题目：航天运载器磁悬浮助推发射技术的悬浮与气动问题研究

大幅度降低航天发射成本是空间商业化发展的首要前提，然而目前的发射任务多由一次性使用多级火箭完成，而重复使用运载器的实现又受到推进系统、燃料贮箱和结构质量超重等多方面问题制约，因此现阶段实现低成本发射目标具有很大难度。本文首先从理论分析角度比较了国内外几种典型重复使用运载器型式（单级入轨、火箭基两级入轨、吸气基两级入轨）的有效性，然后基于美国近几十年来发展重复使用运载器的历史过程和目前现状，用多方面事实阐述了发展重复使用运载器面临的各种关键问题及技术难度。在这些分析基础上，本文研究了一种对实现重复使用运载器有积极促进作用的新型航天发射方式——地面助推水平起飞发射方式。为了说明地面助推发射对运载器尤其是单级入轨运载器的有益影响，本文采用运载器方案论证阶段经常采用的一种概念性计算分析方法，基于一个基准运载器模型，在二维弹道计算基础上，研究了地面起飞速度、起飞爬升角、起飞海拔高度等地面助推发射参数对运载器总体性能的影响规律。计算表明，地面助推发射对于降低运载器入轨推进剂消耗量、运载器干重质量具有明显作用，其结果是提高有效载荷比或增大重复使用运载器的实现可能性。在此基础上，本文讨论了地面跑车、地效飞行器、气塞式、火箭橇式和磁悬浮等多种地面助推发射方式及方案，并从运动支撑方式、推进加速方式、高速运行稳定性和有效载重能力等方面入手，分析了各种地面助推发射方式的优缺点和实现难易程度，最终认为磁悬浮助推发射方式具有更显著的实现可能性和更大的发展潜力。航天运载器的磁悬浮助推发射与多个关键技术相关，例如磁悬浮技术、直线电机推进技术、电能供给技术、助推发射过程空气动力影响和运载器分离发射技术等。鉴于地面高速稳定运行是磁悬浮助推发射的首先要求，因此本文的研究重点主要集中在磁悬浮技术和空气动力影响这两方面。磁悬浮技术是决定磁悬浮助推发射装置技术能力的首要技术问题。本文首先综合分析了目前主要的磁悬浮系统类型，包括永磁悬浮（Permanent magnet suspension: PMS）系统、电磁悬浮（Electromagnetic suspension: EMS）系统、电动悬浮（Electrodynamic suspension: EDS）系统和高温超导体悬浮（High temperature superconductor suspension: HTSS）系统。通过充分比较这些悬浮系统类型的悬浮力产生原理和系统结构特点，同时考虑到磁悬浮助推发射过程中的特殊悬浮力要求，最终得出高温超导体磁悬浮系统在提高装置载重能力、抑制气动升力影响和降低悬浮控制系统难度等方面具有显著优点。因此，本文把高温超导体磁悬浮系统的悬浮性能研究作为本文的主要内容之一。依据载重能力和悬浮稳定性这两项主要性能指标，本文对高温超导体磁悬浮系统的研究工作主要包括静态悬浮特性和动态悬浮特性两部分。在静态悬浮特性研究方面，本文首先重点探讨了高温超导体的电磁学性质和稳定悬浮作用原理，然后充分调研了影响高温超导体静态悬浮性能的各种可能因素。在分析HTSS系统的无阻悬浮原理和悬浮力计算经验公式基础上，本文设计出一个包含液氮低温容器和永磁导轨的优化高温超导体磁悬浮系统方案。为了研究高温超导体磁悬浮系统的静态悬浮特性，首先建立了磁悬浮系统单元的准静态力精确测试系统，并测试研究了不同超导体排列的悬浮性能和优化超导体排列在不同场冷高度或测试高度时的静态悬浮特性。其次，又建立一体化的磁悬浮推进技术研究缩比试验平台，其包括四个磁悬浮系统单元和两条7米长平行永磁导轨，并在该试验平台上研究了高温超导体磁悬浮系统不同场冷或载荷条件下的静态悬浮特性。以上静态悬浮特性的测试研究表明，高温超导体磁悬浮系统是一种在载重能力和自稳定悬浮特性两方面都比较优越的磁悬浮系统型式。在高温超导体磁悬浮系统的动态悬浮特性研究方面，本文首先探讨了造成高温超导体悬浮力衰减和动态悬浮不稳定的各种可能因素，然后采用有效的正弦激振测试手段测试研究了高温超导体磁悬浮系统在不同振幅和振动频率下表现出的悬浮力衰减及阻尼特性，同时采用有效的脉冲激振测试手段测试研究了高温超导体磁悬浮系统在不同场冷或载荷条件下的动态悬浮特性。实验发现，高温超导体磁悬浮系统具有较低的一阶固有频率（10Hz以内），其动态悬浮刚度能力较强，但振动阻尼能力非常弱。因此实验表明，高温超导体磁悬浮系统具有在一定频率范围内实现高悬浮稳定性的能力，但弱阻尼限制了高温超导体磁悬浮系统的应用，要实现该系统的实际应用必须采用有效的阻尼措施。对暴露于大气中的磁悬浮助推发射过程而言，磁悬浮助推发射装置及所承载运载器将随着助推速度提高面临严峻的空气动力影响问题。本文在借鉴高速列车等地面运行装置的气动问题研究经验基础上，首先讨论了磁悬浮助推发射过程中的空气动力特征，然后采用有效的流场数值模拟计算方法优化设计了磁悬浮发射装置中磁悬浮橇体的气动外形，同时也设计了运载器相对于磁悬浮橇体的优化气动位置。此外，为了验证所采用数值计算方法及计算结果的正确性，本文描述了在FD-06风洞中进行缩比模型风洞实验的过程，而且实验结果与计算结果表现出良好的一致性。最后，通过进一步地系统力分析和优化气动方案设计，得出可以使气动升阻力、俯仰力矩影响降至最低的磁悬浮助推发射装置优化气动方案。综上所述，磁悬浮助推发射是提高重复使用运载器实现可能性的一种新型发射概念。本文通过大量的理论、计算和实验研究工作，研究了磁悬浮助推发射技术中的磁悬浮技术和空气动力影响等两方面关键技术问题，得出一些有价值的研究结论，希望这些研究工作对于磁悬浮助推发射技术的进一步发展有所帮助。