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基于大功率分段供电多相直线感应电动机的电磁发射装置

技术简介

       针对某电磁发射的需求,成功研制了一种基于新型大功率分段供电多相直线感应电动机的电磁发射系统,该系统主要由储能子系统、动力调节子系统、直线电动机及闭环控制子系统构成,这四个子系统相互之间的连接关系如图1所示。

图1基于直线电机的电磁发射系统构成框图

       系统的工作原理为:储能子系统通过充电装置从电网以较长时间、小功率获取电能,转化为机械能存储起来;发射时闭环控制子系统控制能量储存子系统瞬时大功率输出能量至动力调节子系统,动力调节子系统将能量调节成合适的电压、电流输出至直线电机,实时控制直线电机动子上产生的电磁力,按照设定的速度曲线加速发射负载达到发射速度,之后控制直线电机产生反向的制动电磁力,对动子进行制动,动子与负载分离,完成发射任务。

系统有如下技术突破:

(1)高储能密度,高功率密度飞轮储能电机的设计与研制;
(2)飞轮储能电机高稳定性快速放电励磁装置的设计与研制;
(3)基于电力电子器件串并联和多电平技术的超大容量逆变器的设计与研制;
(4)大功率分段供电多相直线感应电动机的设计与研制;
(5)多段直线电机定子分段供电网络和分段供电技术的设计与研制;
(6)完成了系统发射流程与顶层控制技术以及控制系统的网络化总体集成技术的研究,突破了由多异构控制器构建复杂控制系统的总体集成技术难题。


技术特点

       目前航天器发射技术的现状为:垂直发射技术已非常成熟,水平发射方式处于技术研究阶段。目前水平发射技术存在四种技术途径:①驮机背负空中分离发射,主要问题是发射载荷受驮机能力限制,负载能力较小,准备时间长,成本高;②起落架自主滑跑,主要问题是效费比差,附加起落架负载及其全航程所耗燃料部分占比较大,航天器起飞与着陆重量比达到5-6,成本极高;③地面火箭撬助推,目前性能较好,但体现不出与垂直发射的优势,燃油成本也较高;④电磁助推,由电磁装置的输出电磁力对航天器进行加速,其优势是可以对加速过程的速度、加速度进行准确控制,环保无污染,有效降低航天器所需携带的燃料,大幅降低航天器起飞与着陆重量比,发射成本大大降低,据国外文献估算,平均发射1千克有效载荷至第一宇宙速度所需电能费用约为1美元,而目前基于传统火箭方式发射1千克有效载荷至第一宇宙速度所需费用约为10000美元。

       目前本单位所研制的电磁发射系统在发射控制技术、大功率直线电机、大功率动力调节装置以及高储能密度能量存储装置方面均取得了较大的技术突破,且系统的各个功率装置均采用模块化设计方案,所以通过增加储能装置和动力调节装置的模块数量,增加直线电机的相数和段数,就可实现系统功率和发射速度的提高,满足航天器电磁发射的技术需求。


技术指标

单台储能装置的主要技术指标:
(1)最高转速:5000rpm
(2)最大储能能量:80MJ
(3)最大发电功率:70MW
单台动力调节装置的主要技术指标:
(1)最大输出容量:32MVA
(2)最大输出电压:4000V
(3)最大输出电流:8000A
直线电机子系统主要技术指标
(1)最大输出功率:200MW
(2)最高速度:100m/s
(3)最大电磁推力:2×106N


技术水平

国际先进


应用领域和范围

航天器发射技术领域


专利状态

已取得专利8项


技术状态

小批量生产、工程应用阶段


合作方式

技术转让


投入需求

3000 万元


转化周期

2年


预期效益

       基于新型大功率分段供电多相直线感应电动机的电磁发射系统的成功研制为航天器电磁发射技术的研究和应用提供了有力的技术支撑,该装置极大地降低了单次发射费用,所以将会有效的促进人类太空旅行以及太空货运的发展。