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关于“月球 — 电磁驱动航天器发射基地”的构想

关于“月球 — 电磁驱动航天器发射基地”的构想. 物理学院 2 班 PB11203139 胡 邈 指导老师：叶邦角. 内容摘要. ◎ 构想：在月球赤道上建造一条长几百千米 甚至环整个月球赤道的电磁轨道，采用电磁驱动推进方式，使航天器加速到所需速度后被释放出去 ◎探讨其可能性. Outline. ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎ 悬浮 ◎ 导向 ◎ 推进方式 ◎ 布局 ◆展望. 构想的由来. The moon.

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关于“月球 — 电磁驱动航天器发射基地”的构想

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  1. 关于“月球—电磁驱动航天器发射基地”的构想关于“月球—电磁驱动航天器发射基地”的构想 物理学院2班 PB11203139 胡 邈 指导老师：叶邦角

  2. 内容摘要 ◎构想：在月球赤道上建造一条长几百千米 甚至环整个月球赤道的电磁轨道，采用电磁驱动推进方式，使航天器加速到所需速度后被释放出去 ◎探讨其可能性

  3. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  4. 构想的由来

  5. The moon

  6. 为什么月球从来都只拿正面对着我们？ 因为背面是变形金刚的基地！

  7. 构想的由来 ◎ 1969.7.Apollo 11飞船实现了人类首次登月 ◎现在磁悬浮列车的快速以及致命伤 ◎2004.1.美国宣布将重返月球，在2015- 2020间重新载人登月。并以月球为跳板，在2030年前后，把人类送往火星。 ◎月球的优越条件

  8. 月球相关数据赤道半径：1738 Km 赤道上的重力加速度：1.62 m/s2 平均地月距离：384 400 Km 绕地球运行的平均速度：1.02 Km/s 月球表面真空度高于地球上现有的抽真空 地球月球发射航天器比较

  9. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  10. 悬浮 以左侧为例 构造图 左侧下 左侧上 原理：电磁感应的楞次定律 刚开始加速时：a=1.62m/s2 加速到所需速度时：a=4.57m/s2 人类的磁悬浮列车已做到 <g地球

  11. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  12. 导向 • 靠近时斥力增大，远离则相反 • 水平方向上将航天器控制在中央位置

  13. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  14. 推进方式 • 航天器与轨道上独立的超导线圈 • 控制讯息：电磁感应的楞次定律 • 控制外电路在超导线圈中加载相反方向的强电流 • 加速航天器

  15. 驱动力 C对A的作用（B对A类似）： A、C线圈半径R；A中的电流大小 为I(Ix ,Iy )；C中的电流大小为I0，C 产生的磁感应强度为B(Bx ,By ,Bz ) 在水平方向上产生力（驱动力） 的只有IyBz项：dFx = IyBzdl ∴任务————计算Bz 教材P122例5.2 Bz=

  16. 驱动力 考虑特殊情形：当A圈1处位于C圈轴线上时 • 设两线圈之间距离为d • Bz1 = dFx1=IyBz1dl=IBz1dl 同理可得dFx3 • 由电流方向（←）和磁感应强度方向（·与×）易见，Fx1与Fx3都向左，为驱动力。2、4两处Iy=0，dFx2,4=0

  17. 简化！简化！简化！ 驱动力 • 令I0=I=I • 因为此时产生的推力最大，故以此时求得的推力代表整个推力 • 忽略弧234的受力，而弧123在强磁场环境下按磁感应强度不变处理，为BZ1 • 探讨可能性 • 目的——得到一个数量级 • 对精准性不作要求 如图，dFx=IBzcos dl 注意到dl=Rd ,则可得 考虑到线圈B对A的作用，故为上式的两倍。即是说，一组线圈所带来的推力为

  18. 建造环月球赤道的轨道 航天器可在轨道上运行数圈，而不受轨道长度限制。 这样一来，很多条件—如电流大小—都可以减弱 用一组具体数据估值 • 取R=0.4m d=0.3m I=2 × 104A 航天器质量m=105kg(100t) 载人航天器侧面布置2 × 100组驱动装置(两侧) • 将以上数据代入，有 =32768πN≈102944N • 可产生加速度 a=102944/105=1.03（m/s2） • 从v=0加速到v=3.28km/s 耗时 t=3280/1.03=3186(s)≈50分钟 • 加速距离（即所需轨道长度） s=½ 1.03 31862 = 5228(km)≈5 103 (km) ＜月球赤道周长l=2 r=3476 ≈1.1 × 104km

  19. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  20. 布局 • 航天器在电磁轨道中被加速到所需速度后停止加速，通过一段逐渐展开的抛物线，在抛物线末端，曲率减小到使航天器的离心加速度与月球对航天器的引力加速度相等，这时航天器与轨道的作用力为零。释放航天器，完成发射。

  21. Outline ◆构想的由来 ◆具体构想 ◎悬浮 ◎导向 ◎推进方式 ◎布局 ◆展望

  22. 把人类送上火星，是继登月后，人类的下一个目标把人类送上火星，是继登月后，人类的下一个目标

  23. 优势 • 零阻力 载人火星探测来回数年 足够的航天员生命保障系统重达几十甚至几百吨 地球————只能多次发射，再在近地太空组装 月球————几乎零阻力，引力更小，可以一次性完成发射！ 2. 超导线圈 • 易获得强大电流 • 响应迅速：驱动部分磁场极性必须 迅速改变，超导线圈容易做到 3.不考虑空气动力学 形状的设计获得很大自由： 更大的体积比和表面积比 更多的悬浮装置和驱动装置 4. 充分利用资源 电磁驱动，无需化学火箭式大量消耗物资，仅仅是消耗能源，而月球又 拥有远比地球稳定而丰富的太阳能。月球低温下，高温超导易实现。 强磁场 更大的悬浮力和驱动力。

  24. 展望 ◎目前的状况、近期或少量的发射 ——化学火箭发射方式为好 因为：化学火箭技术成熟，而建造月基电磁航天器发射轨道是一项十分浩大的工程，还要依赖人类空间技术的高度发展。 ◎远景是美好的 ◎尤其适合频繁、大量的、以及重型航天器的发射。 ◎以月球为跳板，此方案进一步发展可适应更多的要求。例如： ◇环月球轨道后可以双向发射， 驶向不同的目的地； ◇ 在月球处于日地之间时，顺着月球自转方向发射，则可以去到水星、金星…； ◇如果是非载人的探测航天器，则质量较小，还可使用更大的加速度推进。

  25. 建造这样的航天器发射轨道应该是人类未来月球发展规划的一部分从人类月球永久基地的建设开始持续发展，相信我们美好的愿望一定可以实现。建造这样的航天器发射轨道应该是人类未来月球发展规划的一部分从人类月球永久基地的建设开始持续发展，相信我们美好的愿望一定可以实现。

  26. 参考文献： • 【1】胡友秋,程福臻,叶邦角.电磁学与电动力学【上册】.科学出版社，2008.7 • 【2】欧阳自远.月球科学概论.中国宇航出版社,2005.9 • 【3】刘学富.基础天文学.高等教育出版社，2004.7

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