题目：发射助推高温超导磁悬浮动力学特性研究

近几十年来，低成本、高可靠的可重复使用单级入轨（the single-stage to orbit, SSTO）天地往返运输系统正成为世界各航天大国迫切追求的目标。磁悬浮助推发射技术作为一种可能的未来地面助推发射方案将有助于运载器实现单级入轨以及提高有效载荷。块状高温超导（high temperature superconductor, HTS）磁悬浮动力学研究作为磁浮助推发射技术的一项重要研究内容，对于磁浮系统的悬浮稳定性评估以及缩比磁悬浮助推试验平台的建立具有很重要的指导意义。而且，充分研究高温超导块材自身具有的自稳定悬浮特性等固有的特点和优势，将有利于使其在超导磁浮轴承、地面超高速试验装置和小型运载器电磁发射装置等领域得到应用。本文针对超导动力学研究需要以及磁悬浮助推发射方案的总体概念设计要求，一方面研究了高温超导的动态物理特征，以求更好的分析及保证高温超导磁体的高速动态特性；另一方面结合超导磁悬浮助推过程中的动力特点通过仿真计算提出合理的助推及分离动力方案，为实现助推装置的悬浮稳定加速以及可靠分离提供理论参考。在超导体特性研究上，本文在原有的超导静态实验研究的基础上，进行了更深入的研究。通过试验并结合数值计算对高温超导在永磁组合轨道上的悬浮力进行了研究，目的在于弄清楚高温超导体与永磁导轨之间的相互作用机制，从而为研究永磁导轨上的高温超导磁悬浮助推系统提供一定的理论依据与指导。理论研究中，本文在综合对比现有高温超导计算模型的基础上利用基于有限元和差分法的数值计算方法，同时结合磁通流动模型分析计算超导内部感应电流，然后根据洛仑兹力公式得出相应的磁浮力。试验研究中，首先根据磁悬浮助推发射缩比试验系统的设计要求，建立动态测试试验分析系统，研究YBaCuO超导体组合与由NdFeB永磁体和软铁组成的轨道构成的磁悬浮系统单元的幅频特性、阻尼特性以及悬浮刚度特性等。试验得出了超导系统的共振频率以及悬浮刚度随场冷位置的提高线性降低，在零场冷时达到最低等重要结论，这对于评估系统稳定特性和品质具有指导作用；其次，进一步通过缩比旋转试验及加速试验来初步分析旋转磁场中HTS内部磁通渗透过程和能量损耗机理以及验证磁浮缩比系统的动力稳定性能；最后，在定性分析有关磁悬浮推进系统运行稳定性关键问题的基础上，提出磁悬浮推进运行稳定性的可行方案，为整体系统安全稳定性设计提供参考。在超导动力学研究的基础上，本文进一步展开磁悬浮助推发射动力学相关内容的研究，主要包括地面加速动力学以及分离动力学两大部分。加速动力学是磁悬浮助推发射过程最重要的动力特性之一，需要通过建立动力、运动学方程组来分析飞行器从磁悬浮助推过程到分离过程的运行姿态，并加入必要的控制方程使飞行器保持设计的飞行弹道，这一过程需要考虑地面磁场作用力的特殊性。此外，通过纵向扰动分析，研究在助推过程初始段、分离段等扰动特征比较明显的环节系统本身的动力稳定性，抗干扰能力等。分离动力学则通过建立动力学模型并采用动网格技术来模拟飞行器几种分离姿态的动力学特性，评估其分离可行性。计算结果表明，采用滑轨式同时滑离，定姿助推方式，定角倾斜发射分离方案较为合理。此外，还结合气动影响对相应的分离装置动力特性展开研究，得出的有益结论为安全分离提供了理论指导。