CN220130344U - 同心圆式月面电磁发射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种同心圆式月面电磁发射系统，该系统设置于平坦月面且与月面之间具有预定夹角，该系统包括电磁推进装置、电动悬浮装置、能量存储装置、电流变换装置、转臂支撑装置和发射控制装置，电流变换装置用于对储存的能量进行电流变换以为电磁推进装置供电，发射控制装置控制电流变换装置的电能大小，转臂支撑装置包括转臂和转轴，转轴固定在平坦月面上，转臂绕转轴旋转，航天器设置于转臂上，电磁推进装置产生推进力以驱动转臂加速旋转，实现对航天器的加速，电动悬浮装置用于产生悬浮力和导向力，导向力用于平衡转臂旋转时的离心力，悬浮力用于平衡转臂的重力，在航天器被加速至预定速度时，航天器与转臂分离，以预定方式进入地球轨道。

Description

同心圆式月面电磁发射系统

技术领域

本实用新型涉及电磁发射技术领域，尤其涉及一种同心圆式月面电磁发射系统。

背景技术

电磁发射技术是指利用电磁力将物体加速至超高速的新型发射技术，通过将电磁能转换为动能，能够实现火箭、航天器、导弹等多种运载器的发射。电磁发射技术具有如下优势：一是大幅减少航天器的推进剂携带量，提高有效载荷的质量；二是电磁发射装置可以重复使用，能够降低单次发射成本；三是电气化、自动化程度高，具有无人值守的优势，能够应用于空间等无人环境。

目前，现有技术中关于电磁发射的研究均主要瞄准由地面进行电磁发射的任务模式，尚没有关于月面(月球表面)的电磁发射技术。

实用新型内容

本实用新型提供了一种同心圆式月面电磁发射系统，能够解决现有技术中的技术问题。

本实用新型提供了一种同心圆式月面电磁发射系统，其中，所述月面电磁发射系统设置于平坦月面且与月面之间具有预定夹角，所述月面电磁发射系统包括电磁推进装置、电动悬浮装置、能量存储装置、电流变换装置、转臂支撑装置和发射控制装置，所述能量存储装置用于储存能量，所述电流变换装置用于对储存的能量进行电流变换以为所述电磁推进装置供电，所述发射控制装置用于控制所述电流变换装置的电能大小，所述转臂支撑装置包括转臂和转轴，所述转轴固定在平坦月面上，所述转臂绕所述转轴旋转，航天器设置于所述转臂上，所述电磁推进装置用于产生推进力以驱动所述转臂加速旋转，实现对所述航天器的加速，所述电动悬浮装置用于产生悬浮力和导向力，所述导向力用于平衡所述转臂旋转时的离心力，所述悬浮力用于平衡所述转臂的重力，在所述航天器被加速至预定速度时，所述航天器与所述转臂分离，以预定方式进入地球轨道。

优选地，该系统还包括发射保障装置，所述发射保障装置包括检测诊断单元和设备维护单元，所述检测诊断单元用于对所述航天器的物理参数进行测量和监测，所述设备维护单元用于对所述月面电磁发射系统进行维护。

优选地，所述电磁推进装置为单边超导直线同步电机，所述单边超导直线同步电机包括电机定子和电机动子，所述电机定子内安装有线圈绕组，所述线圈绕组为长圆形，所述电机定子设置在平坦月面上且整体外廓为圆环形，所述电机动子设置在所述转臂上。

优选地，所述电机动子为超导磁体，所述超导磁体内安装有超导线圈绕组，所述超导线圈绕组通入直流电进行励磁以产生励磁磁场，所述电机定子通入交流电产生行波磁场，通过控制行波磁场和励磁磁场的空间角度产生电磁驱动力，以驱动所述电机动子沿预定方向运动，实现机电能量转换。

优选地，所述电动悬浮装置包括悬浮定子和悬浮动子，所述悬浮定子包括左定子和右定子，分布在所述悬浮动子两侧的平坦月面上，所述悬浮定子为无线圈绕组的实心金属导体结构。

优选地，所述左定子和右定子均包括第一定子和第二定子，第一定子和第二定子整体外廓为圆环形，第一定子的半径大于第二定子的半径，且第二定子的半径与所述电机定子的半径相同，第一定子、第二定子与所述电机定子为同心圆，所述转轴位于同心圆的圆心位置，所述转臂的第一端设置有所述航天器且与所述第一定子的位置对应，所述转臂的第二端与所述电机定子的位置对应。

优选地，所述悬浮动子与所述电机动子为同一超导磁体，当所述超导磁体作为所述悬浮动子运行时，产生的磁场在所述悬浮定子内感应出涡流，对所述超导磁体表现出斥力，斥力包括水平方向的导向力和竖直方向的悬浮力。

优选地，所述超导磁体包括第一磁体，所述第一磁体设置在所述第二端。

优选地，所述超导磁体包括第一磁体和第二磁体，其中，

所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述第一端；或者

所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述转臂上与所述第二端对称的位置，且所述第二磁体在空间上与所述电机定子的位置对应。

优选地，所述超导磁体包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述第一端，所述第三磁体设置在所述转臂上与所述第二端对称的位置，且所述第三磁体在空间上与所述电机定子的位置对应。

通过上述技术方案，航天器在不同旋转角度下分离时可以获得不同射向，满足不同射向航天器发射任务的需求，通过电动悬浮装置产生的悬浮力与导向力改善转臂的力学性能，降低月面电磁发射装置的设计与建造难度，从而解决月地运输、月地返回发射能力不足等问题，有效提升运载器运载能力。

附图说明

所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出了根据本实用新型实施例提供的一种同心圆式月面电磁发射系统的示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例提供的电动悬浮装置和电磁推进装置的结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例提供的电动悬浮装置工作原理示意图；

图4示出了根据本实用新型实施例提供的电磁推进装置工作原理示意图。

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。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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实用新型的范围。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示出了根据本实用新型实施例提供的一种同心圆式月面电磁发射系统的示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种同心圆式月面电磁发射系统，其中，所述月面电磁发射系统设置于平坦月面且与月面之间具有预定夹角，所述月面电磁发射系统包括电磁推进装置10、电动悬浮装置12、能量存储装置14、电流变换装置16、转臂支撑装置18和发射控制装置20，所述能量存储装置14用于储存能量，所述电流变换装置16用于对储存的能量进行电流变换以为所述电磁推进装置供电，所述发射控制装置20用于控制所述电流变换装置的电能大小，所述转臂支撑装置18包括转臂和转轴，所述转轴固定在平坦月面上，所述转臂绕所述转轴旋转，航天器设置于所述转臂上，所述电磁推进装置10用于产生推进力以驱动所述转臂加速旋转，实现对所述航天器的加速，所述电动悬浮装置12用于产生悬浮力和导向力，所述导向力用于平衡所述转臂旋转时的离心力，所述悬浮力用于平衡所述转臂的重力，在所述航天器被加速至预定速度时，所述航天器与所述转臂分离，以预定方式进入地球轨道。

也就是，通过电动悬浮装置产生的导向力和转臂共同平衡转臂旋转时的离心力，通过电动悬浮装置产生的悬浮力和转臂共同平衡转臂的重力，在月面电磁发射装置的出口位置，航天器被加速至预定速度，电磁发射航天器与月面电磁发射系统分离，分离后，按照预定方式进入地球轨道。

通过上述技术方案，航天器在不同旋转角度下分离时可以获得不同射向，满足不同射向航天器发射任务的需求，通过电动悬浮装置产生的悬浮力与导向力改善转臂的力学性能，降低月面电磁发射装置的设计与建造难度，从而解决月地运输、月地返回发射能力不足等问题，有效提升运载器运载能力。

举例来讲，所述能量存储装置、电流变换装置、发射控制装置和电磁推进装置通过供电网相连，储能装置输出高功率直流电，电流变换装置将高功率直流电转换为频率和幅值可调节的高功率交流电，为电磁推进装置的电机定子供电。

其中，通过发射控制装置控制电流变换装置的电能大小，可以改变电磁推进装置的推进力，从而调节载体的推射末速度，满足发射任务的需求。

根据本实用新型一种实施例，该系统还包括发射保障装置22，所述发射保障装置包括检测诊断单元和设备维护单元，所述检测诊断单元用于对所述航天器的物理参数进行测量和监测，所述设备维护单元用于对所述月面电磁发射系统进行维护。

举例来讲，所述发射保障装置中的检测诊断单元可以对速度、温度、电压、电流、加速度等各种物理参数进行测量与监测；所述发射保障装置中的设备维护单元可以及时排除系统故障并完成转臂、超导磁体的定期检查和工作介质的定期更换等维护操作。

图2示出了根据本实用新型实施例提供的电动悬浮装置和电磁推进装置的结构示意图。

根据本实用新型一种实施例，所述电磁推进装置10为单边超导直线同步电机，所述单边超导直线同步电机包括电机定子1和电机动子，所述电机定子1内安装有线圈绕组，所述线圈绕组为长圆形，所述电机定子1设置在平坦月面上且整体外廓为圆环形，所述电机动子设置在所述转臂4上。

其中，电机定子整体外廓采用圆环形，可以使航天器在圆形电机内能够持续不断的加速，可以获得较大的发射速度，降低电机推力要求。

根据本实用新型一种实施例，所述电机动子为超导磁体3，所述超导磁体3内安装有超导线圈绕组，所述超导线圈绕组通入直流电进行励磁以产生励磁磁场，所述电机定子1通入交流电产生行波磁场，通过控制行波磁场和励磁磁场的空间角度产生电磁驱动力，以驱动所述电机动子沿预定方向运动，实现机电能量转换。

也就是，当超导磁体3与电机定子1相互作用产生电磁力时，推动转臂与航天器一起加速旋转(电磁推进装置的工作原理如图4所示)，转臂旋转时的离心力由转臂和电动悬浮装置产生的导向力共同承担。通过设置电动悬浮装置的设计参数可以调节转臂与悬浮装置的载荷分配比，转臂自身的重力由转臂和电动悬浮装置产生的悬浮力共同承担。

根据本实用新型一种实施例，所述电动悬浮装置包括悬浮定子和悬浮动子，所述悬浮定子包括左定子和右定子，分布在所述悬浮动子两侧的平坦月面上，所述悬浮定子为无线圈绕组的实心金属导体结构。

举例来讲，悬浮定子可以是铜板、钢板或铝板。

根据本实用新型一种实施例，所述左定子和右定子均包括第一定子2和第二定子7，第一定子2和第二定子7整体外廓为圆环形，第一定子2的半径大于第二定子7的半径，且第二定子7的半径与所述电机定子1的半径相同，第一定子2、第二定子7与所述电机定子2为同心圆，所述转轴6位于同心圆的圆心位置，所述转臂4的第一端C设置有所述航天器5且与所述第一定子2的位置对应，所述转臂的第二端A与所述电机定子1的位置对应。

其中，以同心圆的圆心位置(即，转轴与转臂连接处)为分界点，分界点一侧的转臂长度小于另一侧的转臂长度。

更进一步地，转臂为长度可调节的转臂，通过调节转臂长度，可以改变超导磁体与航天器的旋转半径，减小电机定子的建设规模，满足轻量化的月面电磁发射装置建设需求。

根据本实用新型一种实施例，所述悬浮动子与所述电机动子为同一超导磁体3(即，悬浮动子和电机动子共用超导磁体)，当所述超导磁体3作为所述悬浮动子运行时，产生的磁场在所述悬浮定子内感应出涡流，对所述超导磁体3表现出斥力，斥力包括水平方向的导向力和竖直方向的悬浮力，如图3所示。

其中，所述超导磁体的中心线位于左定子与右定子的中心线左侧(或右侧)时，左定子(右定子)产生的斥力高于右定子(左定子)。

根据本实用新型一种实施例，所述超导磁体3包括第一磁体，所述第一磁体设置在所述第二端C。

根据本实用新型一种实施例，所述超导磁体3包括第一磁体和第二磁体，其中，

所述第一磁体设置在所述第二端C，所述第二磁体设置在所述第一端A；或者

所述第一磁体设置在所述第二端C，所述第二磁体设置在所述转臂4上与所述第二端C对称的位置B，且所述第二磁体在空间上与所述电机定子1的位置对应。

根据本实用新型一种实施例，所述超导磁体3包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，所述第一磁体设置在所述第二端C，所述第二磁体设置在所述第一端A，所述第三磁体设置在所述转臂上与所述第二端C对称的位置B，且所述第三磁体在空间上与所述电机定子1的位置对应。

本实用新型实施例还提供了一种利用上述实施例所述的同心圆式月面电磁发射系统执行的同心圆式月面电磁发射方法，该方法包括：

S1、将航天器连接至月面电磁发射系统的转臂上；

S2、能量存储装置储存能量，电流变换装置为超导直线同步电机供电，在电机动子上产生电磁力，电机动子带动转臂旋转，航天器沿着转轴加速旋转；

S3、在月面电磁发射装置出口位置，航天器被加速至预定速度，航天器与同心圆式月面电磁发射系统分离；

S4、分离后，航天器按照预定方式进入地球轨道。

在本实用新型中，航天器例如可以是火箭、导弹、飞机等，通过改变转臂上的适配装置，可以满足不同载体的发射任务需求。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制；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实用新型保护范围的限制。

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

Claims (10)

1.一种同心圆式月面电磁发射系统，其特征在于，所述月面电磁发射系统设置于平坦月面且与月面之间具有预定夹角，所述月面电磁发射系统包括电磁推进装置、电动悬浮装置、能量存储装置、电流变换装置、转臂支撑装置和发射控制装置，所述能量存储装置用于储存能量，所述电流变换装置用于对储存的能量进行电流变换以为所述电磁推进装置供电，所述发射控制装置用于控制所述电流变换装置的电能大小，所述转臂支撑装置包括转臂和转轴，所述转轴固定在平坦月面上，所述转臂绕所述转轴旋转，航天器设置于所述转臂上，所述电磁推进装置用于产生推进力以驱动所述转臂加速旋转，实现对所述航天器的加速，所述电动悬浮装置用于产生悬浮力和导向力，所述导向力用于平衡所述转臂旋转时的离心力，所述悬浮力用于平衡所述转臂的重力，在所述航天器被加速至预定速度时，所述航天器与所述转臂分离，以预定方式进入地球轨道。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括发射保障装置，所述发射保障装置包括检测诊断单元和设备维护单元，所述检测诊断单元用于对所述航天器的物理参数进行测量和监测，所述设备维护单元用于对所述月面电磁发射系统进行维护。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁推进装置为单边超导直线同步电机，所述单边超导直线同步电机包括电机定子和电机动子，所述电机定子内安装有线圈绕组，所述线圈绕组为长圆形，所述电机定子设置在平坦月面上且整体外廓为圆环形，所述电机动子设置在所述转臂上。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电机动子为超导磁体，所述超导磁体内安装有超导线圈绕组，所述超导线圈绕组通入直流电进行励磁以产生励磁磁场，所述电机定子通入交流电产生行波磁场，通过控制行波磁场和励磁磁场的空间角度产生电磁驱动力，以驱动所述电机动子沿预定方向运动，实现机电能量转换。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电动悬浮装置包括悬浮定子和悬浮动子，所述悬浮定子包括左定子和右定子，分布在所述悬浮动子两侧的平坦月面上，所述悬浮定子为无线圈绕组的实心金属导体结构。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述左定子和右定子均包括第一定子和第二定子，第一定子和第二定子整体外廓为圆环形，第一定子的半径大于第二定子的半径，且第二定子的半径与所述电机定子的半径相同，第一定子、第二定子与所述电机定子为同心圆，所述转轴位于同心圆的圆心位置，所述转臂的第一端设置有所述航天器且与所述第一定子的位置对应，所述转臂的第二端与所述电机定子的位置对应。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述悬浮动子与所述电机动子为同一超导磁体，当所述超导磁体作为所述悬浮动子运行时，产生的磁场在所述悬浮定子内感应出涡流，对所述超导磁体表现出斥力，斥力包括水平方向的导向力和竖直方向的悬浮力。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超导磁体包括第一磁体，所述第一磁体设置在所述第二端。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超导磁体包括第一磁体和第二磁体，其中，

所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述第一端；或者

所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述转臂上与所述第二端对称的位置，且所述第二磁体在空间上与所述电机定子的位置对应。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超导磁体包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，所述第一磁体设置在所述第二端，所述第二磁体设置在所述第一端，所述第三磁体设置在所述转臂上与所述第二端对称的位置，且所述第三磁体在空间上与所述电机定子的位置对应。