磁悬浮发射技术

磁悬浮推进技术研究
宇航学院403教研室 刘宇 杨文将 温正 段毅 陈晓东
主要内容
一．航天运载器磁悬浮发射技术概念 二．磁悬浮列车技术 三．各种磁悬浮系统的综合比较 四．高温超导磁悬浮技术基础理论及方案 五．高温超导磁悬浮技术基础实验研究 六．未来发展展望 七．思考题
一、航天运载器磁悬浮发射技术 概念
方案确定：
• 通过对以上磁悬浮系统进行优选，高温超导块材EDS 系统被视为最可行的磁悬浮系统方案，自稳定性强， 无需控制，通过增加轨道宽度和超导体数量可以实现 磁悬浮系统的扩展能力，磁悬浮发射的短、直运行轨 道可以有效避免永磁轨道带来的成本问题等。
四、高温超导磁悬浮技术基础理
论及方案
超导材料发展及基本特性
磁悬浮列车发展简史
• 1922年，赫尔曼·肯佩尔构思应用电磁悬浮原理 使火车浮离地面，并于1934年8月14获得专利；
• 德国在1971年-1999年，先后研究发展了TR01TR08八个型号的载人磁悬浮列车，最高运行速度 500公里/小时；
• 日本在1970年-1999年，先后研究发展了ML， MLU，MLX三个系列的超导磁悬浮列车，最高运 行速度达到550公里/小时。
超导材料基本特性：
• 临界温度Tc，临界电流 Ic，临界磁场Hc(外界 环境三种影响因素)；
• 零电阻现象(低消耗)；
• 完全抗磁性(悬浮力主 要来源)；
• 磁通钉扎（第Ⅱ类超导 体性质，俘获磁通增加 悬浮稳定性）。
导体T>Tc T<Tc T<Tc撤去外磁场 排磁通现象
第Ⅱ类超导 体基本性质：
（a）IC～H特性曲线（b）可逆磁化曲线（c）不可逆磁化曲线
重合）。
典型悬浮力测试结果（零场冷）
典型导向力测试结果（15mm场冷）
不同排列的悬浮导向力 不同场冷位置的悬浮导向力
3.磁悬浮单元动态测试系统
构成： • 高温超导磁悬浮单元； • 永磁导轨单元； • 激振系统； • 加速度计及数据采集处
理系统。 测试目的： • 不同振动幅度和振动频
率下单元的幅频特性； • 不同场冷方案的共振频
隔等参数。 测试步骤： • 被测件定位； • 确定测试长度和空间间隔； • 测试程序中进行合理设置； • 实时观察数据曲线及分析。
表面磁场测试仪采集程序
典型测试结果
2.磁悬浮单元静态测试系统
构成： • 高温超导磁悬浮单元； • 永磁导轨单元； • 步进电机及控制系统； • 力传感器及采集系统。 测试目的： • 超导单元中超导块材排列的
• 系统静止悬浮，但悬浮高度仅 10mm 左右，对于控制系统的要 求很高，因此较适用于低速运 行环境。
• 目前上海磁悬浮列车运营线采 用此种系统，运行速度430km/h 左右。
常导吸浮EMS系统
日本——超导斥浮EDS系统磁悬浮列车
• 低温超导磁体（NbTi）与短路 线圈间的排斥力实现悬浮，“8” 字型零磁通线圈实现悬浮导向一 体化；
• 载荷变化会使系统悬浮力减小，导向力增大， 经过一定载荷变化后，悬浮力和导向力趋于稳 定，适合做为磁悬浮系统的设计参考依据。
加速测试结果
场冷45mm的前进、水平、垂直加速度 两次场冷（45mm和25mm）的前进、水平、垂直加速度
场冷25mm的前进、水平、垂直加速度
结论：
• 右图所示，低场冷位置有利于减小系统高速运 行的水平、垂直振动加速度，即有利于实现系 统稳定；
• 非理想第Ⅱ类超导体； • 单籽晶生长； • 制备大尺寸、高性能YBaCuO
块材难度大，常用尺寸为 Φ30mm，多块组合形成整体 超导作用面； • 悬浮力F∝Jc·d·dBz/dZ，与超 导块临界电流密度，块材尺 寸和外磁场梯度三个量成正 比，目前主要通过增加外磁 场梯度来实现悬浮力要求。
YBCO块材
• 应用对象：水平起飞可重复 使用运载器或空天飞机；
• 意义及作用：达到较高的运 载器地面起飞速度，如 0.8Ma，这一速度利于提高 运载器总体（燃料消耗、推 重比、翼型质量）性能，降 低发射成本；
• 技术特点：采用无摩擦高效 的电磁作用的磁悬浮技术和 直线电机技术。
磁悬浮发射
二、磁悬浮列车技术
磁悬浮技术特点
• 2003年，世界第一条商业运行线在我国上海投入 运行，运行时速达到430km/h，从而磁悬浮列车 技术的新篇章。
德国——常导吸浮EMS型磁悬浮列车
• 利用导磁材料与电磁铁间的吸 引力实现悬浮—倒挂式悬浮；
• 电磁吸引力为不稳定力，需要 复杂控制系统调节电磁力使悬 浮气隙维持在一定数值上；
• 高速情况下，EMS系统需要独 立的水平导向系统；
NdFeB（铷铁硼）永磁导轨
• 参考超导体悬浮力公式，外 磁场梯度值越大越好；
• NdFeB，目前世界上剩磁和 矫顽力最高的永磁体，利于 创建强磁场；
• 永磁体与软铁组成的永磁导 轨方案，可以使外磁场达到 1.5T；
• 超导磁悬浮方案与永磁导轨 磁场如右图所示。
NdFeB永磁导轨
薄底液氮绝热低温容器
• 磁悬浮平台加速和制动稳定性；
• 不同场冷条件对应的磁悬浮系统悬浮稳 定性比较。
静态测试结果
不同场冷位置悬浮力比较
不同场冷位置导向力比较
100kg加载对悬浮力影响（场冷35mm） 不同加载对导向力影响（场冷35mm）
结论：
• 场冷位置对系统悬浮力和导向力性能影响严重， 设计时需依据不同的悬浮气隙和导向力要求， 合理选择场冷位置，实现最大载荷；
优化方式； • 超导单元对应不同场冷高度、
悬浮位置、移动路径的悬浮 特性。
静态测试系统
永磁导轨设计
单峰永磁导轨
双峰永磁导轨
单峰永磁导轨典型方案 双峰永磁导轨典型方案
• 永磁导轨采用Ansys有限元设计，目标为实现高磁场强度； • 分别测试单磁场峰和双磁场峰导轨上的超导组合优化排列方案； • 悬浮力特性（初始值为零，与悬浮间距成指数变化关系）； • 导向力特性（初始值为零、与水平位移成一定线性关系）； • 悬浮力和导向力存在明显的磁滞效应（即往复位移的力曲线不
高温超导EMS系统
优点：
• 采用液氮温区（77K）实现超导 的高温超导电磁铁，产生强磁 场；
• 相比于常导EMS系统，结构简 化，质量减轻，能耗降低，此 外相对低温EDS系统，低温系 统设计难度大大降低；
• 悬浮能力提高，悬浮气隙达到 20mm以上，对悬浮可靠和控制 有利；
缺点：
• 高温超导线圈电流变化频率低， 线圈容易失超，控制系统依然 复杂。
• 1911年，荷兰物理学家翁内斯首次发现超导电性（汞， 4.2K）；
• 第Ⅰ类超导体：低温韧性合金超导材料，以NbTi(铌 钛)和Nb3Sn材料为主，液氦温区（4.2K），韧性好、 电流大，磁场强（20T）；
• 第Ⅱ类超导体：高温超导氧化物。1986年初，发现了 高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4，超导临界温度达 到40K，1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国 科学家赵忠贤相继在钇YBa2Cu3O7系材料上把超导临 界温度提高到90K以上，打破液氮禁区（77K），其 陶瓷材料，韧性差，磁场较低。
动态测试系统：
• 3个加速计，9自由度采集； • 数据采集分析系统。
试验平台系统
图片1（磁悬浮系统）
图片2（加速制动系统）
图片3（静态测试系统）
图片4（悬浮状态）
静态测试目的：
• 不同场冷条件对应的系统悬浮力和导向 力综合结果；
• 不同载荷条件下对应的悬浮力和导向力 特性。
动态测试目的：
型下； • 磁悬浮橇体模型：低温容器、加速装置、飞行器模型和测
试系统等的连接部件； • 电机抬升机构：调节超导单元场冷位置。
加速、制动系统：
• 加速方式，双边直线感应电机；
• 制动方式，弹性阻尼体缓冲器。
静态测试系统：
• 等载荷砝码，０～100kg； • 差动变压器式位移传感器； • 导向力测试系统，采用销接机机械接触，高速运行稳定 性差，速度极限400km/h左右。
(2) 磁悬浮技术特点及目的：实现低阻力高速稳定运 行。
• 磁悬浮技术原理：采用电磁感应作用原理实现悬 浮和推进；
• 低阻力：磁悬浮，磁场不均匀造成的磁摩擦相对 于机械摩擦小几个量级；
• 高稳定：磁悬浮系统大大简化机械机构，使系统 高速动态运行稳定性提高。
• 混合态，在下临界场Hc1与上临界场Hc2之间； • 在于零Hc，1～没H有c2范实围用内价，值理，想而第非Ⅱ理类想超第Ⅱ导类体超的导临体界具电有流很Ic几高乎的等
临界电流； • 理想第Ⅱ类超导体磁化曲线可逆，而非理想第Ⅱ类超导体
的磁化曲线呈现不可逆性，磁通钉扎表现俘获磁通行为。
高温超导块材YBaCuO
高温EDS 系统
1030mm
可以 一体化
无 良好 液氮
无 一般 较高
无
永磁PM 系统
<10mm
可以 一体化
无 较差
无 无 一般 低 无
磁悬浮发射特点及磁悬浮系统方案确定
磁悬浮发射特点：
• 运行速度高（亚声速，0.8Ma左右），对高速运行的 稳定性要求高；发射时间短，一般持续在10秒左右， 因此加速能力要求高，控制难度大，磁悬浮轨道长度 及成本可以大大节约；总载荷量大，一般为100ton以 上，因此悬浮系统的扩展能力要好。
高温超导EMS系统
高温超导块材EDS系统
优点： • 采用在液氮温区（77K）实
现超导的高温超导块材与梯 度磁场作用产生稳定悬浮； • 静止悬浮，固有的二维悬浮 稳定性，无需控制系统和电 能消耗； • 结构简单，悬浮气隙可以达 到20mm以上； 缺点： • 永磁导轨造价高，永磁性造 成安装和维护有一定困难。
五、高温超导磁悬浮技术基础实 验研究
为了研究高温超导磁悬浮系统基本悬 浮特性，采用先建立高温超导磁悬浮单 元静态测试系统和动态测试系统，然后 建立磁悬浮发射缩比研究试验平台的研 究思路，对超导磁悬浮系统的静、动态 悬浮特性都有了深入的了解。