磁阻式电磁线圈加速器发射卫星概念 - 图文

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，燃烧生成氮氧化物 四氧化二氮 过氧化氢 液氟 密度高，易蒸发，易冻结，有剧毒 本身可单独作为推进剂，高浓度下有爆炸危险 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

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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。

二、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

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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ａＮ，ｔ１时刻剩余燃料质量为m1 ，此时加速度为ａ１，ｔ２时刻剩余燃料质量为ｍ２，此时加速度为ａ２，ｍ１＞ｍ２． 则ｔ１时火箭需克服重力所需推力F ?g(m?m1)N??使火箭加速的推力F 1?a?g(m?m1)N??同理ｔ２时刻使火箭加速的推力F 2?a?g(m?m2)N

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因为ｍ１＞ｍ２，所以Ｆ１＜Ｆ２，并且ｍ＋ｍ１＞ｍ＋ｍ２ 由Ｆ＝ｍａ得：ａ＝Ｆ／ｍ，所以ａ１＜ａ２ 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ρ（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） 0 1 2 3 大气密度（千克每立方1.293 1.168 1.051 0.892 米） 海拔高度（千米） 4 5 6 7 大气密度（千克每立方0.802 0.719 0.644 0.573 米） 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。 三、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

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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。 四、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

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