磁阻式电磁线圈加速器发射卫星概念.docx

1、磁阻式电磁线圈加速器发射卫星概念新型空间运载系统设想及可行性探究陶乐 摘要：运载火箭自发明至今，一直作为运送轨道载荷的主力，但其也有不少固有缺点，本文对运载火箭的缺点进行分析，并结合电磁加速技术提出新的运载系统进行论述并与运载火箭作对比。为了展示方案的效果与可行性，通过理论分析设计搭建拥有部分功能的实物模型，通过对模型的研究以及理论分析来证明方案的可行性，并且根据新运载系统的特性指出了应用价值。关键字：运载火箭;电磁加速;电磁加速器设计一、运载火箭的工作原理及缺点 1.1、运载火箭的工作原理 常规运载火箭运输载荷的原理是依靠化学反应释放能量，使燃烧生成的物质流经喷管，以较高的速度向目标行进的相

2、反方向喷射来获得反作用力，从而克服地心引力向空中飞行。 1.2缺点分析 1.2.1价格高昂 据NASA统计，目前运载火箭运输载荷的成本约为每磅一万美元，这是运载火箭系统的复杂性和不可重复性导致的，以重复性著称的航天飞机每次发射费用约为四亿五千万美元，就目前来看，SpaceX的猎鹰9号是效费比很高的运载火箭，大部分组件都可回收再发射，但即使如此，每次发射也需数千万美元的成本。 1.2.2 化学污染严重，碳排放量大 运载火箭为了保证较高的比冲和可控矢量推力，大多使用液体燃料，常用液体氧化剂和燃烧剂及特点见下表：液体氧化剂 特点 液氧需低温储存，密度较小 硝酸密度高，成本低，不安定，腐蚀性，燃烧生成

3、氮氧化物 四氧化二氮密度高，易蒸发，易冻结，有剧毒 过氧化氢本身可单独作为推进剂，高浓度下有爆炸危险 液氟密度大，比冲高，有剧毒，易挥发表1-1常用液体氧化剂特性液体燃烧剂 特点液氢环保，比冲很高，难储存，易挥发，密度很小，成本高煤油密度较小，成本低联氨密度较大，安定性差，有毒，冰点低偏二甲肼性质稳定，有毒，比冲略低于联氨一甲基肼与偏二甲肼类似，毒性较大表1-2常用液体燃烧剂特性 由表可以看出，氧化剂中除液氧与过氧化氢，燃烧剂中除液氢与煤油外，其余其本身均可造成污染。而且在危害较小的四种燃料中，过氧化氢比冲底下，单位质量燃料难以产生较大总冲，运载能力差，液氢密度小，这意味着火箭需要更大的容积来

4、盛放它，会增加死重并增大迎风面积从而降低效率。 偏二甲肼四氧化二氮是我国长征系列运载火箭的常用燃料，每当观看发射直播时，都会被火箭升空的壮美景象所折服，但与此同时我也意识到了其携带的燃料对环境的污染。图1-1长征3运载火箭发射 图中红色烟雾便是四氧化二氮及其分解产物，据新闻报道，使用偏二甲肼四氧化二氮的长征2F火箭的分离残骸坠落的地方污染严重，烟雾弥漫；火箭的研究测试人员也有被化学燃料危害的例子。 液体火箭燃料不仅有化学危害，其也会产生大量碳排放。美国土星5号运载火箭第一级使用液氧煤油作为燃料，满载时燃料质量约2169吨，煤油的主要成分为辛烷，在氧平衡为0时其煤油质量约266吨，完全燃烧生成二

5、氧化碳约1674吨，相当于安徽省所有轿车行驶约7公里的碳排放量，这些二氧化碳需要900亩人工林一年才能吸收完。 综上所述，运载火箭对环境和人员的影响不可小觑，因当认真考虑。 1.3小结 运载火箭的高昂与污染是其致命的缺点，而且随着步入太空时代，人们对探索开拓太空的欲望膨胀，航天活动势必会越发频繁，如果那时仍旧使用运载火箭来执行任务，将会消耗大量资源，对环境产生的危害也会愈发明显，因此，应当计划实施新的运载方案来代替运载火箭。2、新型运载系统来源与概要 2.1巴巴多斯大炮的启示 巴巴多斯大炮是火炮工程师吉拉德布尔在巴巴多斯岛设计建造的一门超级大炮，由两根美国战列舰460mm舰炮焊接而成，布尔博士

6、设计建造这门大炮的目的是发射人造卫星，但项目中途海湾战争爆发，布尔博士遭到特工暗杀，此项目便被废弃，尽管如此巴巴多斯大炮创下的多项身管火炮记录至今未被打破。 巴巴多斯大炮曾将190千克的无推力炮弹送上180千米高空，在使用火箭发动机的增程方案中，大炮可以将180千克的火箭增程弹送上500千米高空，其中包含有效载荷18千克，也就是说，巴巴多斯大炮可以将18千克的卫星送至卫星轨道的高度，如果再加上姿态控制系统，便可将小卫星送入400千米左右的卫星轨道。布尔博士最终的设计方案中，大炮可将23千克的载荷完全送入近地点425千米，远地点430千米的卫星轨道。 但我认为巴巴多斯大炮据运载卫星仍有一道难以逾

7、越的天堑，那便是加速度，化学能火炮的加速度巨大且集中，资料显示巴巴多斯大炮炮管长36m，炮弹初速却达到惊人的2100m/s，加速度过载高达15000G，普通卫星携带仪器较精密，所能承受的加速度远远低于此值，由大炮发射的卫星必须专门设计，以适应巨大的加速度。 总的来说，巴巴多斯大炮虽然没有达到设计目的，但其前期的试验证明了可以用不同于火箭的原理将载荷送上太空及其将卫星送入轨道的可能性，而且若使用其作为卫星发射器，将极大地减少发射卫星的成本。 2.2新型运载系统原则 运载火箭的效率较低是因为其基本原理导致的，设某单级火箭作加速飞行，不加燃料重量为m，发动机推力为，时刻剩余燃料质量为m1 ，此时加速

8、度为，时刻剩余燃料质量为，此时加速度为，则时火箭需克服重力所需推力使火箭加速的推力同理时刻使火箭加速的推力因为，所以，并且由得：，所以 也就是说，火箭在同等推力条件下越在后期效率越高，而且效率的增长呈上升趋势，而在前期单位质量的推进剂只能带来较小的加速度，这是因为前期推进剂燃烧提供推力的同时给予了剩余推进剂重力势能，从运送载荷的角度来看，这些势能是无用的，并且这也是运载火箭效率较低的原因所在。所以方案因当避免这些无用重力势能的产生，也就是说要尽量减少载荷运输器的重量，如需使用推进剂因当选择高比冲推进剂。因为其能量密度高可带来较大的效率提升。 同时，火箭在后期加速度提升的另一个主要原因是空气阻力

9、的变化。空气阻力公式为，由于温度和地心引力的原因，这里的（空气密度）随着海拔的高度增加而减小，而空气阻力与速度的平方成正比，部分高度大气密度见下表海拔高度（千米）0123大气密度（千克每立方米）1.2931.1681.0510.892海拔高度（千米）4567大气密度（千克每立方米）0.8020.7190.6440.573表2-3部分海拔高度与大气密度表 由此可见，空气密度对效率有着较大的影响，倘若一枚小火箭在海平面点火发射和在珠峰顶部点火发射，由于空气阻力相差三倍之多，其射高将会有很大的差距，在高速时甚至空气阻力会占据主导。这意味着如果将运载火箭运送到高空再发射，将使效率有很大的提高。2.3方

10、案流程确定 既然运载火箭效率低下的原因是其工作原理导致，那么应当绕开火箭这一基本概念或取长补短来提出高效率的方案，结合巴巴多斯大炮的实例，确定基本流程如下：地面加速装置将载荷与小火箭加速发射至高空，然后小火箭点火并使其与载荷加速达到第一宇宙速度并完成入轨。3、地面加速装置选取 3.1地面加速装置要求 巴巴多斯大炮也可视为此系统中的地面加速装置，但其加速度极大，所以要采用一种加速度较小的加速装置。此外，为克服运载火箭的污染，尽量应不使用化学能作为动力来源；为克服运载火箭的低重复性，地面加速装置必须可重复使用甚至本身在加速后除能量外无任何损失；为适应不同质量的载荷，地面加速装置应当做到可调整发射速

11、度以及加速度。 3.2电磁加速器的原理 经过挑选和查找资料，我决定将磁阻式电磁线圈加速器作为地面加速装置，后文中将其简称电磁加速器或加速器。电磁加速器由电动机变形而来，过程可见下图： 图3-1形象地说，将普通电动机沿侧面剖开展平，按顺序依次给各线圈通电，转子便会直线运动，这就是简易的直线电机，如果将线圈绕组变形为管状，将转子变形为高磁导率的金属或永磁体、电磁铁制造的圆柱体，便是磁阻式电磁加速器，这种专用结构相比于直线电机可极大地提高效率，以至于在线圈两端不放置行程限制装置时转子依靠多次加速获得的速度可飞离加速器。 3.3电磁加速器作为地面加速器的优势 (1)加速器安全环保无污染，使用低廉的电作

12、为能源。 (2)加速器本身完全可重复使用，既不会污染环境也不会浪费资源。 (3)加速器所产生的加速度较火炮小许多且加速度分散。 3.4电磁加速器模型的作用及定位我决定制作一台电磁加速器的简易模型，制作电磁加速器模型的目的是通过实验取得效率数据从而证实方案的可行性，增强我对电磁加速技术的了解，有利于进一步改进运载方案，并且可以通过对加速器模型的实验研究进行改造或提出改进方案以提高效率，增强实用性。此电磁加速器仅用于实验，但我会对其进行调试改进以提高效率。4、电磁加速器模型设计 4.1基本设计 注：四与五中所提及的效率皆为加速器的效率，即弹丸动能与电容储能之比。 4.1.1电源 电磁加速器是依靠电

13、工作的，所以需要电力以维持运作，工作时电力依次被输送到各线圈中使线圈产生磁场从而吸引弹丸，为了在该模型上获得较大的出口动能，需要较高的瞬时功率来驱动线圈，这样的瞬时功率需要专门的电源提供。电容器是比较合适且易得的电源，由于电容器是储能器件，并且其储存发射所需的最直接的能量，因此将电容器定名为储能电源。电容器与线圈之间需要有一个开关器件来控制通断，而普通的接触式开关耐受不了导通时的电流，所以应当采用弱电控制强电的方法，因此还需要少量电能用于控制电容器与线圈之间的通断，控制所需能量将由控制电源提供。无论是储能电源还是控制电源都没有根本的电力来源，因此需要一个电源给这两个电源供电，这个电源是加速器上

14、最根本的电力来源因此命名为总电源。由于该模型的实验性质，并且本着方便、简化结构的理念，决定将市电作为总电源，因为市电来源广泛，经全桥整流后可获得约315的脉冲直流，这可以直接给电容充电来驱动线圈，并且可以通过变压器之后整流滤波输出作为控制电源。4.1.2线圈线圈是加速器的核心，为了缩短放电时间提高功率，计划线圈使用0.7纯铜漆包线绕制，为了分散能量，提高效率，同时研究多级控制技术，决定将线圈级数定为两级。线圈内径为8，与8ABS管紧密贴合。 4.1.3电容器根据市电整流后的315电压，电容器的耐压极限因高于315V，同时应当选取储能密度大、内阻小的电容，较大的储能密度可以减小模型的体积，较小的

15、内阻可以增大瞬时效率，经筛选电容种类和了解各种电容特性后，计划使用多个330的小容量电解电容作为储能器件。 4.1.4手动控制系统整个加速器设计有三个开关用以控制，分别为电源开关、充电开关、发射开关，其中发射开关需负载电路中所有元件，充电开关需负载电容，由于电容充电时初始电流较大，充电开关以及总开关应选用负载功率较大的种类型号，并且总开关负载功率应大于充电开关，发射开关所控制的是第一级控制电路的通断，所以普通小开关即可。 4.1.5自动控制系统自动控制部分用于控制后级的启动，它应当能够做到判断弹丸是否运动到了最佳启动位置，并且在判断弹丸运动到最佳启动位置后还能驱动开关器件，使电容器对线圈放电从

16、而完成这一级的加速。还有一种方法是使用单片机延时控制各级线圈通断，但由于其需要精准的时间数据，因此需要大量实验才可达到较高的效率，有时受各方面影响，第一级弹丸发射速度总会有细微偏差，但单片机中预设的时间是固定不变的，所以误差在每一级都会被不断放大，最后导致加速器出口速度一致性差，从而影响其作为实验器材的精准。同时精密的单片机容易受到线圈导通瞬间磁场的干扰而出现错误甚至损坏，所以单片机不在考虑范围内。要做到检测判断弹丸是否到达最佳启动位置，需要能高速反应的检测模块，比较好的两种方案分别是： 1.用一通弱电的感应线圈放置在主线圈前部适宜位置，弹丸经过是产生感应电流，利用感应电流作为信号启动开关器件

17、驱动电路或直接驱动开关器件。 2.使用光电模块，将光电对管放置在主线圈前部适宜位置，并在骨架相应位置打孔使光线能够正常穿过，当弹丸运动到光电对管处时，遮断光线，光电对管检测到信号，经过放大电路后驱动开关器件。考虑到方案1中的感应线圈易受到前一级主线圈的影响从而导致误触发，对其加装电磁隔离装置又会违背简约的理念，并且受到原材料的限制，加之方案2中光电模块已有成熟的模块化电路不必设计制作，所以采用方案2用于弹丸位置检测。开关器件的选择也十分重要，因为开关器件不仅要求较大的电流耐受能力，还要求有较短的开关时间。筛选出三种常用固态开关器件供选择。 1.三极管2.IGBT3.可控硅查阅三种器件各自特性及

18、型号性能，资料显示同样体积或价格的三极管和IGBT的峰值电流远小于可控硅，但是可控硅导通后直至负载电流消失都无法自身关断，但我还是决定采用可控硅作为开关器件，因为部分型号的可控硅负载特性适用于瞬间放电的电磁加速器，至于关断的问题可以通过外加电路勉强解决。 4.2 完全设计方案 4.2.1电源设计 总电源为220V交流家庭电源，总电源连接控制电源的变压器与用于给储能电源充电的整流桥，由于在总电源给线圈充电时初始电流很大，为防止损伤家庭电路，在整流输出315V直流后串联一个450V20F的空调启动电容以减小瞬时电流。 储能电源受材料限制，只得使用450V的电解电容，较330V的电解电容浪费了部分空

19、间。储能电源同线圈一样分两级，共同充电隔离放电，由于第一级加速时间较长，所以应当使用相比于后级容量较大的电容组，电容组由450V220F的电解电容四个并联而成，等效电容450V880F,由电容储能公式得：理论最大储能为89.1J，实际使用过程中电压只能充至315V，只能达到满载储能的3152/4502=49%,所以实际最大储能为43.66J；后级储能使用450V220F的电解电容三个并联，实际最大储能为32.7J。 控制电源使用变压器将220V家用电变压为12V交流后经过滤波充入18V电解电容，以得到较稳定的输出。 4.2.2线圈设计 由于线圈设计需要考虑很多因素，而这些因素在影响效率的同时又

20、互相矛盾，比如受开关器件限制电流不能太大，这就要求线圈的匝数应当比较多以提高阻抗和感抗，但是当线圈截面与弹丸截面的面积相同时，弹丸内磁场分布最均匀因而效率最高，长度越小的线圈磁场分布越集中，集中的线圈磁场也是影响效率的一大因素。 想要综合考虑这些因素十分麻烦，所以我使用了专业仿真软件来确定线圈参数。大致选定的线圈设计参数如下： 漆包线直径：0.7mm 线圈匝数：80 线圈内径：8mm 线圈长度：15mm 每层缠绕数：20 缠绕层数：4 线圈外径：14mm 线圈厚度：3mm 漆包线长度：3m 模拟参数：线圈阻抗：135m 线圈感抗：30.8H 在使用第一级储能电容供电时，最大峰值电流为890A。

21、 4.2.3手动控制系统 总开关使用32A空气开关，充电开关为16A空气开关，发射开关为加长导线的船型小开关。 4.2.4可控硅与保护二极管 由4.2.2中软件模拟的结果可知，该加速器第一级时关断器件将承受最大890A的电流，由于放电过程很短，因此应当从峰值浪涌电流的角度来考虑可控硅的选择。 经过筛选和查询资料，选择可控硅型号为70tps12，此可控硅可耐受1.4KA的峰值浪涌电容。 在70tps12应用在电路中时还要注意一个问题，线圈相当于电感，在放电结束后由于电感特性会产生反向电流，而70tps12为单向可控硅且抗反压能力差，无法抵挡反向电流，这就需要在线圈两端并联一个二极管以使反向电流在

22、线圈与二极管中形成回路，以保护可控硅，二极管的正极应当与可控硅的阳极对应，这里将此二极管选为大耐受功率的FR307。 4.2.5光电开关 通过查阅资料，光电开关决定使用网上成熟的电路，其原理是当弹丸遮蔽光线时，光敏二极管电阻值发生变化，利用光敏二极管的阻值变化来时三极管接收到型号并放大，将控制电源的电能施加给可控硅控制极，使其导通。 光电开关的电路图如下：五、运载器构想及模型弹丸设计 6.1运载器设想 运载器是新型运载系统中唯一消耗的部分，它的任务如下： 1.保护及运输载荷 2.完成后期姿态调控及入轨 3.在仅依靠加速器获得高度不足的情况下能够推进载荷弥补剩余高度 同时运载器应当能够与弹丸结合

23、，将磁场能转化为动能，由于运载器从离开加速器到在高空点火期间是在稠密大气层中飞行，因此要求其具有较低的风阻及气动稳定性。在运载器主发动机点火之前，弹丸应当与运载器结合并串联在发动机的尾部，因为将其串联在运载器尾部，几乎不会增大空气阻力，所以无论弹丸是否与运载器结合，运载器飞行过程中风阻几乎不变，而弹丸会赋予结合体较大的质量，依照牛顿第一定律，此时的结合体在空气中因受到阻力产生的加速度会更小，从而能达到更高的高度。当运载器依靠加速器赋予的动能到达高空后，便可抛去弹丸，此时的空气阻力已经很小，可忽略不计，所以风阻系数较大的火箭发动机钟形喷管及平整的尾部可暴露在空气中。 6.2实验弹丸设计 实验是为

24、了探究加速器提高效率的方法，所以这里的实验弹丸只等效于运载器中的弹丸，不必具备其它功能，为简化模型，使用匀质圆柱形物块作为弹丸。 电磁加速器的工作原理决定了弹丸应由饱和磁导率高的材料制造，以提高弹丸所受磁力的大小。查找资料，得知硅钢、坡莫合金、电工纯铁为专用高饱和磁导率材料，考虑到原料形状和加工难度，选用DT4C电工纯铁作为弹丸材料。 在加速器工作时，真正对弹丸做有用功的磁场力集中在线圈两端，而效率最高的弹丸位置范围非常窄，为使弹丸在最高效率位置时线圈两端的磁场力都达到最大值，所以弹丸的长度应当与线圈长度相同，同时使弹丸外径与ABS管支架内径吻合，设计弹丸尺寸为直径6mm、长度15mm的圆柱体

25、，计算得出质量为3.2g。六、制作流程部分照片 7、实验调试 7.1调试方案 调试的目的是让加速器模型在现有条件下提高效率，由于弹丸质量一定，电容储能一定，所以效率可以从速度上体现出来。 器材工具：电磁加速器模型、光电测速器、垫块若干、不同长度细PVC条、弹丸、动能吸收垫、防护眼镜 实验一：探究弹丸最佳初始位置。 首先进行第一级调试，将各器材摆放到恰当位置，将弹丸放至ABS支架起始端，每次试验分别用不同长度的细PVC条将弹丸向内推，直到PVC条刚好没入支架，之后关闭第二级启用开关，打开光电测速器，检查发射开关，依次开启电源开关及充电开关，2s后关闭充电开关，此时指示灯亮起，表示电已充满，拨动发

26、射开关，弹丸发射。之后回收弹丸，观察记录测速器数据，发射开关复位，准备下一次实验。 由于人工操作误差、家庭电路电压波动以及测速器误差，会导致每次弹丸速度有所差异，为保证数据精确，每组实验测速三次取平均值计算。 7.2第一级调试详细数据实验编号弹丸中心距线圈中心距离（mm)第一次速度（m/s）第二次速度（m/s）第三次速度(m/s)平均速度（m/s)弹丸动能（焦耳）效率11717.0317.0018.7117.580.4951.13%21622.3522.1421.8122.100.7811.79%31523.3023.1723.8823.450.8802.02%41423.2722.2922.

27、5622.710.8251.89%51321.3221.5921.7521.550.7431.70%61220.1720.2620.5020.310.6601.51%71118.8516.8219.1018.260.5331.22%81016.3215.5016.0715.960.4080.93% 表7-1 第一级线圈调试数据 由表可以看出，当弹丸中心与线圈中心距离为15mm时，加速器效率达到最大，同时看出弹丸与线圈之间微小的距离差距会导致效率上巨大的偏差，因此电磁加速器必须要注重精度。 7.3第二级触发位置的调试 第二级的调试建立在第一级最高速度的基础上，即23.45m/s，由于电路延迟的存

28、在以及第二级启动瞬间弹丸最佳距离测算的困难，第二级光电开关的最佳触发位置仍由测试获得。 实验二：探究第二级光电开关最佳触发位置 此实验与实验一基本一致，不过将PVC条的长度这一变量改为定量，统一使用10mm进行实验，同时增加实验变量：光电开关与第二级线圈间的距离。 由于此处数据不稳定，故不列出，实验表明，当距离为27mm时达到最大速度，约为32m/s,此时第二级效率约为2.3%，整体效率约为2.1%，从文献中得知，电磁加速器后级最大效率比前级的要高，在可关断的情况下更为明显。 7.4由模型实验得出的电磁加速器效率 模型实验中，加速器效率达到了2.1%，但是此加速器模型比较简陋，各元件参数都没有

29、细究而且没有加入关断系统，严重地降低了效率，在实际应用中电磁加速器的效率应当比此模型要高得多，并且实验和文献都表明电磁加速器后级最大效率比前级的要高，这一点对于级数很多的电磁加速器是非常有利的。 实验表明使用电磁加速器将一定质量的弹丸发射出去是完全可行的，并且在简易制作的情况下也有着不低的效率。8、运载系统工作设想 将加速度过载限制在20G，这是大多卫星能承受的加速度如果需要500m/s的初速，那么加速时间为2.5S，加速长度为625m，若运载器为直径40cm并且具有整流罩的圆柱体，质量为1吨，头部和尾部的整流罩的风阻系数均为0.15。那么在海平面上，运载器离开加速器时受到空气阻力大小约为47

30、10N，这会产生4.71m/s2的加速度，随着高度的增加，空气阻力会不断减小。若运载器被垂直发射，在空气阻力和重力的共同作用下，运载器最终达到的最大高度约为12千米，而多数运载火箭的第一级只能将火箭抬升至8千米左右的高度，在12千米的高空，空气阻力大约为海平面的六分之一，这时抛弃弹丸，运载器的发动机点火，之后的流程与运载火箭一致。9、对比及展望应用 9.1与运载火箭的对比 与运载火箭相比，此运载系统有以下优点：1.价格低廉 。从结构上保守地来讲，运载器只相当于运载火箭的最上级，从燃料上来讲，运载火箭前级消耗的燃料在这里被电力代替，其燃料成本比例为100:1，若再算上相应的发动机等结构的造价，将更加突出该系统的廉价。2.污染小。相比于运载火箭所使用的化学能，这里主要使用的电能来源广泛，不会产生大量的碳排放以及有毒物质。3.适应力强。可以通过控制电力的输入来调整加速力大小，从而适应质量不同的载荷，同样可以调整加速度与发射速度来适应不同的需求。 但缺点也是明显的：1.加速器建设费用大，短时间难以体现出价格优势。2.若要求在有限的轨道上加至较高的速度，其加速度会比火箭大得多，对载荷有一定的要求。3.所需建设场地较大。 9.2展望与应用 现在看来，这种运载系统优势并不突出，实用性可能不如运载火箭，但随着时间的推移