尹力明， 趙金才

1. 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109

利用高速磁浮列車發(fā)射運(yùn)載火箭的可行性研究

尹力明1， 趙金才2

1. 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109

進(jìn)行了以下理論研究：利用磁浮列車能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)行的特點(diǎn)，使用地面的電網(wǎng)能源和地球重力加速度的分量，將二級(jí)以上運(yùn)載火箭加速到500km/h以上的速度并發(fā)射，可以取消運(yùn)載火箭的第一級(jí)，同時(shí)降低成本；利用磁浮發(fā)射裝置可以較快返回發(fā)射軌道起點(diǎn)繼續(xù)加載的特點(diǎn)，能夠較快地進(jìn)行下一次發(fā)射。在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和推薦了一種U形發(fā)射軌道，不僅借助于地球的重力勢(shì)能，而且通過直線電動(dòng)機(jī)的電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)電能的轉(zhuǎn)換，并回饋電網(wǎng)。

磁浮列車； 運(yùn)載火箭； 軌道； 發(fā)射； 研究； 設(shè)計(jì)

由于常溫導(dǎo)體高速磁浮列車的走行部與軌道不接觸，具備了機(jī)械阻力小和運(yùn)行速度較高的特點(diǎn)，因此可以充分利用地面電網(wǎng)的大容量，使用磁浮列車的電驅(qū)動(dòng)來加速運(yùn)載火箭的二級(jí)以上箭體，從而取代一級(jí)火箭，可以降低運(yùn)載火箭的整體質(zhì)量和發(fā)射的費(fèi)用，這將成為一種新型環(huán)保的運(yùn)載火箭發(fā)射方式。

1 常導(dǎo)高速磁浮列車簡(jiǎn)介[1]

常導(dǎo)高速磁浮列車采用了同步直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的定子鐵心和三相繞組被固定在軌道上。因此，向電動(dòng)機(jī)供電的牽引變流器就可以安裝在地面上，從而減輕了列車的自身質(zhì)量。

支撐列車的懸浮電磁鐵同時(shí)兼做直線電動(dòng)機(jī)的同步磁極，具有懸浮和驅(qū)動(dòng)雙重功能。為了向列車的運(yùn)行提供導(dǎo)向力，走行部上還安裝有導(dǎo)向懸浮電磁鐵，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上安裝了兩臺(tái)，所以常導(dǎo)高速磁浮列車的走行部與軌道完全沒有機(jī)械接觸，如圖1～ 圖3所示。

常導(dǎo)高速磁浮列車的運(yùn)行控制采用的是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和軌道信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在地面操控列車的運(yùn)行。列車運(yùn)行情況和所處位置，以及車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)都能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，在調(diào)度控制系統(tǒng)中顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 懸浮模塊

圖3 走行部的懸浮轉(zhuǎn)向架

常導(dǎo)高速磁浮列車每列車走行部的重力約為400kN，允許全重約為650kN。

2 磁浮發(fā)射車的基本組成

磁浮發(fā)射車主要利用了常導(dǎo)高速磁浮列車走行部和軌道的結(jié)構(gòu)，原車體可以用能滿足運(yùn)載火箭發(fā)射要求的車體來取代。

2.1 走行部結(jié)構(gòu)

由圖2可以看到，常導(dǎo)高速磁浮列車的走行部共有4個(gè)轉(zhuǎn)向架，其間還搭接了1個(gè)懸浮模塊。在筆者方案中，相當(dāng)于使用了2列車的8個(gè)轉(zhuǎn)向架，從搭接懸浮模塊的角度而言，總共使用了30個(gè)懸浮電磁鐵模塊和16個(gè)導(dǎo)向電磁鐵。

磁浮發(fā)射車上部結(jié)構(gòu)可以用吊掛的方式，與轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓座連接，除了能夠起阻隔和緩沖連接部運(yùn)行振動(dòng)之外，還可以在發(fā)射車通過軌道的豎曲線時(shí)滿足轉(zhuǎn)向架的折轉(zhuǎn)要求。

使用2列車的走行部，其承載的上部發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)載火箭的重力可以達(dá)到約 500kN 的水平。走行部上還要安裝基于懸浮電磁鐵的懸浮控制器、應(yīng)急電池、發(fā)射控制系統(tǒng)等設(shè)備。2列車走行部的重力約800kN。

2.2 上部結(jié)構(gòu)

對(duì)于磁浮發(fā)射車的上部結(jié)構(gòu)，筆者選用發(fā)射筒結(jié)構(gòu)，可以安全地放置運(yùn)載火箭。筒形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較高，高速運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)阻力較小，與磁浮列車的車體結(jié)構(gòu)比較相似，與走行部轉(zhuǎn)向架的連接相對(duì)方便,如圖4所示。

圖4 磁浮發(fā)射車的結(jié)構(gòu)示意圖

火箭的箭體應(yīng)該平放在發(fā)射筒內(nèi)軌道上，以便于在發(fā)射時(shí)可以輕松地在慣性的作用下被拋出。在對(duì)發(fā)射車不產(chǎn)生太大沖擊干擾的條件下，如果使用壓縮氣體柔和地彈射運(yùn)載火箭，則效果會(huì)更好，還可以進(jìn)一步提高發(fā)射的初速度。

火箭彈射出發(fā)射筒之后，應(yīng)該在相對(duì)于發(fā)射車處于安全的空間位置時(shí)再對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火，以保障發(fā)射車和軌道的安全。

對(duì)于有機(jī)翼的大氣中飛行器，上部結(jié)構(gòu)可以采用平板車體結(jié)構(gòu)，只要設(shè)置發(fā)射軌道和系留裝置即可。

3 U形發(fā)射軌道

磁浮發(fā)射車運(yùn)行軌道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)安全、高效、節(jié)能、環(huán)保發(fā)射及降低發(fā)射費(fèi)用起著決定性的作用，為此，經(jīng)過多次比較和選擇，設(shè)計(jì)了一種U形軌道方案。

與常導(dǎo)高速磁浮列車相同，驅(qū)動(dòng)磁浮發(fā)射車運(yùn)動(dòng)的同步直線電動(dòng)機(jī)依然采用長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)(圖5)，可以在幾百米到1km的長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)區(qū)段供電，牽引變流器安裝在地面上。發(fā)射車的驅(qū)動(dòng)控制可以照搬常導(dǎo)高速磁浮列車的運(yùn)行控制模式。

圖5 同步直線電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)定子鐵心和三相繞組

3.1 U形發(fā)射軌道的結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的發(fā)射軌道分為6段，每段都有相應(yīng)的作用，對(duì)發(fā)射車產(chǎn)生不同的受力影響，如圖6所示。

圖6 U形發(fā)射軌道

在軌道最初的a段，屬于水平直道，應(yīng)該與總裝調(diào)試廠房相連接，運(yùn)載火箭的安裝和測(cè)試都在此處完成。發(fā)射的初期，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入水平加速運(yùn)行狀態(tài)，并且達(dá)到一定的速度。

當(dāng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入軌道b段時(shí)，由于這是一個(gè)有坡度的下行軌道，因此磁浮發(fā)射車將獲得一個(gè)地球重力分量的驅(qū)動(dòng)力，并且與直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力疊加，發(fā)射車進(jìn)一步加速。

當(dāng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入軌道c段時(shí)，發(fā)射車達(dá)到了最高速度，將在這一段恒速運(yùn)行，自動(dòng)發(fā)射控制系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。

當(dāng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入軌道d段時(shí)，由于這又是一個(gè)帶有坡度的軌道，因此發(fā)射車呈現(xiàn)抬頭的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)實(shí)施最大制動(dòng)力的電氣制動(dòng)，促使發(fā)射車快速制動(dòng)。同步直線電動(dòng)機(jī)的電制動(dòng)還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)能-電能的轉(zhuǎn)換，將磁浮發(fā)射車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能以電能的形式回饋電網(wǎng)。這個(gè)制動(dòng)力也要疊加一個(gè)地球的重力分量，并產(chǎn)生高減速度的效果，此時(shí)，運(yùn)載火箭將在慣性的作用下被拋出或彈射出去。

當(dāng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入軌道e段時(shí)，軌道的坡度相對(duì)于d段適當(dāng)減緩，產(chǎn)生一個(gè)角度差，為的是與已經(jīng)按照d段坡度飛出去的運(yùn)載火箭形成一定的高度差，以免火箭點(diǎn)火時(shí)危及發(fā)射車和發(fā)射軌道。在這個(gè)區(qū)段，發(fā)射車的總質(zhì)量減小了，更有利于發(fā)射車的減速運(yùn)行。

當(dāng)磁浮發(fā)射車進(jìn)入軌道f段時(shí)，直道保證磁浮發(fā)射車能夠完全停下來。在檢查車輛完整無損后，發(fā)射車就可以沿著發(fā)射軌道反方向行駛到總裝廠房，準(zhǔn)備下一次的發(fā)射。

在軌道的a段至b段、b段至c段、c段至d段、d段至e段和e段至f段，都有一段坡道轉(zhuǎn)換的過渡軌道，必須認(rèn)真設(shè)計(jì)。建議設(shè)計(jì)加入一段圓弧過渡曲線，使磁浮發(fā)射車在以一定的速度通過時(shí)，磁浮發(fā)射車不產(chǎn)生垂向的沖擊加速度，從而減小對(duì)懸浮系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾力。

3.2 磁浮發(fā)射車在a段軌道上的運(yùn)行和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車在a段平直軌道上，開始運(yùn)行時(shí)的受力條件只是同步直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和空氣阻力，受力關(guān)系為：

Fa=Fdj-Fka=Maa

(1)

式中：Fa為磁浮發(fā)射車在軌道a段所受到的外力，N；Fdj為同步直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，N；M為發(fā)射車與火箭的總質(zhì)量，kg；aa為磁浮發(fā)射車在軌道a段的運(yùn)行加速度，m/s2；Fka為磁浮發(fā)射車在軌道a段的空氣阻力(忽略電磁系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁阻力，下同)，N。

3.3 磁浮發(fā)射車在b段軌道上的運(yùn)動(dòng)和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車運(yùn)行到軌道b段坡道上時(shí)，受力關(guān)系為：

Fb=Fdj+kbMg-Fkb=Mab

(2)

式中：Fb為磁浮發(fā)射車在軌道b段所受的外力，N；ab為磁浮發(fā)射車在軌道b段的運(yùn)行加速度，m/s2；kb為坡道帶來的重力加速度分量因數(shù)；Fkb為磁浮發(fā)射車在軌道b段的空氣阻力，N。

如果kb能夠達(dá)到0.1，即直線電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生1m/s2的驅(qū)動(dòng)加速度，那么，發(fā)射車的總加速度將達(dá)到約 2m/s2。當(dāng)發(fā)射車的最高運(yùn)行速度達(dá)到 505km/h時(shí)，運(yùn)載火箭相當(dāng)于獲得了約140m/s的運(yùn)行速度。按照這個(gè)條件，發(fā)射軌道b段要達(dá)到約5km的長(zhǎng)度。

3.4 磁浮發(fā)射車在c段軌道上的運(yùn)行和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車運(yùn)行到軌道c段平直道上時(shí)，處于恒速運(yùn)行階段，其受力關(guān)系為：

Fc=Fdj-Fkc=0

(3)

式中：Fc為磁浮發(fā)射車在軌道c段所受的外力，N；Fkc為磁浮發(fā)射車在軌道c段的空氣阻力，N。

3.5 磁浮發(fā)射車在d段軌道上的運(yùn)行和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車運(yùn)行到軌道d段坡道上時(shí)，受力關(guān)系為：

Fd=-Fdj-kdMg-Fkd=Mad

(4)

式中：Fd為磁浮發(fā)射車在軌道d段所受外力，N；ad為磁浮發(fā)射車在軌道d段的運(yùn)行減速度，m/s2；kd為坡道帶來的重力加速度分量因數(shù)；Fkd為磁浮發(fā)射車在軌道d段的空氣阻力，N。

磁浮發(fā)射車的快速減速導(dǎo)致運(yùn)載火箭在慣性的作用下被拋出或彈射出去。

磁浮發(fā)射軌道d段的kd應(yīng)比0.1要大一些，為的是提高運(yùn)載火箭的飛行角度。地球的重力分量作用在磁浮發(fā)射車上，也可以加大制動(dòng)的減速度。

3.6 磁浮發(fā)射車在e段軌道上的運(yùn)行和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車運(yùn)行到軌道e段坡道上時(shí)，受力關(guān)系為：

Fe=-Fdj-kemg-Fke=mae

(5)

式中：Fe為磁浮發(fā)射車在軌道e段所受外力，N；m為火箭發(fā)射后發(fā)射車的空載質(zhì)量，kg；ae為磁浮發(fā)射車在軌道e段的運(yùn)行減速度，m/s2；ke為坡道帶來的重力加速度分量因數(shù)；Fke為磁浮發(fā)射車在軌道e段的空氣阻力，N。

ke與前述kd相比，應(yīng)小一些，至少應(yīng)與kb相等。

3.7 磁浮發(fā)射車在f段軌道上的運(yùn)動(dòng)和受力關(guān)系

磁浮發(fā)射車運(yùn)行到軌道f段平直道上時(shí)，受力關(guān)系為：

Ff=-Fdj-Fkf=maf

(6)

式中：Ff為磁浮發(fā)射車在軌道f段所受外力，N；af為磁浮發(fā)射車在軌道f段的運(yùn)行減速度，m/s2；Fkf為磁浮發(fā)射車在軌道f段的空氣阻力，N。

最終，磁浮發(fā)射車停下，且af=0。

根據(jù)上面的論述計(jì)算,發(fā)射軌的總長(zhǎng)度可小于10km。

鑒于磁浮發(fā)射車還要返回發(fā)射軌道的起點(diǎn)，考慮發(fā)射車的最大驅(qū)動(dòng)力Fdjm對(duì)發(fā)射軌道b段的牽引要求，重力加速度分量因數(shù)kb的選取還是有一定的約束條件，必須滿足：

Fdjm-kbmg>0

(7)

即：

kb

(8)

4 結(jié)束語

綜上所述，利用常導(dǎo)高速磁浮列車發(fā)射運(yùn)載火箭的方案理論上是可行的，今后還需要對(duì)該課題開展一次全面的技術(shù)設(shè)計(jì)，以確定發(fā)射軌道的線型等諸參數(shù)，并對(duì)發(fā)射筒與轉(zhuǎn)向架接口部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于高速磁浮列車尺寸和承載能力的限制，該方案比較適合于中型運(yùn)載火箭的發(fā)射或重力為幾百千牛的大氣中高超飛行器的初期發(fā)射，可以減少每次發(fā)射的成本。

誠(chéng)然，利用常導(dǎo)高速磁浮列車發(fā)射運(yùn)載火箭也有一些缺點(diǎn)。

(1) 發(fā)射軌道的一次性投入較大。

(2) 磁浮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定適應(yīng)性裕量要大，否則在質(zhì)量發(fā)生較大變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)發(fā)散或振蕩。

(3) 發(fā)射車運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)的加、減速度較大，走行部和發(fā)射部的接口強(qiáng)度要適應(yīng)發(fā)射運(yùn)行全過程中的惡劣條件。

(4) 與常規(guī)運(yùn)載火箭的發(fā)射條件不同，二級(jí)以上火箭初始飛行在稠密的大氣中，且入軌的路徑較長(zhǎng)，為此，二級(jí)火箭需要攜帶較多的燃料。

科技部在“十一五”期間對(duì)常導(dǎo)高速磁浮列車的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行了大力支持，現(xiàn)已獲得了試制兩列試驗(yàn)車和建設(shè)1km長(zhǎng)試驗(yàn)線的成果，將來可以直接利用和改造。此外，上海電氣集團(tuán)還對(duì)長(zhǎng)定子鐵心和三相繞組電纜進(jìn)行了全面攻關(guān)和研究，也取得了很好的結(jié)果。如果“十三五”期間常導(dǎo)高速磁浮列車的自主化變頻器順利研制成功，也就有了完整的前期硬件條件，開展利用常導(dǎo)高速磁浮列車發(fā)射運(yùn)載火箭研究的物質(zhì)基礎(chǔ)就基本具備了。

[1] 吳祥明.磁浮列車[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

Following theoretical study was made：the carrier missile above two stages could be step up to the speed of more than 500km/h for launching by utilizing the characteristics of maglev trains that can achieve high-speed operation and using the earth-based grid energy and the component of earth acceleration, while the first stage of the carrier missile could be cancelled to reduce the cost. Since magnetic suspending launching device could quickly return to the starting point of launching rail it is available to be loaded for next launching in short time. On the basis of theoretical research a U-shaped launching rail was design and recommended, this design could use the earth’s gravitational potential energy, achieve the conversion between kinetic energy and electricity by electric brake of linear motors and feedback the power grid.

Maglev Train; Carrier Missile; Orbit; Launch； Research; Design

2016年5月

尹力明(1951— )，男，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事磁浮及軌道交通技術(shù)研發(fā)工作， E-mail: yinliming0522@vip.sina.com

TM271；U237

A

1674-540X(2016)04-001-04