阅读说明：本技术 一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置 (Controllable superconducting magnetic field generating device for space electromagnetic control ) 是由 杨乐平 张元文 黄涣 甄明 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：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。(A controllable superconducting magnetic field generating device facing space electromagnetic control comprises a motion platform, a control system and a superconducting coil assembly, wherein the superconducting coil assembly is used for generating an electromagnetic field, the superconducting coil assembly is installed on the motion platform, and three-degree-of-freedom motion control of the superconducting coil assembly is realized through the motion platform and supported by the motion platform. The superconducting coil assembly comprises a vacuum Dewar cylinder, a superconducting coil, a coil framework, a liquid nitrogen cavity and a coil lead. The electromagnetic coil in the superconducting coil assembly is wound by using the high-temperature superconducting material, so that an electromagnetic field which is dozens of times or even dozens of times as large as the coil made of the normal-conducting material can be generated under the condition of the same size and the number of turns of the coil made of the normal-conducting material, and the space electromagnetic control effect can be remarkably improved. The pipe wall of the vacuum Dewar cylinder body is coated with a vacuum heat-insulating layer, a liquid nitrogen cavity filled with liquid nitrogen is formed in the vacuum Dewar cylinder body, the superconducting coil and the coil framework are arranged in the liquid nitrogen cavity, heat exchange can be effectively reduced while the low-temperature environment of a high-temperature superconducting material is met, and the running stability and durability of the superconducting coil are improved.)

一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置

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。

本发明中的真空杜瓦筒体上设有用于向液氮腔填充液氮的液氮灌装口。利用自增压液氮罐(工作压力0.09Mpa)将液氮通过液氮灌装口注入到液氮腔内。真空杜瓦筒体的底部中心固连安装底座，为避免其他金属部件带来磁场干扰，安装底座表面需要进行绝缘处理。进一步地，还包括设置在液氮腔内的温度传感器。具体地，所述温度传感器为PT100传感器，共2个，分别放置在超导线圈最顶部以及液氮腔与液氮灌装口交会处，根据PT100传感器的温度来确定液氮的液面位置，当温度高于80K时即需补充液氮，保证工作时超导线圈始终浸泡在液氮内。

作为优选方案，本发明中的所述伺服导轨长度1100mm，导轨方向定位精度0.1mm。所述伺服转台行程-180°～+180°，旋转精度0.1°。

作为优选方案，本发明所述超导线圈由高温超导带材制作，主要成分为Bi-2223/Ag。超导线圈采用单线单饼方式绕制，线圈内径1m，用线量800m，超导线圈临界电流85A(77K，自场)。

作为优选方案，控制系统用于超导线圈装置的超导磁场控制和运动控制。控制系统包括超导磁场控制模块和伺服控制模块。

超导磁场控制模块包括线圈电流控制单元、线圈温度监测单元与线圈电压监测单元。线圈电流控制单元通过恒流电流源连接线圈引线实现。线圈温度监测单元由2路AD采集卡实现，2路AD采集卡分别连接1个温度传感器；根据PT100传感器的温度来确定液氮的液面位置，当温度高于80K时即需补充液氮，保证超导线圈始终浸泡在液氮内。线圈电压监测单元包括1路AD采集卡，1路AD采集卡接线圈引线实现，通过采集超导线圈两端的电压，判断超导线圈是否为超导态，防止在失超时超导线圈烧毁。

运动控制通过伺服控制模块实现，利用伺服控制模块分别连接伺服导轨和伺服转台，实现直线运动控制和方位旋转控制。

本发明可以应用于各种面向空间电磁操控地面试验系统，包括但不限于电磁对接、电磁消旋的地面试验系统。面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置在面向空间电磁操控地面试验系统中用于产生所需的可控大场强电磁场。

与现有方法相比，本发明具有的优点和有益效果包括：

本发明给出了一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的具体方案。利用高温超导材料绕制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。设计的真空杜瓦结构与液氮制冷方案，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。伺服导轨与伺服转台可实现超导线圈装置的三自由度运动控制，为开展电磁操控地面试验、分析电磁操控机理与特性提供更有效的磁场发生装置。

附图说明

图1是本发明一实施例中面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的结构示意图。

图2是本发明一实施例中面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的俯视图。

图3是本发明一实施例中超导线圈装置的结构示意图。

图4是本发明一实施例中超导线圈绕制方式图。

图5是本发明一实施例中面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的控制系统图。

图6是将本发明应用到电磁-涡流消旋的地面试验系统的结构示意图。

图1至5中的标号说明：1为支撑底架、2为控制箱、3为控制线、4为伺服导轨、5为转台支架、6为伺服转台、7为安装底座、8为超导线圈组件、9为引线插口，10为液氮灌装口，11为真空杜瓦筒体、12为超导线圈、13为线圈骨架、14为真空保温层、15为液氮腔、16为线圈引线，17为温度传感器。

图6中的标号说明：601为旋转平台支架，602为喷气支架，603为起旋左气嘴，604为起旋右气嘴，6605为风叶轮，606为激光转速计，607为水平微调块，608为动密封泄气口，609为高精密空气轴承，610为大理石台，611为定位锥，612为密封槽，613为抽气孔，614为锥套锁紧机构，615为空间目标模拟件，616为真空罩体，617为塔式多层盖板，618为自锁紧螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参照图1和图2，本实施例提供一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置，支撑底架1、控制箱2、控制线3、伺服导轨4、转台支架5、伺服转台6、安装底座7、超导线圈组件8、引线插口9和液氮灌装口10。

如图1所示，本实施例所述超导线圈组件8安装在安装底座7上。超导线圈组件8的底部中心固连安装底座7，为避免其他金属部件带来磁场干扰，安装底座7表面需要进行绝缘处理。所述安装底座7固定在伺服转台6上，由伺服转台6实现超导线圈组件8的旋转控制。伺服转台6通过转台支架5安装在伺服导轨4上方，转台支架5能够沿伺服导轨4的导轨方向移动，进而驱动超导线圈组件8实现直线运动控制。所述伺服导轨4安装在支撑底架1的上，由支撑底架1支撑。

本实施例中所述伺服导轨4长度1100mm，导轨方向定位精度0.1mm。所述伺服转台6行程-180°～+180°，旋转精度0.1°。安装底座7在伺服转台6上方，通过伺服转台6可实现超导线圈装置8在-180°～+180°，精度0.1°的方位旋转；伺服转台6安装在转台支架5中心，转台支架5在伺服导轨4上方，可沿导轨方向做直线运动，进而可驱动超导线圈装置8实现1100mm范围内定位精度0.1mm的位置移动。

超导线圈组件8是可控超导磁场发生装置的核心部件，基于高温超导材料可使得电磁线圈能够通过更大的电流，因此能够生成场强相比传统常导线圈大的多的电磁场。

参照图3，超导线圈组件8包括真空杜瓦筒体11、超导线圈12、线圈骨架13、液氮腔15以及线圈引线16。为实现高温超导线圈的低温运行环境，采用液氮进行制冷。真空杜瓦筒体11内为填充有液氮的液氮腔15，超导线圈12和线圈骨架13置于液氮腔15内，其中超导线圈12缠绕在线圈骨架13上。超导线圈12由一代高温超导带材制作，主要成分为Bi-2223/Ag，采用单线单饼方式绕制，如图4所示，线圈内径1m，用线量800m。

真空杜瓦筒体11上设有引线插口9，引线插口用于连接恒流电流源进行供电。超导线圈12的内外接头连接线圈引线16，线圈引线16在引线插口9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12放置在液氮腔15内，通过灌装液氮实现超导线圈的低温保持。所述真空杜瓦筒体11的内侧壁上包覆有真空保温层14，这样可有效减少热交换，提升制冷效果。所述真空杜瓦筒体11为中空管壁结构，封结真空度≤2×10^-4Pa，真空夹层导热率为1.5×10-4W/(m·K)。因此可有效降低热交换，保证超导线圈长时间运行，以满足空间目标电磁操控试验需求。

本发明中的真空杜瓦筒体11上设有用于向液氮腔填充液氮的液氮灌装口10。液氮灌装口用于连接自增压液氮罐灌装液氮以实现超导线圈的低温工作环境。利用自增压液氮罐(工作压力0.09Mpa)将液氮通过液氮灌装口10注入到液氮腔内。真空杜瓦筒体11的底部中心固连安装底座7，为避免其他金属部件带来磁场干扰，安装底座7表面需要进行绝缘处理。

设置在液氮腔15内的温度传感器17为PT100传感器，共2个，分别放置在超导线圈12最顶部以及液氮腔15与液氮灌装口10交会处，根据PT100传感器的温度来确定液氮的液面位置，当温度高于80K时即需补充液氮，保证超导线圈始终浸泡在液氮内。

本发明所述超导线圈12由一代高温超导带材制作，主要成分为Bi-2223/Ag，采用单线单饼方式绕制，线圈内直径1m，用线量800m，超导线圈12临界电流85A(77K，自场)。

参照图1，控制箱2放置在支撑底架1上，控制系统用于超导线圈装置的超导磁场控制和运动控制。控制箱2和伺服导轨2的电机之间、控制箱2和伺服转台6的电机之间以及控制箱2和线圈引线16之间通过分别通过控制线连接，控制箱通过对伺服导轨2以及伺服转台6的电机控制可实现超导线圈装置8的方位旋转控制和直线运动控制，控制箱2通过控制超导线圈的工作电源实现超导磁场的控制。

可控超导磁场发生装置的控制系统通过上位机连接控制箱2实现，控制系统包括超导磁场控制模块和伺服控制模块，如图5所示。

参照图5，超导磁场控制模块包括线圈电流控制单元、线圈温度监测单元与线圈电压监测单元。

线圈电流控制单元通过恒流电流源连接线圈引线16实现，恒流电流源采用ItechIT6723C直流电源，功率850W，最大输出电流110A。

线圈温度监测单元由2路AD采集卡实现，2路AD采集卡分别连接1个温度传感器16；温度传感器16采用PT100传感器，共2个，分别放置在超导线圈12最顶部以及液氮腔14与液氮灌装口10的交会处。AD采集卡采集PT100传感器的电压，从而算出PT100传感器的电阻，根据PT100传感器的电阻与温度的关系确定PT100传感器的温度，进而确定液氮的液面位置。当温度高于80K时即需补充液氮，保证超导线圈12始终浸泡在液氮内。

线圈电压监测单元利用另1路AD采集卡连接线圈引线16，通过采集超导线圈12两端的电压，判断超导线圈12是否为超导态，防止在失超时超导线圈12烧毁。

运动控制控制通过伺服控制模块实现。利用伺服控制模块分别连接伺服导轨4和伺服转台6，实现直线运动控制和方位旋转控制。

本实施例一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的搭建方法，主要步骤如下：

步骤一：将安装有超导线圈装置8的支撑底架1利用水平尺进行调平，保证超导线圈装置8运动时的稳定性。

步骤二：利用液氮送液管，将装满液氮的自增压液氮罐与液氮灌装口10进行连接。观察自增压液氮罐压力表，当压力≥0.05Mpa时，打开自增压液氮罐的出液阀即可连续灌装，直至液氮腔14充满液氮即可。

步骤三：连接电路，给控制箱2和上位机通电。监测PT100温度传感器16的温度，当稳定在77K左右时，检查超导线圈电阻是否降低到几欧姆量级，并监测超导线圈12电压，判定超导线圈12是否处于超导态。

步骤四：按照试验设计要求，控制伺服导轨4和伺服转台6使超导线圈装置8机动到期望相对位置/姿态；通过110A恒流电流源给超导线圈12供电，缓慢调节电流源至期望电流大小；利用磁场测量设备测量线圈附近期望位置的磁场强度。

步骤五：维持超导磁场强度与方向，执行面向空间电磁操控地面试验。过程中需实时进行线圈温度监测与线圈失超监测，及时补充液氮，保证系统正常运行。

实施例2：

本发明可以应用于各种面向空间电磁操控地面试验系统。如图6所示，本实施例提供一种面向空间电磁操控地面试验系统，具体地为一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其中就利用了本发明所提出的面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置，产生试验所需的可控电磁场。如图6所示，包括空间目标模拟装置和面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置。面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的结构、原理以及搭建方法在实施例1中已详细描述，在此不在赘述。本实施例所展示的一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置设置在空间目标模拟装置的一侧，其中面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置模拟一颗卫星，空间目标模拟装置模拟另一卫星，通过面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置中的伺服导轨和伺服转台模拟实现两颗卫星的相对运动。

空间目标模拟装置包括旋转平台支架601，喷气支架602，603为起旋左气嘴，604为起旋右气嘴，605为风叶轮，606为激光转速计，607为水平微调块，608为动密封泄气口，609为高精密空气轴承，610为大理石台，611为定位锥，612为密封槽，613为抽气孔，614为锥套锁紧机构，615为空间目标模拟件，616为真空罩体，617为塔式多层盖板，618为自锁紧螺栓。

空间目标模拟件615与定位锥611沿轴线固连，定位锥611垂直插入高精度空气轴承609的锥套中，通过锥套锁紧机构614实现垂直方向固定。高精度空气轴承609安装在大理石台610的中央，大理石台610位于旋转平台支架601上方，通过之间的四个水平微调块607调整大理石台水平。风叶轮605安装在高精度空气轴承609底部中心，起旋左气嘴603和起旋右气嘴604平行安装在喷气支架602上，喷气口对准风叶轮605的叶片。激光转速计606安装在旋转平台支架601适当位置，对准风叶轮605叶片上的黑白分度标记，当高精度空气轴承609带动空间目标模拟件615旋转时，利用激光转速计606可测得空间目标模拟件615实时转速。

所述空间目标模拟件615设置在真空容器中。所述真空容器包括真空罩体616和塔式多层盖板617，所述真空罩体616顶面由塔式多层盖板617密封，所述真空罩体616底部密封固定在大理石台610上。塔式多层盖板617包括多层呈塔式叠布的盖板，多层盖板之间通过中央的自锁紧螺栓618紧固在一起。真空罩体19底部置于大理石台13上对应开设的密封槽15内，其中密封槽15内放置EPDM橡胶密封条。大理石平台610上开设有四个抽气孔613，真空泵通过四个抽气孔613对真空罩体内空间抽真空，抽真空时自然形成密闭空间。高精度空气轴承609与大理石台610之间设置有动密封泄气口608，高精度空气轴承609通气后，通过动密封泄气口608排出空气，使空气尽可能少进入真空罩体内空间。

所述真空罩体616与塔式多层盖板617均采用10mm厚PC材料制作，保证透光性要求(便于试验效果观看)与绝缘性要求(非金属导体)的同时，具有较好的韧性与强度特性，保证抽真空时真空罩形变在强度容许范围内。真空罩体19底部置于大理石台13上对应开设的密封槽15内，其中密封槽15内放置EPDM橡胶密封条抽真空时自然形成密闭空间。

所述起旋左气嘴603与起旋右气嘴604平行相对安装在风叶轮605的两侧，分别对准风叶轮605前后两个扇叶，喷气流量大小可精密调节。

采样实施例2提供的试验系统，进行空间旋转目标电磁-涡流消旋的地面试验方法，包括步骤如下：

步骤一：将安装有高精度空气轴承609的大理石台610利用水平尺进行调平，然后安装空间目标模拟件615，再利用水平尺二次调平，保证空间目标模拟件旋转的水平度。

步骤二：轻微转动空间目标模拟件615，以千分尺测量空间目标模拟件615上顶部边缘跳动，保证目标旋转状态下同轴度不大于0.05mm，然后上紧锥套锁紧机构614。

步骤三：放置真空罩，利用真空泵抽真空，至试验设计要求的真空度为止；并在试验过程中利用真空泵不断抽真空以始终维持该真空度。

步骤四：开启喷气机构，起旋左气嘴603与起旋右气嘴604对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件615缓慢起旋，达到并稳定在期望转速时后停止喷气。测量空间目标模拟件615转速衰减变化，直至空间目标模拟件615停止旋转。

步骤五：面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置中的超导线圈通过伺服导轨和伺服转台机动到预先设定的相对位置与姿态，通电产生电磁场，达到设计的所需磁场强度。重新开启喷气机构，起旋左气嘴603与起旋右气嘴604对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件615缓慢起旋，达到并稳定在步骤四的期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件615转速衰减变化，直至空间目标模拟件615停止旋转。

步骤六：对比步骤四与步骤五的测量结果，可分析得到电磁-涡流消旋能力与作用特性。

设定不同的试验所需磁场强度以及空间目标模拟件不同的期望转速，按照步骤一至六的方法，重复试验，可以分析得到不同磁场强度以及期望转速下的电磁-涡流消旋能力与作用特性。

需要再次说明的是本发明所提供的面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置可以应用于各种面向空间电磁操控地面试验系统。实施例2只是本发明一种面向空间电磁操控的可控超导磁场发生装置的一个方面的应用实例，并不因此限定本发明在其他有关电磁对接、电磁消旋的地面试验系统中的应用。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。