高溫超導磁懸浮系統(tǒng)的設計與試驗

高溫超導磁懸浮系統(tǒng)的設計與試驗

0磁懸浮技術領域未來，航空航天發(fā)射將朝著降低成本、高可靠的方向發(fā)展，水平誘導的空天飛機概念已成為研究的熱點，越來越受到重視。資料表明,采用地面助推發(fā)射方式承載空天飛機高速起飛,可以有效減小其推進劑消耗量和翼型、起落架等結構質量,而磁懸浮助推發(fā)射技術以其無摩擦損耗、高安全可靠、操作方便和運行成本低等特點,被視為一種最有效的地面助推發(fā)射技術,在多個國家已得到研究和發(fā)展。磁懸浮技術作為磁懸浮助推發(fā)射裝置的關鍵技術之一,其性能優(yōu)劣直接決定了磁懸浮助推發(fā)射裝置的成敗。目前磁懸浮技術領域主要存在常導電磁懸浮EMS(electromagneticsuspension)、高溫超導EMS、低溫超導電動懸浮EDS(electrodynamicsuspension)、高溫超導體EDS和永磁懸浮PMS(permanentmagnetsuspension)等5種磁懸浮系統(tǒng)類型。其中,高溫超導體EDS系統(tǒng)在低速懸浮能力、控制系統(tǒng)要求、低溫系統(tǒng)技術、運行能耗和成本等方面都具有明顯優(yōu)勢,適合作為磁懸浮發(fā)射裝置的磁懸浮系統(tǒng)方案。本文針對高溫超導體EDS系統(tǒng)進行作用機理分析和方案設計,并通過建立磁懸浮單元準靜態(tài)測試系統(tǒng)和磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗平臺,研究該磁懸浮系統(tǒng)的懸浮特性。1材料的高溫超導體的設計方案高溫超導體EDS系統(tǒng)采用非理想第二類超導體,它在液氮溫區(qū)(77k)具有排磁通和俘獲磁通實現穩(wěn)定懸浮的能力。高溫超導體在外磁場中的懸浮力F可以通過下式描述:F∝Jc?d?dH/dz(1)F∝Jc?d?dΗ/dz(1)式中Jc為超導體臨界電流密度,d為超導體中感應電流回路大小,dH/dz為超導體所處位置的磁場梯度。Jc和d為超導體材料屬性,受制作工藝水平限制,目前Jc一般在1×104A/cm2左右,d一般在50mm以內,因此目前提高懸浮力的主要途徑是通過設計具有高梯度的外磁場型式。圖1所示為設計的一種高溫超導體EDS系統(tǒng)方案示意圖。高溫超導體固定在液氮低溫保持器內部,其籽晶生長面與保持器的底部內壁緊貼。由于目前制備單晶大塊高溫超導體具有一定難度,實驗中采用Φ30mm×18mm的熔融織構YBaCuO高溫超導塊材。為了保持長時間的液氮低溫環(huán)境,低溫保持器采用真空絕熱結構和無磁不銹鋼材料焊接而成,容器底部無焊縫。為了保證磁懸浮系統(tǒng)的有效懸浮高度,容器底部厚度(包括真空夾層)越小越好,經過合理設計和試制,低溫保持器底部厚度為5mm,可以持續(xù)工作1小時以上。圖1中永磁導軌是勵磁源,它通過磁極相對的NdFeB永磁體和聚磁作用的工業(yè)純鐵板組裝而成,有利于實現強磁場。圖2為永磁導軌表面上方不同高度的磁場分布計算結果?？梢钥闯?越靠近永磁導軌表面,磁場強度越大,豎直和水平磁場梯度越大。經實驗測試永磁導軌表面磁場達到1.5T,與計算結果有較好的一致性。此外,超導體內俘獲磁通多少直接影響其懸浮性能,而超導體相對磁場實現超導的高度位置(即場冷高度,這里指超導體底面相對永磁導軌表面的高度)是影響其俘獲磁通大小的關鍵因素。因此,場冷高度影響也是磁懸浮系統(tǒng)性能研究的一個主要內容。2標準曲線及分析為了定量測試高溫超導體EDS系統(tǒng)的懸浮特性,建立圖3所示的磁懸浮單元準靜態(tài)力測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)由臺架、二軸數控電機平臺、應變式拉壓力傳感器、十字軸萬向節(jié)、直線軸承、固定超導樣品的低溫保持器、提供強磁場的永磁導軌和數據采集分析系統(tǒng)等組成。在實驗準備過程中,高溫超導體固定在液氮低溫保持器的內壁底部。豎直電機平臺帶動低溫保持器相對永磁導軌作上下移動,使其到達永磁導軌上方某一待測試位置。然后通過管路系統(tǒng)給低溫保持器加注液氮,使超導體進入穩(wěn)定超導狀態(tài)。實驗測試中,低溫保持器在豎直電機平臺帶動下相對永磁導軌作上下移動,或者永磁導軌在水平電機平臺帶動下作水平移動,對應每個豎直位移點或水平位移點,豎直和水平力傳感器將實時記錄高溫超導體與磁場作用產生的豎直力和水平力結果,豎直方向和水平方向的位移量分別由豎直和水平步進電機的脈沖數計算得出。由于永磁導軌上方不均勻的磁場分布狀態(tài),定位于其上不同位置的高溫超導體將顯示不同的懸浮性能,因此實驗重點測試了圖4所示的三種典型高溫超導體排列組合方案。組合1定位于永磁導軌中心上方,組合2定位于永磁導軌的中心軟鐵上方,組合3為組合1、2的整體形式。通過準靜態(tài)力測試系統(tǒng),對三種組合在場冷高度35mm下的懸浮力和場冷高度15mm下的導向力分別進行測試,測試結果如圖5和圖6所示。如圖5所示,每個組合的懸浮力測試曲線分為兩支。上支代表超導體接近永磁導軌時的懸浮力特性,懸浮力隨測試高度降低呈反指數增加。下支代表超導體遠離永磁導軌時的懸浮力特性,懸浮力隨測試高度升高而遞減,當測試高度上升至30mm左右時,懸浮力變?yōu)樨撝?表現為吸引力,而且在40mm左右時吸引力達到最大值。如圖6所示,超導體作相對水平移動達到位移+5mm或位移-5mm的過程中,導向力正向或反向近似線性增加,對水平移動產生很強的阻礙作用。因此,超導體在永磁導軌上方的排斥、吸引和水平約束作用最終實現了高溫EDS系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。此外,圖中懸浮力測試曲線上下支不重合,導向力往返測試曲線也不重合,表明懸浮力和導向力都表現出明顯的磁滯效應。這種現象可以解釋為超導體中的釘扎中心俘獲磁通并阻礙磁通正常進出,造成超導體內磁通分布狀態(tài)產生變化的結果。由圖5分析,在測試高度15mm處,組合1單塊超導體平均懸浮力為14.0N,而組合2的平均懸浮力為22.9N;由圖6分析,在水平位移5mm處,組合1單塊超導體平均導向力為12.7N,而組合2的平均導向力為10.5N。這些結果說明在永磁導軌中心軟鐵上方存在較強的豎直方向磁場梯度,而在導軌中心上方存在較強的水平方向磁場梯度,而組合3可以是充分利用永磁導軌豎直和水平方向磁場梯度特性的一種超導體組合優(yōu)化方案。同時由圖5和圖6分析得出,組合1、2的懸浮力合力和導向力合力與組合3的懸浮力、導向力幾乎一致,說明在磁懸浮系統(tǒng)作用過程中,超導體之間的磁場作用很微弱,對超導體組合的懸浮性能影響很小。因此,通過單塊超導體在永磁導軌上方不同位置的懸浮力、導向力測試,可以預示各種超導體組合的懸浮力、導向力性能,這對于優(yōu)選超導體組合方案具有指導意義。3現場試驗平臺為了綜合展示磁懸浮裝置的懸浮性能,建立如圖7所示的磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗平臺。試驗平臺由永磁導軌1、超導單元2、磁懸浮橇體3、場冷高度調節(jié)機構4、電機加速系統(tǒng)5、緩沖制動裝置6、懸浮高度測試傳感器7、導向力測試系統(tǒng)8和地基9等部分組成,主要技術參數如表1所示。永磁導軌和超導單元組成高溫超導EDS系統(tǒng)。導軌定位在地基上,采用圖1所示的導軌方案,采用平行雙軌利于使懸浮系統(tǒng)更穩(wěn)定。4個超導單元均勻布置于磁懸浮橇體底部,超導體組合固定于低溫容器中,并采用圖4中的組合3方案。磁懸浮橇體為鋁質結構,避免與導軌磁場產生吸引作用。場冷高度調節(jié)機構采用兩套步進電機驅動裝置作用于磁懸浮橇體底部,以改變磁懸浮系統(tǒng)場冷高度。電機加速系統(tǒng)采用雙邊直線感應電機,電機初級對稱定位于地基上,電機次級(鋁板)定位于磁懸浮橇體底部。雙邊感應電機結構簡單,作用方式對懸浮氣隙無影響,并利于產生大的起動推力。電機推力設計為600N,初級與次級的作用氣隙設計為5mm。緩沖制動采用高分子彈性阻尼材料裝置,可以實現100kg載荷、6m/s速度的制動。試驗平臺懸浮性能測試通過定量砝碼和懸浮高度測試傳感器實現。當不同質量的砝碼加載在磁懸浮橇體上,傳感器將反饋試驗平臺的相對懸浮高度。導向力測試系統(tǒng)由步進電機、拉壓式力傳感器和銷連接結構組成。在試驗平臺自由懸浮狀態(tài)下,步機電機通過銷接結構帶動試驗平臺水平移動,同時力傳感器記錄移動過程中產生的導向力。4冷高度對磁懸浮系統(tǒng)的影響場冷高度是影響高溫超導EDS系統(tǒng)懸浮、導向性能的關鍵因素,試驗測試中選擇零場冷(這里為場冷高度大于90mm)、場冷45mm、35mm和25mm四個典型場冷高度,分別測試這四種條件下試驗平臺的加載懸浮性能曲線和空載導向性能曲線,如圖8和圖9所示?？梢钥闯?隨著場冷高度降低,試驗平臺相同載荷下的有效懸浮高度下降,說明低場冷高度將導致磁懸浮系統(tǒng)懸浮能力下降,而試驗平臺空載下的導向能力卻隨著場冷高度降低明顯增加,實現了系統(tǒng)更高的橫向穩(wěn)定性。因此,在選擇合適的場冷高度方面,懸浮力、導向力具有一定矛盾性。此外,試驗平臺不同的載荷變化過程也將影響磁懸浮系統(tǒng)的懸浮導向性能。在某一場冷條件(如場冷35mm)下,對試驗平臺連續(xù)進行三次100kg載荷的加載/卸載實驗,懸浮高度測試曲線如圖10所示。可以看出,第一次加載/卸載過程的測試曲線存在很大的不可逆性,而在第二和第三次測試過程中這種不可逆性大大降低,即加載/卸載過程的測試曲線表現出很好的可重復性,這說明在第一次磁懸浮系統(tǒng)的承載變化后,超導體內的磁通趨于穩(wěn)定,然后隨載荷變化的懸浮性能也將趨于穩(wěn)定。另一方面,在場冷高度35mm條件下,對試驗平臺連續(xù)進行3個不同載荷下的導向力測試,載荷順序為40kg、100kg和0kg,測試曲線如圖11所示?？梢钥闯?隨著載荷增加(40kg→100kg),試驗平臺的導向能力增加,但測試曲線表現出更大的磁滯效應;當載荷由100kg下降為0kg時,導向能力并沒有明顯下降,其導向力和磁滯效應反而優(yōu)于40kg載荷時的狀態(tài)。這一現象可以解釋為磁懸浮系統(tǒng)在加載下降過程中超導體俘獲更多磁通,這些俘獲磁通將進一步增強系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性。在磁懸浮助推發(fā)射過程中,發(fā)射裝置受氣動升力和運載器分離的影響,磁懸浮裝置的載荷將會大幅度下降。通過以上關于試驗平臺在不同場冷高度和載荷過程的實驗測試,可以得出降低場冷高度有利于提高磁懸浮裝置的橫向穩(wěn)定性,而載荷下降會提高磁懸浮裝置的懸浮高度,但不會降低其橫向穩(wěn)定性。5材料的材料與場冷高度對懸浮性能的影響設計了一種由高溫超導體和具有強磁場梯度永磁導軌組成的高溫超導體EDS系統(tǒng)。通過磁懸