[发明专利]地面高速超导磁悬浮橇体试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及高速试验装置技术领域。

背景技术

航空、航天等国防武器装备以及民用高新技术产品的研制，需要重点解决它们在高速度、高加速度运行过程中可能遇到的一系列技术问题，例如导弹惯性制导和控制系统、乘员弹射救生、空气动力、降落伞、航空生理、高过载、推进系统、雨蚀、砂蚀、碰撞、引信以及爆炸冲击等。这些技术的研究和解决需要强有力的试验设施作为依托，目前的试验措施主要包括各种类型的风洞、飞行试验和火箭橇试验滑轨。其中，火箭橇试验滑轨是20世纪下半时发展起来的一种大型、高精度地面动态模拟试验设备，其最大的优越性是空中试验地面做。地面滑轨试验比空中试验灵活性大，试验的实现或重复、试件的观察、试验数据的采集都比空中方便。试件可以投放或发射，也可通过刹车系统完好无损地回收，经调整再次进行试验。通过滑轨试验可以准确地、尽可能多地发现试件在设计制造上的缺陷，使实验室和全尺寸飞行试验得到衔接。因此，火箭橇试验滑轨已成为所有地面动态模拟试验中最能逼近真实飞行环境和置信度最大的一种重要手段。

但是，火箭橇依靠滑靴和滑轨之间的直接接触对橇体进行约束，这将造成巨大的摩擦损耗。而且直接接触已成为火箭橇速度要求和载荷要求提高的最主要限制因素，在速度达到一定数值时，直接接触产生的高频振动载荷经常会导致试验失败。因此，国内外各重要研究机构一直在探索各种新技术对火箭橇试验滑轨技术进行合理的升级换代。

近几十年来磁悬浮技术的快速发展，为地面高速运行条件提供了重要的技术途径。其中，德国采用电磁吸引式悬浮(EMS)系统已经成功实现500km/h的运行速度，日本采用电动斥浮式(EDS)低温超导悬浮系统已经成功实现550km/h的运行速度。然而EMS系统存在控制系统复杂、悬浮高度小等问题，很难适用于更高速度的地面运行，而EDS低温超导悬浮系统需要成本很高的液氦低温冷却系统技术，且运行稳定性一般，因此应用也受到限制。近年来高温超导材料的研制水平逐渐提高，并取得了很好的应用效果，尤其是熔融织构生长(MTG)的强磁浮YBaCuO块状超导材料具有完全抗磁效应和磁通钉扎效应等特性，采用低成本的液氮制冷系统即可以实现无需控制的高性能磁悬浮系统。同时直线电机技术的迅猛发展为取代火箭橇的火箭发动机推进方式也提供了可能性。因此，针对火箭橇的试验运行环境，我们考虑采用高温超导磁悬浮技术实现橇体与滑轨的悬浮分离，以便于实现无摩擦阻力和减小高频振动影响，采用直线电机推进技术提供磁悬浮橇体的加速和制动动力，以便于实现无污染高效的推进装置，最终实现一种低能耗、安全可靠和高效的地面高速橇体试验装置。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是提供一种低能耗、可靠和高效的地面高速橇体试验装置。它采用具有强自稳定性的高温超导体磁悬浮技术和高效的高温超导体直线电机技术，便于实现高速和高加速的试验条件，主要用于航空、航天等武器装备系统的地面试验研究任务。

2.技术方案

本发明的目的可以由下列技术方案来实现：

橇体试验装置采用高温超导体磁悬浮系统，可以实现无摩擦阻力的高速运行。高温超导体磁悬浮系统采用非理想第二类超导体，具有在液氮温区(77k)排磁通和俘获磁通实现自稳定悬浮的能力。超导体排磁通悬浮可以实现很大的悬浮力，而且悬浮力会随着悬浮高度降低迅速增大，超导体俘获磁通产生的磁通钉扎力又对超导体在竖直和水平方向产生很强的约束力作用，因此高温超导体磁悬浮系统运行过程中不需要控制系统对悬浮状态进行约束。

要实现高温超导体磁悬浮系统的大悬浮力，还需要很强的外磁场励磁源，为此设计了一种可以产生强磁场梯度的闭合场永磁导轨。永磁导轨通过磁极相对的大块NdFeB永磁体和具有聚磁作用的工业纯铁板组装而成，经合理设计永磁导轨表面磁场强度达到1.5T，并且在导轨上方竖直和水平方向将形成很强的磁场梯度。永磁导轨沿纵向方向磁场均匀，因此把它作为磁悬浮橇体的运动方向。导轨采用双轨纵向平行分布，磁悬浮橇体置于双永磁导轨正上方，这样的布置方案有利于悬浮载荷的均匀分布。此外，高温超导体在永磁导轨上方俘获磁通的多少直接影响其悬浮稳定性，而俘获磁通多少与超导体在导轨上方的场冷高度位置(指超导体相对永磁导轨冷却实现超导的高度位置)直接相关。因此，对于高速运行的磁悬浮橇体应该采用低场冷高度位置，以利于超导体俘获更多的磁通，实现运行的强稳定性。此外，通过提高磁悬浮装置的长径比，采用更多的超导体来满足悬浮力和悬浮高度的要求。