[发明专利]一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置

说明书

一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置，包括运动平台、控制系统以及超导线圈组件，所述超导线圈组件用于产生电磁场，超导线圈组件安装在运动平台上，由运动平台支撑且通过运动平台实现超导线圈组件的三自由度运动控制。超导线圈组件包括真空杜瓦筒体、超导线圈、线圈骨架、液氮腔以及线圈引线。利用高温超导材料绕制超导线圈组件中的电磁线圈，可在常导材料线圈同等尺寸和匝数下，生成十几倍乃至几十倍大的电磁场，能够显著提升空间电磁操控效果。真空杜瓦筒体管壁中包覆有真空保温层，其内为填充有液氮的液氮腔，超导线圈和线圈骨架置于液氮腔内，可在满足高温超导材料低温环境的同时有效减少热交换，提升超导线圈运行的稳定性与长久性。

技术领域

本发明属于空间电磁操控及其地面试验模拟技术领域，具体涉及一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置。

背景技术

当前包括失效卫星在内的轨道碎片数量越来越多，为人类航天活动与在轨航天器的安全运行带来极大的威胁，因此加快面向抓捕、维修、离轨等任务的在轨操控技术研究具有重要意义。为顺利开展逼近抓捕等在轨操控任务，需要首先对失效卫星的位置/姿态进行控制，使其达到期望的相对状态；然而传统接触式操控手段作用距离近，控制难度大，安全风险高，近年来非接触在轨操控手段得到广泛关注。

空间电磁操控是一种代表性的非接触在轨操控方式，利用星载电磁装置生成可控电磁场，通过电磁场与目标或电磁场之间的相互作用产生非接触场力，进而实现相对位置/姿态的控制。由于电磁场强度随距离4次方成反比衰减，为取得较理想的非接触操控效果，需要航天器能够产生大强度电磁场。对于传统基于常导材料的电磁线圈而言，只能增大线圈直径与线圈匝数，从而导致磁场发生装置体积大、质量重，为航天器总体设计带来巨大挑战。

超导技术的蓬勃发展为空间电磁操控带来了新的曙光。采用超导线圈技术可在同等线圈直径与匝数的前提下，生成十几乃至几十倍强度的电磁场，从而大大提高星间电磁力/力矩量级，显著提升非接触操控效果。此外，为满足不同目标、不同运动状态下的电磁操控需求，电磁场强度需要灵活可控，并具备与目标相对位置/姿态的机动控制能力。目前在地面开展的有关电磁对接、电磁消旋的试验系统，超导技术尚未得到验证与应用，而且一些采用永磁体的试验方案无法实现磁场的灵活控制，在进一步分析电磁操控机理与特性方面存在局限。因此设计一款能够实现可控大场强电磁场生成以及相对运动模拟的装置是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置，其利用高温超导技术实现可控大场强电磁场生成。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置，包括运动平台、控制系统以及超导线圈组件，所述超导线圈组件用于在控制系统的控制下产生电磁场，所述超导线圈组件安装在运动平台上，由运动平台支撑且通过运动平台实现超导线圈组件的运动控制。

作为优选方案，本发明中的运动平台包括支撑底架、伺服导轨、转台支架、伺服转台以及安装底座，所述超导线圈组件安装在安装底座上，所述安装底座固定在伺服转台上，由伺服转台实现超导线圈组件的旋转控制；伺服转台通过转台支架安装在伺服导轨上方，转台支架能够沿伺服导轨的导轨方向移动，进而驱动超导线圈组件实现直线运动控制；所述伺服导轨安装在支撑底架上，由支撑底架支撑。

作为优选方案，本发明中的超导线圈组件包括真空杜瓦筒体、超导线圈、线圈骨架、液氮腔以及线圈引线；真空杜瓦筒体内为填充有液氮的液氮腔，超导线圈和线圈骨架置于液氮腔内，其中超导线圈缠绕在线圈骨架上。真空杜瓦筒体上设有引线插口，超导线圈的内外接头连接线圈引线，线圈引线在引线插口处通过110A恒流电流源进行供电，从而使超导线圈产生磁场。所述超导线圈放置在液氮腔内，通过灌装液氮实现超导线圈的低温保持。进一步地，所述真空杜瓦筒体的内侧壁上包覆有真空保温层，这样可有效减少热交换，提升制冷效果。