0 引 言
针对上述问题，本文提出了一种超导磁悬浮微小推力测量空间科学试验方案，旨在验证超导磁悬浮系统在空间微重力环境下的低损耗特性与低频隔振能力。重点介绍了超导磁悬浮复合轴承及其配套低温制冷系统的设计方案与研究进展，并通过地面实验评估了系统的低频隔振性能与转动摩擦损耗特性。相关研究结果可为空间环境中超导磁悬浮系统的工程应用与高精度测量平台的构建提供技术参考。
1 超导磁悬浮微小推力测量空间试验原理
1.1 超导磁悬浮复合轴承低频隔振原理
如图1 所示，超导磁悬浮复合轴承的基本结构由三部分组成，由下而上依次为超导轴承、悬浮动架及永磁轴承。超导轴承利用完全抗磁性与磁通钉扎效应实现自稳定悬浮，为动架提供径向稳定性，并在周向方向实现近似零摩擦转动。永磁轴承通过提供向上的吸引力，与超导轴承的轴向钉扎力相平衡，对动架施加向上拉力，同时抑制主轴偏斜。在空间微重力条件下，超导复合轴承的悬浮稳定性需满足式(1)所示的力学平衡及稳定性条件：
式中，FPM为永磁轴承吸力，FHTS为超导轴承悬浮力，L为超导轴承悬浮气隙。
超导磁悬浮复合轴承实现低频隔振的主要机制包括两方面：第一，轴承结构的正交性使得轴向与周向振动可以实现解耦，单一方向扰动难以传递至另一方向；第二，轴向振动会引起超导轴承的磁滞损耗和涡流损耗，如图2 所示，从而形成阻尼减振效应。其动力学方程可表示为[17]：
式中，m为动架质量，h为悬浮位置，c1为涡流阻尼，c2为超导磁滞阻尼，k1为永磁轴承刚度，k2为超导轴承悬浮力刚度，P为轴承受到的外扰动。
当永磁轴承受到外力扰动时，轴承发生振动，超导体上方磁场随之变化，磁通线在超导体中断裂与重组，从而产生与频率无关的磁滞能量损耗，这正是超导复合轴承实现低频隔振的理论基础。
1.2 超导磁悬浮复合轴承微小推力测量原理
与低频隔振机制不同，超导磁悬浮轴承的高精度测量能力主要依赖其轴向低摩擦特性。该轴承可精确识别施加在动架上的微小力矩，如图3 所示，当施加力矩超过轴承摩擦力矩时，动架由静止状态开始旋转，通过转速增量可推算微小力矩大小。因此，轴承摩擦力矩大小直接决定转动法测量的最小分辨率。在地面环境下，受重力与重力不平衡影响，超导轴承摩擦系数最低约为10−7，要进一步降低具有一定的挑战性，本文空间试验亦旨在探索轴承低摩擦特性的提升方案。
转动法测量推力遵循角动量守恒原理，其推力与转速关系可表示为：
式中，Rg为动架转动惯量等效半径，COF为平均摩擦系数，LR为摩擦等效半径，RT为推力作用力臂。
1.3 微重力对超导磁悬浮轴承的影响
超导磁悬浮复合轴承在地面与空间的主要差异在于重力环境。空间微重力下的残余加速度小于10−3g，其性能提升主要体现在以下两个方面：
(1)增大超导轴承气隙。在地面环境下，超导复合轴承同时受重力、永磁轴承力及超导轴承力作用；而在空间微重力环境下，仅受永磁轴承力与超导轴承力作用，如图4 所示，这使超导轴承气隙明显增大。在相同场冷条件下，气隙增大可降低轴承转动方向的磁滞阻尼和涡流阻尼，有利于测量精度提升。
(2)降低重力不平衡势阱。在地面环境下，动架存在微小重力不平衡，如图5 所示，会引起轴承进动与章动，增大摩擦系数；而在微重力环境下，重力不平衡几乎被消除，从而保证动架转动的稳定性与低摩擦性能。综合分析，在空间环境下，超导复合轴承的性能预计可较地面环境提升1~2个数量级。
2 超导磁悬浮空间科学试验装置设计
2.1 超导磁悬浮空间科学试验装置总体方案
本文试验的主要目标包括两方面：一是验证超导磁悬浮轴承在空间环境下的低频隔振能力；二是在微重力环境下实现轴承低摩擦特性突破，力争使摩擦系数达到10−8。
为了实现上述目标，设计了如图6 所示的试验装置，其核心组件为超导复合轴承。其余组件则用于保障超导轴承在空间环境下的安全可靠运行，包括：维持超导体工作于77 K以下的低温制冷系统、高精度轴承运动位移测量系统、控制与供配电系统，以及维持装置内部温度稳定的热控系统。在空间试验时，超导磁悬浮空间科学试验装置在飞行器姿控稳定后开始进行试验。
2.2 超导磁悬浮复合轴承
2.2.1 结构与组成
如图1 所示，超导磁悬浮复合轴承由三部分组成：上半部分为永磁轴承，采用一对直径20 mm的钕铁硼磁体，其永磁悬浮力范围为0~50 N；中间为悬浮动架，为圆盘结构；下半部分为超导轴承，是该轴承的核心，其稳定性与低摩擦性能主要受超导体悬浮力及组合磁体磁场强度和均匀性影响。本文选用直径50 mm的大尺寸钇钡铜氧超导块，可提供>100 N的悬浮力。组合磁体设计需兼顾磁场强度和周向均匀性，为增强磁场强度，采用加入铁心的同心圆环构型。
2.2.2 超导轴承性能测试
考虑到超导体制备工艺及组合磁体构型对轴承性能的影响，本文对比了3种不同磁体组合构型与两个50 mm超导块的性能，如图7 所示。
3种组合磁体的主要区别在于组合磁环的磁体瓣数和铁心材质，具体构型和磁场表现如表1 所示，1号磁体的磁场强度比2号高1.4%，这表明高磁导率铁心材料有利于增强磁场强度；对比1号和3号磁体可知，磁环中磁体瓣数越多，磁场均匀性越好。
表 1 不同组合磁体构型表面1mm处磁场与磁场均匀性对比Table 1 Magnetic field and field uniformity at 1 mm above the surface for different combined magnet configurations |
| 磁体编号 | 1号 | 2号 | 3号 |
| 磁环构型 | 12瓣扇形 | 12瓣扇形 | 10瓣扇形 |
| 铁心材料 | DT4纯铁 | 10#钢 | DT4纯铁 |
| 磁场强度B/mT | 546.10 | 538.40 | 546.00 |
| 周向磁场波动ΔB/mT | 38.18 | 50.66 | 65.90 |
| 磁场不均匀度/% | 6.99 | 9.41 | 12.52 |
轴承的转动摩擦损耗与磁场不均匀性相关[18]，根据式(4)，磁场波动ΔB越小，轴承能量损耗越小。
式中，Ploss为轴承能量损耗，ΔB为周向磁场波动，K1为超导体磁滞损耗系数，K2为涡流损耗系数，v是转动速度，Jc是超导体临界电流密度。
图 8 3种不同组合磁体的零场冷悬浮力对比(2号超导块)Fig.8 Comparison of zero-field-cooled levitation forces of three different combined magnet configurations (High temperature superconducting bulk No. 2) |
2.3 超导磁悬浮低温制冷系统
高温超导体进入超导状态时，温度需低于90 K。为确保超导轴承稳定可靠运行，装置要求超导体温度达到77 K以下。鉴于空间环境对航天器安全及发射质量的约束，本文装置采用小型化斯特林制冷机，温度为80 K时，冷量为3 W。超导体通过铜样本架与制冷机冷指传导冷却，各接触面加入金属铟片，以降低接触热阻并提高热传导效率。
2.4 高精度测量系统
为避免外扰动影响轴承的低摩擦性能，本文试验采用激光非接触测量位移。如图10 (a)所示，测量系统包括轴向和周向两个传感器，分别测量超导磁悬浮动架轴向振动位移和周向转动角度，用于评估动架悬浮稳定性和动架测量分辨率。
轴向振动位移使用的激光位移测量传感器测量，其测量精度达0.05 μm，可以识别0.10 mHz~50.00 Hz之间10−8g的残余重力加速度。
如图10 (b)所示，周向角位移测量系统基于阿基米德测量块，将角位移变化转换为测量块表面与激光位移传感器间的线位移。该系统既可准确测量浮台转角，也可通过微分获取角速度与角加速度，且不会影响浮台运动状态。
阿基米德型面与组合磁体的壳体结合，型面由两个中心对称的曲面构成。其最小半径Rmin为30.95 mm，最大半径Rmax为36.95 mm，1°的转动角位移对应1.00/30.00 mm的线位移。周向激光位移传感器分辨率为0.10 μm，对应角度测量分辨率为0.03°。基于阿基米德测量块的测量方法能够识别360.00°的角位移，但在增大量程的同时会降低角度测量分辨率。未来，若有更高分辨率的需求，可以通过缩减测量范围来提升测量精度。
2.5 空间热控系统
制冷系统工作时，热端热量累积会导致温度升高，从而降低制冷效率。因此，需将制冷机热端温度控制在35 ℃以下。装置其他器件工作温度要求为−20~60 ℃，故热控范围设定为−20~35 ℃。
热控系统包括两部分：一是热管散热结构，通过热管将制冷机热量导入试验装置壁面，再通过壁面辐射至空间；二是加热系统，其作用是在试验装置未启动阶段，对内部器件进行保温。
3 超导磁悬浮空间科学试验装置地面测试
3.1 地面试验装置
为验证超导磁悬浮空间科学试验装置的性能，将样机置于真空舱中开展地面测试。试验系统如图11 所示，可分为三部分：超导磁悬浮地面样机、通信控制系统及空间环境模拟装置。
通信控制系统中，上位机负责下发控制指令并接收样机内部数据；直流电源为系统提供供电；温度显示器用于实时监测超导块温度。空间环境模拟装置由真空舱和水冷系统组成，真空舱可实现10−4 Pa真空度，水冷系统用于替代热管对样机底部进行散热。
3.2 超导体降温测试
超导轴承能否正常工作，取决于超导体能否进入超导状态，同时，其温度稳定性也会对轴承性能产生影响。如图12 所示，测试记录了超导块表面温度随时间变化的降温曲线，并同步监测样机内部温度，以防止过热损坏内部器件。
在水冷温度为20.0 ℃的条件下，制冷机启动60 min后，超导体温度降至77.0 K以下；100 min后，温度趋于稳定，最低温度为61.8 K。样机内部温度在前40 min上升较快，随后缓慢上升，最终达到36.4 ℃。通过调整水冷温度模拟外界环境变化，分析环境温度对超导体降温及样机内部温度的影响。结果表明，当水冷温度由20.0 ℃降至16.0 ℃时，超导体最终温度维持在61.0 K，而样机底板温度对外部环境敏感，每降低2.0 ℃，底板温度下降约1.0 ℃。
3.3 超导磁悬浮复合轴承低频振动性能
为了评估超导磁悬浮轴承的低频振动特性，在地面环境下对该轴承不同频段的隔振效果进行了测试。
超导磁悬浮轴承悬浮稳定后，不施加人为扰动，静置3 h使轴承达到稳态。之后，使用轴向激光位移传感器分别测量动架的轴向振动。同时，在实验室环境下，使用同规格另一传感器测量定架的背景振动。测试时间超过10 000 s，传感器采用频率为100.00 Hz，有效覆盖0.10 mHz~50.00 Hz的频带宽度。经过数据处理，将振动位移信号转化为振动噪声功率谱密度图。
在地面试验中，噪声来源包括地面振动、制冷机运行噪声、轻微气动噪声及传感器噪声等。制冷机工作的振动频段为1.00 Hz，幅值小于10.00 μm，地面噪声全频段内都有分布。传感器的采样频率100.00 Hz，噪声小于0.10 μm。
如图13 测试结果表明，超导磁悬浮轴承的隔振频段在10.0 mHz以上频段范围内，且噪声基本小于1 μm/Hz1/2。轴向振动固有频率为11.01 Hz，因此在该频段附近轴向出现共振。在10.00 mHz~5.00 Hz频段内，由于涡流阻尼可忽略不计，磁滞阻尼为主要减振因素，因此隔振效果有限；而5.00 Hz以上频段，隔振效果明显，显示出超导复合轴承在高频段具有较强被动隔振能力，同时可有效削减低频扰动的影响。
3.4 超导磁悬浮轴承转动摩擦性能
超导磁悬浮复合轴承周向为微小推力测量方向，其周向摩擦损耗直接决定动架测量分辨率。地面测试可通过调整悬浮气隙，确定最终空间试验条件。
超导磁悬浮复合轴承的定义为摩擦力和重力的比值：
式中，g是重力加速度，摩擦力可以通过动架转动衰减的角加速度得到：
式中，Lf是摩擦力的作用半径，为0.030 m；转动惯量I定义为：
式中，Rg是动架回转半径，为0.054 m。综上所述，超导磁悬浮轴承的摩擦系数表示为：
如图14 所示，初始场冷高度为8 mm，通过调整永磁轴承吸附力改变超导气隙大小。结果显示，增大超导气隙可降低摩擦损耗，表明增大气隙可降低磁场不均匀性，从而减小转动磁滞损耗和涡流损耗。此外，转动摩擦系数与频率密切相关，涡流损耗随速度增大而增大。在0.20 Hz条件下，动架角加速度是3.22×10−4 rad/s2，周向摩擦系数最低为3.2×10−6。
地面重力限制了稳定悬浮高度，使得气隙无法进一步增大。在微重力环境下，自重的影响得以消除，悬浮气隙可超过8 mm，从而进一步降低转动损耗。分析表明，10 mm气隙对应的磁场不均匀性约为8 mm的30%，根据式(4)，轴承总损耗可降低至约0.06%。
4 结 语
本文设计并实现了一种超导磁悬浮微小推力测量空间科学实验方案，分析了超导复合轴承实现低频隔振和高精度测量的基本原理，评估了空间微重力环境下轴承性能提升的可行性。同时，完成了以超导轴承为核心，整合低温制冷、高精度测量及空间热控等关键技术的装置设计。
对地面测试科学实验装置的低频隔振性能和低摩擦损耗性能进行测试，结果显示，在10 mHz以上频段具有低频隔振效果，地面测试振动噪声小于1 μm/Hz1/2，低频摩擦损耗最低能够实现3.2×10−6。预计在空间微重力环境下，性能将得到进一步提升。
本文拓展了超导磁悬浮技术在航天领域的应用，为构建低频隔振及高精度测量空间实验平台奠定了基础，并为未来高精度先进推进技术及空间高精度成像等应用提供可行技术支撑。