CN111846285A - 基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导及航天发射技术领域，公开了一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统。该系统包括发射装置、超导块材/堆叠涂层超导体、悬浮超导磁体、永磁体和轨道导体，超导块材/堆叠涂层超导体设置在发射装置内与轨道对应的位置上，悬浮超导磁体设置在发射装置的底部表面上，永磁体设置在发射线路的静止及低速运行段发射轨道上，轨道导体设置在发射线路的高速及超高速运行段轨道上或在轨道上通长设置，在静止及低速运行段，超导块材/堆叠涂层超导体和永磁体相互作用以支撑发射装置并为发射装置提供导向力，在高速及超高速运行段，悬浮超导磁体和轨道导体中的感应电流相互作用以为发射装置提供悬浮力和导向力。

Description

基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统

技术领域

本发明涉及超导及航天发射技术领域，尤其涉及一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统。

背景技术

发射系统由于其搭载被试物的特殊性，要求运动过程中具有较低的振动，防止被试物因振动幅度过大而损坏。现有的近地面发射主要以滑靴与滑轨约束配合方式实现支承和导向，通过对滑靴进行减振设计，隔离滑靴与滑轨之间的碰撞引起的振动响应，达到减振的目的。超高速发射时，碰撞幅值急剧增大，将给滑靴减振设计提出巨大挑战。因此，超音速发射系统大多以磁悬浮方式支撑，如美国的Holloman发射基地正研发磁悬浮支承、Ma10左右的发射系统。

然而，现有的磁悬浮支承方式尚无法实现发射系统从低速到超音速的全速域悬浮运行。

发明内容

本发明提供了一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统，能够解决现有技术中无法实现发射系统从低速到超音速的全速域悬浮运行的技术问题。

本发明提供了一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统，其中，该系统包括发射装置、超导块材/堆叠涂层超导体、悬浮超导磁体、永磁体和轨道导体，所述超导块材/堆叠涂层超导体设置在所述发射装置内与轨道对应的位置上，所述悬浮超导磁体设置在所述发射装置的底部表面上，所述永磁体设置在发射线路的静止及低速运行段发射轨道上，所述轨道导体设置在发射线路的高速及超高速运行段轨道上或在轨道上通长设置，在静止及低速运行段，所述超导块材/堆叠涂层超导体和所述永磁体相互作用以支撑所述发射装置并为所述发射装置提供导向力，在高速及超高速运行段，所述悬浮超导磁体和所述轨道导体中的感应电流相互作用以为所述发射装置提供悬浮力和导向力。

优选地，所述永磁体在对应运行段轨道上水平铺设。

优选地，所述轨道导体铺设在对应运行段轨道侧壁上。

优选地，该系统还包括设置在轨道上的地面定子线圈，所述悬浮超导磁体与所述地面定子线圈相互作用为所述发射装置提供推进力。

优选地，该系统还包括火箭发动机，设置在所述发射装置上为所述发射装置提供推进力。

优选地，该系统还包括设置在所述发射装置左右两侧的感应单元和在轨道上对应设置的地面定子线圈，所述感应单元与所述地面定子线圈相互作用为所述发射装置提供推进力。

优选地，该系统还包括设置在所述发射装置内左右两侧的推进超导磁体和在轨道上对应设置的地面定子线圈，所述推进超导磁体与所述地面定子线圈相互作用为所述发射装置提供推进力。

优选地，该系统还包括设置在所述发射装置底部且以所述悬浮超导磁体间隔开的感应单元和设置在轨道上的地面定子线圈，所述悬浮超导磁体与对应于所述悬浮超导磁体的所述地面定子线圈相互作用为所述发射装置提供推进力，同时所述感应单元与对应于所述感应单元的所述地面定子线圈相互作用为所述发射装置提供推进力。

优选地，所述地面导体为高电导率金属板或线圈。

优选地，高电导率金属为铜或铝。

通过上述技术方案，可以设置所述超导块材/堆叠涂层超导体和所述永磁体提供钉扎悬浮特性，设置所述悬浮超导磁体和所述轨道导体提供电动悬浮特性，在低速运行时，发射装置可以依靠钉扎自稳定悬浮特性能够实现支承与导向作用；在高速及超高速运行时，发射装置可以依靠超导磁体的强磁场与地面轨道导体中感应的涡流相互作用，产生悬浮、导向力。由此，可以克服超高速下钉扎悬浮、导向刚度不足，低速下电动悬浮需要机械辅助支撑的缺陷，具备从低速到超音速全速域悬浮稳定运行的特点(即，全运动过程无摩擦运行)。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的发射线路示意图；

图2为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的发射线路示意图；

图3为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图；

图4为根据本发明实施例的一种包含双边超导直线同步电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图；

图5为根据本发明实施例的一种包含火箭发动机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图；

图6为根据本发明实施例的一种包含单边感应直线电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图；

图7为根据本发明实施例的一种包含单边超导同步直线电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图；

图8为根据本发明实施例的一种包含双边超导直线同步电机和双边直线感应电机组合动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的发射线路示意图；

图2为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的发射线路示意图；

图3为根据本发明实施例的一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

其中，本发明所述的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统例如可以用于低阻、低振动、超音速发射系统或近地面超音速运载工具等方面，

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统，其中，该系统包括发射装置1、超导块材/堆叠涂层超导体2、悬浮超导磁体3、永磁体4和轨道导体5，所述超导块材/堆叠涂层超导体2设置在所述发射装置1内与轨道对应的位置上，所述悬浮超导磁体3设置在所述发射装置1的底部表面上，所述永磁体4设置在发射线路的静止及低速运行段发射轨道上，所述轨道导体5设置在发射线路的高速及超高速运行段轨道上(例如，参见图1)或在轨道上通长设置(例如，参见图2)，在静止及低速运行段，所述超导块材/堆叠涂层超导体2和所述永磁体4相互作用以支撑所述发射装置1并为所述发射装置1提供导向力，在高速及超高速运行段，所述悬浮超导磁体3和所述轨道导体5中的感应电流相互作用以为所述发射装置1提供悬浮力和导向力。

举例来讲，所述超导块材/堆叠涂层超导体2和所述永磁体4可以组成钉扎悬浮系统提供钉扎悬浮特性，而所述悬浮超导磁体3和所述轨道导体5可以组成电动悬浮系统提供电动悬浮特性。在静止状态下，发射装置1置于轨道上方预定高度，通过零场冷却使具有超导块材/堆叠涂层超导体2的发射装置1稳定悬浮于设置有永磁4的轨道上方，即静止状态下通过钉扎悬浮支承发射装置1，实现发射系统静止稳定悬浮；从静止到开始运动达到电动悬浮系统起浮速度前(即，低速运行时)，通过钉扎悬浮提供稳定的悬浮、导向力，约束发射装置沿航向运动(超导块材/堆叠涂层超导体因自身的抗磁性及磁通钉扎效应，在永磁轨道提供的外场中实现自稳定悬浮，静止及低速运行时为发射装置提供足够的悬浮力及导向力)；在速度达到电动悬浮起浮速度后(即，高速及超高速运行时)，车载超导块材/堆叠涂层超导体2与设置有永磁体4的轨道脱离，轨道导体5中能够感应足够大的电流，感应电流与悬浮超导磁体3相互作用产生悬浮及导向力，即，可以依靠电动悬浮提供稳定的悬浮、导向力，支承并约束发射系统沿航向运动。

通过上述技术方案，可以设置所述超导块材/堆叠涂层超导体和所述永磁体提供钉扎悬浮特性，设置所述悬浮超导磁体和所述轨道导体提供电动悬浮特性，在低速运行时，发射装置可以依靠钉扎自稳定悬浮特性能够实现支承与导向作用；在高速及超高速运行时，发射装置可以依靠超导磁体的强磁场与地面轨道导体中感应的涡流相互作用，产生悬浮、导向力。由此，可以克服超高速下钉扎悬浮、导向刚度不足，低速下电动悬浮需要机械辅助支撑的缺陷，具备从低速到超音速全速域悬浮稳定运行的特点(即，全运动过程无摩擦运行)。

根据本发明一种实施例，悬浮超导磁体3可以为低温超导磁体或高温超导磁体，设置在所述发射装置1的底部表面的中间位置上。

换言之，悬浮超导磁体3可以采用高温超导材料或低温超导材料绕制。

根据本发明一种实施例，所述永磁体4在对应运行段轨道上水平铺设。

由此，可以实现水平支承悬浮。

根据本发明一种实施例，所述轨道导体5铺设在对应运行段轨道侧壁上。

由此，可以实现侧壁悬浮。

图4为根据本发明实施例的一种包含双边超导直线同步电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

根据本发明一种实施例，如图4所示，该系统还包括设置在轨道上的地面定子线圈6，所述悬浮超导磁体3与所述地面定子线圈6相互作用为所述发射装置1提供推进力。

举例来讲，如图4所示，超导块材/堆叠涂层超导体与永磁体组合构成钉扎悬浮系统；悬浮超导磁体3与所述地面定子线圈6可以构成双边超导同步直线电机动力源，且在双边超导同步直线电机动力源中，悬浮超导磁体兼具悬浮、导向与推进功能，即悬浮超导磁体与地面定子线圈组成超导直线电机，超导磁体与轨道导体组成电动悬浮系统。

其中，本领域技术人员应当理解，在悬浮超导磁体的位置确定的情况下，对应的地面定子线圈的位置就可以相应确定，本发明在此不再赘述。

图5为根据本发明实施例的一种包含火箭发动机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

根据本发明一种实施例，如图5所示，该系统还包括火箭发动机9，设置在所述发射装置1上为所述发射装置1提供推进力。

举例来讲，如图5所示，超导块材/堆叠涂层超导体与永磁体组成钉扎悬浮系统，静止及低速运行时支承发射装置；火箭发动机作为系统动力来源，例如可以设置于发射装置左右两侧对称位置(图中未示出)，保证推力通过系统质心，避免产生附加力矩；超导磁体与地面导体组成电动悬浮系统，高速及超高速下支承发射装置稳定运行。

图6为根据本发明实施例的一种包含单边感应直线电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

根据本发明一种实施例，如图6所示，该系统还包括设置在所述发射装置1左右两侧的感应单元7和在轨道上对应设置的地面定子线圈6，所述感应单元7与所述地面定子线圈6相互作用为所述发射装置1提供推进力。

举例来讲，如图6所示，超导块材/堆叠涂层超导体与永磁体组成钉扎悬浮系统，超导磁体与轨道导体组成电动悬浮系统；发射装置整体外形例如可以为T字形，单边感应直线电机由地面定子线圈与感应单元(例如，感应板)组成，设置于发射装置T形宽边两侧，在确保推力过质心的同时有足够空间增加法向支撑，抵抗电机法向力。此外，本发明实施例所述的电机布局形式工程可实现性强，可以降低工程建设难度及风险。

其中，本领域技术人员应当理解，在感应单元的位置确定的情况下，对应的地面定子线圈的位置就可以相应确定，本发明在此不再赘述。

图7为根据本发明实施例的一种包含单边超导同步直线电机动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

根据本发明一种实施例，如图7所示，该系统还包括设置在所述发射装置1内左右两侧的推进超导磁体8和在轨道上对应设置的地面定子线圈6，所述推进超导磁体8与所述地面定子线圈6相互作用为所述发射装置1提供推进力。

举例来讲，如图7所示，超导磁体/堆叠涂层超导体与永磁体组成钉扎悬浮系统，悬浮超导磁体与轨道导体组成电动悬浮系统；发射装置整体布局为T字构型，单边超导同步直线电机由地面定子线圈与推进超导磁体组成，设置于发射装置T形宽边两侧，确保推力过系统质心且有足够空间增加法向支撑，抵抗电机法向力。此外，本发明实施例所述的电机布局形式解耦了超导磁体功能(分推进、悬浮用超导磁体)，简化了超导磁体受载工况，进而降低超导磁体研制难度并提高其可靠性，电机布局形式工程可实现性强，降低工程建设难度及风险。

其中，本领域技术人员应当理解，在推进超导磁体的位置确定的情况下，对应的地面定子线圈的位置就可以相应确定，本发明在此不再赘述。

图8为根据本发明实施例的一种包含双边超导直线同步电机和双边直线感应电机组合动力源的基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统的示意图。

根据本发明一种实施例，如图8所示，该系统还包括设置在所述发射装置1底部且以所述悬浮超导磁体3间隔开的感应单元7和设置在轨道上的地面定子线圈6，所述悬浮超导磁体3与对应于所述悬浮超导磁体3的所述地面定子线圈6相互作用为所述发射装置1提供推进力，同时所述感应单元7与对应于所述感应单元7的所述地面定子线圈6相互作用为所述发射装置1提供推进力。

举例来讲，如图8所示，超导块材/堆叠涂层超导体与永磁体构成钉扎悬浮系统；双边超导同步直线电机动力源中，悬浮超导磁体兼具悬浮、导向及推进功能，悬浮超导磁体与对应地面定子线圈组成超导同步直线电机，悬浮超导磁体与轨道导体组成电动悬浮系统；双边感应直线电机动力源中，感应单元(例如，感应板)与对应地面定子线圈组成感应电机。采用感应与同步混合直线电机作为动力源，存在如下优势：1、提高系统推力：发射系统动力由同步电机、感应电机共同提供，可以根据优化设计提高动力系统总推力同时合理分配同步、感应电机产生推力的比例，进而降低电机设计难度；2、提高系统可靠性：超导磁体由低温或高温超导构成，同步电机运行过程中，存在外部电磁或机械扰动，可能引发磁体温升，恶劣工况下超导磁体可能失超，丧失推进作用。感应电机可在超导磁体失超后持续为发射系统提供动力，降低动力系统失效风险；3、降低动力系统成本：采用单一直线感应电机形式，动力系统存在大推力下感应板刚强度不足，设计及加工困难，研制成本高。采用单一超导同步直线电机，大推力下超导磁体尺寸大，制冷、设计及加工困难，磁体通流大，安全裕度低，同时，存在失超可能进而丧失推进能力。采用感应、同步混合动力，在确保大推力下可提高系统可靠性，降低电机设计难度及系统成本。

其中，本领域技术人员应当理解，在述悬浮超导磁体和感应单元的位置分别确定的情况下，各自对应的地面定子线圈的位置就可以相应确定，本发明在此不再赘述。

综上所述，发射系统的动力来源可采用双边超导直线同步电机、双边直线感应电机、单边超导直线同步电机、单边直线感应电机或火箭发动机助推等形式达到超音速速度。

根据本发明一种实施例，所述地面导体5为高电导率金属板或线圈。

根据本发明一种实施例，高电导率金属为铜或铝。

举例来讲，所述地面导体5可以为以下中任一种：铜板、铝板、铜线圈、和铝线圈等，本发明不对此进行限定。

从上述实施例可以看出，本发明上述的基于电动钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统融合了电动、钉扎磁悬浮各自的特点及优势，相比采用单一磁悬浮支撑方式而言，混合磁悬浮支撑克服了高速及超高速运行下钉扎磁悬浮导向刚度、悬浮刚度不足，抗干扰能力弱，低速下电动磁悬浮必须机械辅助支撑的缺陷，可以实现从低速到超音速全速范围内悬浮稳定运行，消除传统滑靴与滑轨约束或低速机械支撑的电动悬浮发射方式带来的机械振动、磨损等问题。并且，钉扎悬浮结构简单、质量轻，作为静态及低速支撑方式不需要复杂的控制系统(电磁悬浮需要)、车载超导块材质量低于车载电磁铁，因而可进一步提高发射系统的有效载荷并简化发射系统结构。在静止及低速运行段，钉扎与电动磁悬浮组合工作，可进一步提高发射系统抗滚转、偏航、俯仰能力，进而提高系统运行的稳定性及可靠性。此外，电动、钉扎混合磁悬浮发射系统可兼容火箭发动机、单边直线感应电机、单边直线同步电机、双边直线感应电机、双边直线同步电机等多种动力源，可用于热发射及冷发射，系统兼容性及扩展性强。

总的来讲，本发明上述实施例所述的发射系统可以实现超音速发射全速域悬浮稳定运行，创造低阻、低振动运行环境，是一种从低速到超音速全速范围内的被动自稳定悬浮系统。低速运行，利用车载高温超导块材/堆叠涂层超导体与地面永磁轨道构成钉扎悬浮；高速及超高速运行，采用车载超导磁体与地面导体构成电动悬浮系统，通过低速、高速及超高速采用不同悬浮制式实现全速域悬浮稳定运行。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电动及钉扎混合磁悬浮的超音速发射系统，其特征在于，该系统包括发射装置(1)、超导块材/堆叠涂层超导体(2)、悬浮超导磁体(3)、永磁体(4)和轨道导体(5)，所述超导块材/堆叠涂层超导体(2)设置在所述发射装置(1)内与轨道对应的位置上，所述悬浮超导磁体(3)设置在所述发射装置(1)的底部表面上，所述永磁体(4)设置在发射线路的静止及低速运行段发射轨道上，所述轨道导体(5)设置在发射线路的高速及超高速运行段轨道上或在轨道上通长设置，在静止及低速运行段，所述超导块材/堆叠涂层超导体(2)和所述永磁体(4)相互作用以支撑所述发射装置(1)并为所述发射装置(1)提供导向力，在高速及超高速运行段，所述悬浮超导磁体(3)和所述轨道导体(5)中的感应电流相互作用以为所述发射装置(1)提供悬浮力和导向力。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述永磁体(4)在对应运行段轨道上水平铺设。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述轨道导体(5)铺设在对应运行段轨道侧壁上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括设置在轨道上的地面定子线圈(6)，所述悬浮超导磁体(3)与所述地面定子线圈(6)相互作用为所述发射装置(1)提供推进力。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括火箭发动机(9)，设置在所述发射装置(1)上为所述发射装置(1)提供推进力。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括设置在所述发射装置(1)左右两侧的感应单元(7)和在轨道上对应设置的地面定子线圈(6)，所述感应单元(7)与所述地面定子线圈(6)相互作用为所述发射装置(1)提供推进力。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括设置在所述发射装置(1)内左右两侧的推进超导磁体(8)和在轨道上对应设置的地面定子线圈(6)，所述推进超导磁体(8)与所述地面定子线圈(6)相互作用为所述发射装置(1)提供推进力。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括设置在所述发射装置(1)底部且以所述悬浮超导磁体(3)间隔开的感应单元(7)和设置在轨道上的地面定子线圈(6)，所述悬浮超导磁体(3)与对应于所述悬浮超导磁体(3)的所述地面定子线圈(6)相互作用为所述发射装置(1)提供推进力，同时所述感应单元(7)与对应于所述感应单元(7)的所述地面定子线圈(6)相互作用为所述发射装置(1)提供推进力。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述地面导体(5)为高电导率金属板或线圈。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，高电导率金属为铜或铝。

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