CN112520065A - 一种月面电磁发射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种月面电磁发射系统，包括月面电磁发射轨道和月面电磁发射航天器，在月面电磁发射轨道上，月面电磁发射轨道与月面夹角为A°，通过直线感应电机作用产生的电磁力实现对月面电磁发射航天器的加速，在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离，分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。本发明实现了舰载导弹的快速实战化发射，有效提高舰载武器的实战能力和作战效能。

Description

一种月面电磁发射系统及方法

技术领域

本发明涉及一种月面电磁发射系统及方法，属于导弹系统总体技术领域。

背景技术

电磁发射技术是一种能将物体加速到超高速的新概念发射技术，它借助电磁力做功，将电磁能转化为动能，可以实现飞机、导弹、火箭、航天器等多种物体的发射。电磁发射技术具有如下优势：一是电磁发射装置可以多次使用，有助于降低发射成本；二是发射流程简化，可以实现更加快速的发射航天器；三是用于地外星体表面航天器发射或大范围机动时，可以大幅减少推进剂携带量，从而减少任务规模和成本。电磁发射技术将是影响未来航天活动的革命性技术，潜在应用价值巨大，对于创新月面活动方案，开发地月空间具有重要意义。

目前，国外对于电磁发射航天器开展了探索研究，形成不同的总体方案构想，并开展了小型试验系统建设。国内在磁悬浮发射技术方面尚处于研究探索时期，针对磁悬浮发射系统的概念方案、组成及某些关键技术开展了相应论证和分析。国内外研究均主要瞄准从地面进入地球轨道的发射任务，月面电磁发射技术研究涉及少。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种月面电磁发射系统及方法，实现舰载导弹的快速实战化发射，有效提高舰载武器的实战能力和作战效能。

本发明解决技术的方案是：

一种月面电磁发射系统，包括月面电磁发射轨道和月面电磁发射航天器，在月面电磁发射轨道上，月面电磁发射轨道与月面夹角为A°，通过直线感应电机作用产生的电磁力实现对月面电磁发射航天器的加速，在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离，分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

进一步的，月面电磁发射轨道与月面夹角为0°-10°。

进一步的，月面电磁发射轨道斜坡式分叉构型电磁轨道，飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同射向。

进一步的，航天器为圆台式月面电磁发射航天器，其表面设置加强筋，短边与长边的比6：10。

进一步的，圆台式月面电磁发射航天器内设置有推进分系统、电气分系统、GNC分系统、热控分系统。

进一步的，直线感应电机包括定子和转子，定子铁心分为左右两段，其内布置有电枢绕组，电机的励磁绕组为一个圆环形线圈，放置在定子上，固定在左右两个定子铁心中，环绕电机转子，其轴线与电机轴线重合。

进一步的，转子上无任何绕组，为实心结构，左右两段的齿槽错开，当励磁绕组通以直流电且转子静止时，由于磁路磁阻的不同，在左右两个定子铁心下的气隙内分别产生方向相反、且在最大最小值之间交变的空间静止磁场，该磁场会随着转子的转动而一起旋转，电枢绕组中产生脉振磁通，进而产生感应电势，实现机电能量转换。

进一步的，当转子不动，励磁绕组通入直流电流，且电枢绕组开路时，由励磁电流建立的感应子发电机主磁通依次经过转轴→右边转子齿→右边气隙→右边定子铁心→机座→左边定子铁心→左边气隙→左边转子齿→转轴形成闭合磁路。

进一步的，每一块定子对应两个极距，即一相绕组在一块定子内达成360度电角度。

一种月面电磁发射方法，具体步骤如下：

S1、将月面电磁发射航天器连接至月面电磁发射轨道的动子上；

S2、脉冲电源给直线感应电机供电，产生电磁力并作用在动子上，动子带动航天器在电磁力的作用下沿着电磁轨道加速运动；

S3、在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离；

S4、分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出的斜坡式分叉构型电磁轨道，飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同射向，可满足不同轨道倾角及不同射向航天器发射任务的需求；

(2)本发明提出一种圆台式月面电磁发射航天器构型方案，满足承受大电磁推力、承受大过载、传力结构优化等月面电磁发射任务需求，在满足航天器性能要求的基础上实现了航天器结构系统轻量化。

(3)本发明提出电枢绕组、励磁绕组在定子侧，转子与飞轮一体的月面电磁发射电源方案，有效提高了电源的储能密度和可靠性，降低了月面电磁发射系统的建造及维护成本。

附图说明

图1为本发明电磁轨道示意图；

图2为本发明月面电磁发射系统组成；

图3为本发明能量储存分系统组成；

图4为本发明电力调节分系统示意图；

图5为本发明PWM整流器模型电路；

图6为本发明定子绕组示意图；

图7为本发明供电方式示意图；

图8为本发明控制分系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种月面电磁发射系统，如图1、2所示，包括月面电磁发射轨道和月面电磁发射航天器，在月面电磁发射轨道上，月面电磁发射轨道与月面夹角为A°，通过直线感应电机作用产生的电磁力实现对月面电磁发射航天器的加速，在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离，分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

月面电磁发射轨道与月面夹角为0°-10°。

月面电磁发射轨道斜坡式分叉构型电磁轨道，飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同射向。

每一块定子对应两个极距，即一相绕组在一块定子内达成360度电角度。

一种月面电磁发射方法，具体步骤如下：

S1、将月面电磁发射航天器连接至月面电磁发射轨道的动子上；

S2、脉冲电源给直线感应电机供电，产生电磁力并作用在动子上，动子带动航天器在电磁力的作用下沿着电磁轨道加速运动；

S3、在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离；

S4、分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

实施例

如图2所示，月面电磁发射系统由能量储存分系统、电力调节分系统、电磁推进系统、控制分系统、热控分系统和发射保障分系统、电磁发射航天器组成。

轨道：在月面选择一处山峰地势建设电磁轨道，轨道入口设在地面，轨道出口设在山顶，轨道末端采取斜坡式分叉构型，如图1所示。飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同发射方位角；可满足不同轨道倾角及不同射向航天器发射任务的需求。

月面电磁发射环月轨道任务航天器为三轴姿态稳定控制航天器，这种航天器外形选择比较自由，且月面环境接近真空，航天器方案无需考虑气动阻力问题。经过结构拓扑优化设计，为圆台形，由电磁力作用点出发的四条加强筋为集中力扩散结构，圆台壳体内外均可安装仪器设备。

另行提供航天器结构图：航天器为圆台体构型，其表面设置加强筋，短边与长边的比6：10；其内设置有推进分系统、电气分系统、GNC分系统、热控分系统。

月面电磁发射轨道包括能量储存分系统和电磁推进分系统；

能量储存分系统包括一次电源、原动机和储能脉冲发电机(脉冲电源)，如图3所示。一次电源为太阳能或核能，原动机为电动机，储能脉冲发电机采用一种新型脉冲发电机——感应子储能脉冲发电机。为感应子发电机的结构模型。

该电机是一种特殊的同性极式感应子发电机，包括定子和转子，定子铁心分为左右两段，其内布置有电枢绕组，接法与常规同步发电机相同。电机的励磁绕组是一个圆环形线圈，放置在定子上，固定在左右两个定子铁心中，环绕电机转子，其轴线与电机轴线重合。转子上无任何绕组，为实心结构，但左右两段的齿槽错开。当励磁绕组通以直流电且转子静止时，由于磁路磁阻的不同，会在左右两个定子铁心下的气隙内分别产生方向相反、且在最大最小值之间交变的空间静止磁场。根据磁通最小路径原理，该磁场会随着转子的转动而一起旋转，电枢绕组中产生脉振磁通，进而产生感应电势，实现机电能量转换。

当转子不动，励磁绕组通入直流电流，且电枢绕组开路时，由励磁电流建立的感应子发电机主磁通依次经过转轴→右边转子齿→右边气隙→右边定子铁心→机座→左边定子铁心→左边气隙→左边转子齿→转轴形成闭合磁路，感应子发电机转轴和机座除了起连接和支撑作用外，还是磁路的一部分。

电力调节分系统如图4所示，整流器采用PWM整流器，PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成，见图5。其中交流回路包括交流电动势e以及交流侧电感L等；直流回路包括负载电阻RL及负载电动势eL等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。

电磁推进系统直线电机(直线感应电机)所产生的电磁力非常大，包括定子和转子，当定子铁芯采用开槽结构时，强大的电磁力会在铁芯齿部产生过大的应力超出材料极限，因而传统的开槽铁芯结构已不再适用于这类电机，转而采用无槽结构来作为这类电机的定子铁芯。铁芯材料采用1J22合金，这种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。

电枢绕组依次按相序缠绕在定子铁芯上，采用导电性能较好的圆形铜导线。由于没有齿槽结构，需要在定子铁芯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。绕组接线图如图6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7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。

控制分系统框图如图8所示。该控制结构由两个闭环组成，其中外环为位置环，由位置指令值与反馈位置信号做差后送入位置控制器计算给出此刻线圈所需要的偏差电流值ib，偏差电流值ib分别与设定的偏置电流值Ib相加、相减后作为上线圈和下线圈电流的指令值。内环为电流环，由当前的电流指令值与反馈电流信号做差后送入电流控制器计算给出此刻线圈所需的占空比，并经过调制后得到电力电子变换器的开关动作信号。

热控分系统中发电机绕组热控系统可采用接触传热、热管、相变储热等被动散热方式，必要时，也可以采用制冷设备等主动散热方式；温控涂层采用OSR涂层的散热面布置在电源系统的顶板上加强散热；针对月面昼夜温差大，在电源系统除顶板外的其他各面上包覆多层隔热材料，在月夜期间采用主动加热措施维持电源系统内部恒温。

所述的发射保障分系统中检测诊断系统包括对电压、电流、转速、热流、温度、应变等各种动静态物理参数进行测量分析与监测评估的设备；轨道维护及维修系统包括及时排除系统故障并完成轴承润滑液的定期补充和温控材料的定期更换等维护操作的设备及装置。

本发明提出的斜坡式分叉构型电磁轨道，飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同射向，可满足不同轨道倾角及不同射向航天器发射任务的需求；

本发明提出一种圆台式月面电磁发射航天器构型方案，满足承受大电磁推力、承受大过载、传力结构优化等月面电磁发射任务需求，在满足航天器性能要求的基础上实现了航天器结构系统轻量化。

本发明提出电枢绕组、励磁绕组在定子侧，转子与飞轮一体的月面电磁发射电源方案，有效提高了电源的储能密度和可靠性，降低了月面电磁发射系统的建造及维护成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种月面电磁发射系统，其特征在于，包括月面电磁发射轨道和月面电磁发射航天器，在月面电磁发射轨道上，月面电磁发射轨道与月面夹角为A°，通过直线感应电机作用产生的电磁力实现对月面电磁发射航天器的加速，在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离，分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

2.根据权利要求1所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，月面电磁发射轨道与月面夹角为0°-10°。

3.根据权利要求1所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，月面电磁发射轨道斜坡式分叉构型电磁轨道，飞行器在轨道弧段不同位置分离可获得不同的分离仰角，进入不同分叉轨道可获得不同射向。

4.根据权利要求1所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，航天器为圆台式月面电磁发射航天器，其表面设置加强筋，短边与长边的比6：10。

5.根据权利要求4所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，圆台式月面电磁发射航天器内设置有推进分系统、电气分系统、GNC分系统、热控分系统。

6.根据权利要求1所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，直线感应电机包括定子和转子，定子铁心分为左右两段，其内布置有电枢绕组，电机的励磁绕组为一个圆环形线圈，放置在定子上，固定在左右两个定子铁心中，环绕电机转子，其轴线与电机轴线重合。

7.根据权利要求6所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，转子上无任何绕组，为实心结构，左右两段的齿槽错开，当励磁绕组通以直流电且转子静止时，由于磁路磁阻的不同，在左右两个定子铁心下的气隙内分别产生方向相反、且在最大最小值之间交变的空间静止磁场，该磁场会随着转子的转动而一起旋转，电枢绕组中产生脉振磁通，进而产生感应电势，实现机电能量转换。

8.根据权利要求7所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，当转子不动，励磁绕组通入直流电流，且电枢绕组开路时，由励磁电流建立的感应子发电机主磁通依次经过转轴→右边转子齿→右边气隙→右边定子铁心→机座→左边定子铁心→左边气隙→左边转子齿→转轴形成闭合磁路。

9.根据权利要求1所述的一种月面电磁发射系统，其特征在于，每一块定子对应两个极距，即一相绕组在一块定子内达成360度电角度。

10.一种月面电磁发射方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、将月面电磁发射航天器连接至月面电磁发射轨道的动子上；

S2、脉冲电源给直线感应电机供电，产生电磁力并作用在动子上，动子带动航天器在电磁力的作用下沿着电磁轨道加速运动；

S3、在月面电磁发射轨道出口位置，电磁发射航天器被加速至V0，电磁发射航天器与月面电磁发射轨道分离；

S4、分离后，无动力滑行至椭圆轨道的远月点，月面电磁发射航天器启动自身的发动机，进行轨道圆化，进入环月轨道。

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