预磁化超导磁通钉扎对接结构的动力学特性研究

Considering the requirements of self-interfacing and self-assembling operations for future spacecrafts, this proposal suggests a kind of self-stable and smart pre-magnetized superconducting flux-pinned interfacing (PSFI) structure configuration. Firstly, basic quasi-static and dynamic characteristics of electromagnetic forces in the PSFI structure will be measured, and then effects of pre-magnetization conditions consisting of background field strength, field-decreasing rate and amplitude on trapped field of superconductor and corresponding dynamic force properties will be determined. Secondly, because numerical simulation of dynamic force is a typical multi-physics coupling problem, after theoretically analyzing flux flow and creep characteristics of superconductors in pre-magnetization and dynamic process by using continuous superconducting electromagnetic intrinsic model, a simulation method which can model and solve the coupling electromagnetic behavior of superconductor with its heat generation and motion influence will be built. It can also calculate the dynamic force properties in the PSFI structure and the influence of pre-magnetization conditions on them. We believe that the fundamental research will provide theoretical and scientific support for the estimation of dynamic stability when the PSFI structure is applied to the self-interfacing process in space.

针对未来空间航天器自主对接与自组装操作的需求，提出自稳智能的预磁化超导磁通钉扎对接结构方案。首先通过实验研究给出该结构电磁力的基本静动态特性，明确预磁化条件（励磁场强度、退磁速率、退磁幅值等）对超导体俘获磁通及其动力学特性的影响规律。其次，针对该结构动力学数值模拟研究是典型的多物理耦合计算问题，基于连续性超导电磁本征模型理论分析超导体预磁化及动力作用过程中的磁通流动与蠕动特性，建立求解超导体预磁化过程磁热耦合和超导体电磁/动力运动耦合的数值模拟方法，然后有效预示该结构的动力学特性及分析预磁化条件对动力学特性的影响规律。本项目研究将为验证预磁化超导磁通钉扎对接结构应用于空间自主对接过程的动态稳定性提供理论基础与科学依据。

空间对接技术与对接机构是航天技术发展的一个重要方向，随着太空探索活动的日益频繁和广泛化，自主对接技术凭借其风险小、高可靠等优势，在各种空间平台的在轨操作任务中需求日益强烈。基于超导体磁通钉扎效应的空间在轨电磁对接技术，是一种能够实现自动捕获、自稳定对接和减少控制系统参与的空间自主对接技术，它有望取代或部分替代目前采用的主动控制对接技术，提供一种简单、可靠、低操作风险及低成本的对接工作方式。本项目基于高温超导体的磁通钉扎特性，开展了将超导体预磁化后应用于空间自主非接触对接结构的应用性基础研究。针对预磁化条件对超导磁通钉扎对接结构动力学特性的影响，研究了励磁场强度和退磁速率等预磁化因素对超导体感应电流分布及俘获磁通特性的影响，然后分析了超导体感应电流分布与俘获磁通的比例关系对超导电磁结构动力学特性的影响规律。实验研究中精确给出了超导磁通钉扎对接结构的静动态力学特性，分析了预磁化过程对超导体准静态对接力的影响规律，通过采用一种类似磁通泵的多次励磁磁通增加方法可以有效增加磁通钉扎力及促进对接力的自稳定性，测试研究表明超导磁通钉扎结构预磁化后可具备较好的动态稳定性。在数值模拟研究中，较好地解决了超导体预磁化、动力运动过程中面临的电磁、热及动力耦合的仿真计算问题，分析了场冷磁化和脉冲磁化两种磁化方法对动力学特性的影响规律，对超导体磁化电磁特性和动力学特性提供了一定的物理过程解释。目前基于该国家自然科学青年基金项目，已发表学术论文8篇，其中SCI收录论文6篇，申请国家发明专利1项。本项目研究工作不仅丰富了高温超导体电磁力学特性的基础研究内容，而且拓宽了高温超导体除磁悬浮、超导电机之外的应用新领域，项目成果将为验证超导磁通钉扎对接结构应用于空间在轨自主对接、空间结构自组装及自重构等空间任务的可行性提供了科学依据。