所述视频监控子系统，用于实现速度测量、运载火箭定位、进站检测、全运载火箭状态检测与故障诊断。

其中，所述视频监控子系统包括计算机模拟设置与监控界面、CAN-USB转接卡、监控与通讯电路；

计算机模拟设置与监控界面具有显示和信息交换作用，通过CAN-USB转接卡同监控与通讯电路进行通讯，CAN-USB转接卡通过CAN总线与监控与通讯电路连接。

其中，所述综合指挥控制分系统，还包括：

大屏显示子系统，用于对所述视频监控子系统采集的数据进行显示。

本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，利用磁悬浮与电磁推进分系统，为运载火箭提供一定的初始速度和初始高度，在此基础上利用橇车分系统，实现运载火箭接力工作，将运载火箭等有效载荷送入预定轨道，实现运载火箭的发射。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统的结构框图；

图2为本发明另一实施例的一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统的结构框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1示意性示出了本发明实施例的一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统的结构框图。参照图1，本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统10，包括轨道分系统101、电磁推进分系统102、橇车分系统103、综合指挥控制分系统104以及运载火箭分系统105，其中：

轨道分系统101，包括沿着指定路线设置的道床以及设置在所述道床上的悬浮子系统，用于为运载火箭分系统105提供发射轨道以及系统所需的悬浮力和导向力，所述发射轨道由轨道起始段、弯道加速段和减速段构成；

橇车分系统103，通过所述悬浮子系统与所述轨道分系统101连接，用于承载所述运载火箭分系统105在所述轨道分系统101发射，并在运载火箭发射阶段实现解锁分离；

电磁推进分系统102，用于提供所述橇车分系统103和所述运载火箭分系统105行驶所需的推进力；

运载火箭分系统105，用于装载和运送卫星并在所述轨道分系统101行驶；

综合指挥控制分系统104，分别与所述轨道分系统101、橇车分系统103、电磁推进分系统102、运载火箭分系统105网络连接，以监控各个分系统的实时工作状态并下发控制指令。

本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，利用磁悬浮技术与轨道脱离接触消除摩擦阻力和振动，利用电磁推进技术提供强大的加速能力。本系统主要由轨道分系统、电磁推进分系统、橇车分系统、综合指挥控制分系统及两级入轨空天运载火箭系统5个主要的分系统，利用磁悬浮与电磁推进分系统，为运载火箭提供一定的初始速度和初始高度，在此基础上利用橇车分系统，实现运载火箭接力工作，将运载火箭等有效载荷送入预定轨道，实现运载火箭的发射。

在本发明另一实施例中，如图2所示，轨道分系统101，除了道床和悬浮子系统之外，还包括路基，路基为铺设管道的基础土建工程。

本实施例中，所述悬浮子系统包括感应轨道和超导块材，所述感应轨道均匀铺设于所述道床上，所述超导块材设置在所述橇车分系统底部，当所述橇车分系统与所述感应轨道相对运动时，在所述感应轨道中产生感应磁场，使得超导块材的磁场与所述感应磁场相互作用产生悬浮斥力，实现轨道分系统与所述橇车分系统的分离，其中，感应轨道为铜板感应轨道。

本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，选择“水平直线+缓慢斜坡”的高原陆基发射方式，一是满足低海拔发射准备需求，交通便利，且方便人员长期居留；二是满足较高的分离高度需求，减少运载系统在稠密大气层中的阻力损耗，同时降低动压水平；三是提供一定的分离角度，便于运载系统，尤其是火箭运载系统进行姿态调整，快速脱离稠密大气层；四是有助于尽可能减小系统转弯段横向加速度，减小推进、悬浮和运载设计难度。

具体的感应轨道由轨道起始段、弯道加速段和减速段构成。其中加速段长度约4公里，橇车减速段约0.5公里，轨道总长度约4.5公里，轨道终端与水平面夹角为20-40°。发射场分离点位于海拔4-5公里左右。在一个具体实施例中，上述轨道起始段500米距离内曲率极小，可视为水平直线段；设计弯道加速段转弯半径能够满足火箭横向过载要求以及磁悬浮悬浮力限制，转弯半径最大为9公里。不考虑减速段形式，若按照20度分离角度计算，可以得到发射场垂直高差为638米左右。

本实施例中，如图2所示，所述电磁推进分系统102，包括直线电机、电力变化调节装置、能量存储装置和制动装置。其中，所述直线电机包括两级结构，所述直线电机的初级设置在所述感应轨道侧壁上，所述电机的次级设置在所述橇车分系统上，所述直线电机的两级结构通过运动方向的相互作用，牵引所述橇车分系统在运动方向上加速行驶；所述电力变化调节装置，用于调节所述直线电机的电力变化；所述能量存储装置，用于为所述电力变化调节装置供电；所述制动装置，用于实现对所述橇车分系统的减速或停止运行控制。

进一步地，所述能量存储装置包括设置在所述轨道分系统一侧的飞轮、超级电容或锂电池等储能装置，所述储能装置于电网相连；所述储能装置产生的电能传入沿线间隔设置的轨旁变电站，后经沿路供电电缆分段传入安装在所述感应轨道上的直线电机的初级。

本发明实施例中，磁悬浮电磁助推五大分系统在结构和功能上存在相互交叉的关系。轨道分系统中，磁悬浮子系统包含铜板感应轨道和超导块材，铜板感应轨道沿线路均匀铺设，超导块材分布于橇车底部，两者相对运动在铜板中产生感应磁场，超导块材磁场与感应磁场相互作用产生悬浮斥力，实现轨道系统与橇车系统分离；电磁推进分系统中，电机的初级安装在轨道上，次级安装在橇车上，两者通过运动方向的相互作用，牵引橇车分系统在运动方向不断加速；橇车分系统在结构上连接轨道分系统、电磁推进分系统和运载分系统，实现动能传递；综合指挥控制分系统分别与轨道分系统、电磁推进分系统、橇车分系统和运载分系统通过高速网络通讯系统关联，监控所有分系统实时工作状态并下达控制指令。

本实施例中，如图2所示，所述橇车分系统103，具体包括车体、杜瓦整流罩以及锁定及解锁机构。其中，所述车体，设置在悬浮子系统上，用于承载所述运载火箭分系统进行发射，并在所述锁定及解锁机构释放所述运载火箭分系统之后返回；所述杜瓦整流罩，用于保护所述运载火箭分系统，以防止所述运载火箭分系统受气动力、气动加热和/或声振的影响；所述锁定及解锁机构，用于锁定所述运载火箭分系统，并在到达指定位置时解锁，释放所述运载火箭分系统。

进一步地，所述橇车分系统103，还包括橇车监控设备，该橇车监控设备用于监控承载有所述运载火箭分系统的车体的实时发射状态。

本实施例中，如图2所示，所述综合指挥控制分系统104，具体包括发射集中控制子系统、指挥调度子系统和视频监控子系统。其中，所述发射集中控制子系统，用于实现自动悬浮控制功能、电力牵引控制功能、电力制动与机械制动控制功能和电源控制功能；所述指挥调度子系统，与控制中心通信连接，用于与控制中心进行通信实现综合指挥调度；所述视频监控子系统，用于实现速度测量、运载火箭定位、进站检测、全运载火箭状态检测与故障诊断。

具体的，视频监控子系统包括计算机模拟设置与监控界面、CAN-USB转接卡、监控与通讯电路，其中，计算机模拟设置与监控界面具有显示和信息交换作用，通过CAN-USB转接卡同监控与通讯电路进行通讯，CAN-USB转接卡通过CAN总线与监控与通讯电路连接。

进一步地，所述综合指挥控制分系统104，还包括大屏显示子系统，所述的大屏显示子系统，用于对所述视频监控子系统采集的数据进行显示。

下面对本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统的系统工作流程进行详细说明。

基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统在五大分系统协同配合下完成辅助发射任务，工作流程具体分为磁悬浮电磁助推工作段和火箭工作段，其中：

磁悬浮电磁助推工作段，储能系统充电—>地面制冷系统为橇车超导磁体制冷—>超导磁体为橇车提供导向力—>系统射前自检—>综合控制指挥台下达发射指令—>推进系统推动橇车系统加速运行—>超导磁体和铜板为橇车提供悬浮力—>到达指定位置解锁机构工作—>释放运载火箭—>运载火箭正常起飞—>橇车制动返回。

火箭工作段，火箭弹射后进行姿态调整到初始运动状态—>在一级火箭助推器工作下快速冲出大气层—>一级飞行段采用零攻角、重力转弯—>二级以上飞行段采用固定俯仰角速率飞行—>级间滑行段采用常值姿态角—>末级关机后星箭分离、卫星入轨。

本发明实施例提供的基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，利用磁悬浮与电磁推进分系统，为运载火箭提供一定的初始速度和初始高度，在此基础上利用橇车分系统，实现运载火箭接力工作，将运载火箭等有效载荷送入预定轨道，实现运载火箭的发射。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于磁悬浮电磁助推的运载火箭发射系统，其特征在于，包括：

轨道分系统，包括沿着指定路线设置的道床以及设置在所述道床上的悬浮子系统，用于为运载火箭分系统提供发射轨道和系统所需的悬浮力、导向力，所述发射轨道由轨道起始段、弯道加速段和减速段构成；

橇车分系统，通过所述悬浮子系统与所述轨道分系统连接，用于承载所述运载火箭分系统在所述轨道分系统发射，并在运载火箭发射阶段实现解锁分离；

电磁推进分系统，用于提供所述橇车分系统和所述运载火箭分系统行驶所需的推进力；

运载火箭分系统，用于装载和运送卫星并在所述轨道分系统行驶；

综合指挥控制分系统，分别与所述轨道分系统、橇车分系统、电磁推进分系统、运载火箭分系统网络连接，以监控各个分系统的实时工作状态并下发控制指令。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述悬浮子系统包括感应轨道和超导块材，所述感应轨道均匀铺设于所述道床上，所述超导块材设置在所述橇车分系统底部，当所述橇车分系统与所述感应轨道相对运动时，在所述感应轨道中产生感应磁场，使得超导块材的磁场与所述感应磁场相互作用产生悬浮斥力，实现轨道分系统与所述橇车分系统的分离。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述电磁推进分系统，包括直线电机、电力变化调节装置、能量存储装置和制动装置；

所述直线电机包括两级结构，所述直线电机的初级设置在发射轨道侧壁上，所述电机的次级设置在所述橇车分系统上，所述直线电机的两级结构通过运动方向的相互作用，牵引所述橇车分系统在运动方向上加速行驶；

所述电力变化调节装置，用于调节所述直线电机的电力变化；

所述能量存储装置，用于为所述电力变化调节装置供电；

所述制动装置，用于实现对所述橇车分系统的减速或停止运行控制。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述能量存储装置包括设置在所述轨道分系统一侧的飞轮、储能装置，所述储能装置于电网相连；

所述储能装置产生的电能传入沿线间隔设置的轨旁变电站，后经沿路供电电缆分段传入安装在所述感应轨道上的直线电机的初级。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述橇车分系统，包括车体、杜瓦整流罩以及锁定及解锁机构；

所述车体，设置在悬浮子系统上，用于承载所述运载火箭分系统进行发射，并在所述锁定及解锁机构释放所述运载火箭分系统之后返回；

所述杜瓦整流罩，用于保护所述运载火箭分系统，以防止所述运载火箭分系统受气动力、气动加热和/或声振的影响；

所述锁定及解锁机构，用于锁定所述运载火箭分系统，并在到达指定位置时解锁，释放所述运载火箭分系统。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述橇车分系统，还包括：

橇车监控设备，用于监控承载有所述运载火箭分系统的车体的实时发射状态。

7.根据权利要求1-6任一项所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述综合指挥控制分系统，包括发射集中控制子系统、指挥调度子系统和视频监控子系统；

所述发射集中控制子系统，用于实现自动悬浮控制功能、电力牵引控制功能、电力制动与机械制动控制功能和电源控制功能；

所述指挥调度子系统，与控制中心通信连接，用于与控制中心进行通信实现综合指挥调度；

所述视频监控子系统，用于实现速度测量、运载火箭定位、进站检测、全运载火箭状态检测与故障诊断。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述视频监控子系统包括计算机模拟设置与监控界面、CAN-USB转接卡、监控与通讯电路；

计算机模拟设置与监控界面具有显示和信息交换作用，通过CAN-USB转接卡同监控与通讯电路进行通讯，CAN-USB转接卡通过CAN总线与监控与通讯电路连接。

9.根据权利要求7所述的磁悬浮电磁助推发射系统，其特征在于，所述综合指挥控制分系统，还包括：

大屏显示子系统，用于对所述视频监控子系统采集的数据进行显示。