母的电磁弹射器MagLifter方案的演示图真空管磁悬浮高铁“T-Flight”可以视为电磁发射火箭实验的初始阶段

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电磁的无限可能

老二次元应该都熟悉或至少听说过一部动漫《某科学的超电磁炮》,其中的主角设定是少有的超能力者,而她操纵电击能力的特有绝招是将硬币以3倍音速的初始速度发射出去,因而得名“超电磁炮”。这当然是根据现实中,可以把炮弹加速到2000-3500m/s的电磁炮而衍生出的超能力。

这种电磁技术放到科幻作品中,一般会设计为建设太空城市的绝佳工具。建一座城市需要太多物资,火箭不说成本,光是运送能力、周期都有短板, 充满想象力的作家构建了这么一幅图景:用电磁弹射技术在一定时间内输送几万吨物资进入太空,此后源源不断地通过巨型电磁炮发射所需物品甚至载人航空器。

这种想象脱胎于现实世界中的电磁弹射器,这个装置一般应用于航母上,目的是为了舰载机增加起飞速度、缩短滑跑距离。

传统的蒸汽弹射系统依托高压蒸汽带动“往复车”高速运动,从而助推舰载机向前滑行,实现战机腾飞;而电磁弹射器主要由直线电机、弹射轨道、储能系统、电力电子变换系统和综合控制系统组成,相比于蒸汽弹射系统,它的重量更轻(20吨左右)、所占空间更小,况且蒸汽储备一次要十几个小时,电磁充能只需几分钟,灵活应战的优势十分突出。

同时,电磁弹射装置能实现更细微精确的控制,能够通过调节电流等措施,对弹射力进行大幅度调节,扩展了航母使用飞机的能力范围,使其既能够弹射重型舰载机,又能弹射轻型舰载机,如较轻的无人机。扩大了航母搭载不同机型的能力,很大程度上扩展了现役航母的作战能力。

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电磁弹射的技术原理其实与依靠直线电机驱动的磁悬浮列车相近,主要依靠动子和定子的无机械接触,实现电能到动能的能量转化,这样看来,直线电机就是电磁弹射系统的强大“心脏”。当电流通过磁场时,会产生同电流和磁场成垂直方向的力,该力将会使得位于磁场中的带电物体加速向前运动——这个带电物体可以是炮弹、导弹、飞机,为什么不能是火箭、卫星?

02

从航母到太空

电磁弹射火箭这个想法早已有之,80年代开始就有科学家验证过理论可行性,其中最著名的,应该是1994年美国NASA提出的磁升运器“MagLifter”方案。

这个方案的核心是借助磁悬浮助推发射飞行器,具体的工作原理可行性也被NASA论证过。

在一座山体内挖一条超过5公里的真空管道,管道内铺设电磁发射轨道,管道出口处位于山顶;用磁悬浮滑车承载和牵引飞行器,在大功率电源系统的驱动下,滑车沿着有一定倾角的轨道加速至2km/s以上,并在管道出口处分离动力飞行器;飞行器凭借自身发动机进入轨道,而运载滑车则减速静止并返回至起点处,准备下一次发射。

真空管道是为了减小加速过程中的空气阻力,真空管道末端最好位于空气稀薄的高山、高原上,以避免飞行器冲出管道时遭遇过大的空气阻力和气动热。NASA还设想,飞行器将载荷送入轨道后还能再滑翔返回地面——这不就是如今可回收火箭的雏形?

MagLifter其实还真做过缩比模型试验,在地面也尝试过几次,实验中发射的飞行器“Argus”长67m、翼展18m、起飞质量400吨,近地轨道运载能力约为9吨。可惜后期因为经费不足也就不了了之了。

但相关的实践却没有终止。今年3月初港媒消息,我国运载火箭技术研究院李少伟团队正在计划用电磁发射高超音速飞机以及轨道飞行器,这也是我国“腾云计划”的组成部分。

其工作原理同样是用巨大的电磁轨道发射装置,将空天飞机等航天器加速到1.6马赫后,再与轨道分离,然后点燃发动机,以七倍音速带着载荷进入近地轨道。这个过程中的关键技术有两个,一个是直线电机,一个是磁悬浮技术,恰好我国都有相应的技术积累。

如果电磁发射火箭真的大规模应用,那也意味着,未来火箭根本不需要一级火箭助推,还不用考虑低空飞行时的气动情况,设计可以简化、载荷反而能增多。

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降本之王

小型火箭利用电磁发射也是降低火箭发射成本的路径之一,正好迎合了当下市场对于火箭发射费效比的关注。

一直以来,航天发射成本高昂主要在于化学燃料的固有缺憾,火箭利用化学燃料燃烧释放的化学能产生推力才能升空,而化学燃料的能量密度普遍比较低,为了让火箭升空要携带巨大的贮箱储存推进剂。从而导致化学火箭尺寸庞大、结构质量巨大,有效载荷比却很小:一般情况下仅占火箭起飞质量的5%以下。

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当我们对太空的探索越来越深入,有更多的设备和物资要进入太空,发射成本就必须在当前水平上降低一个数量级。

主流的思路是火箭垂直回收并重复使用方案,以Space X为首的民营企业大多走的是这个路线;另一个路径是使用冲压发动机,这种发动机在飞机中常用,主要利用高速迎面气流进入发动机后,减速使空气增压的航空发动机,换句话说就是利用大气中的氧气作为氧化剂,自身只要携带燃料,所以比冲明显高于火箭。

问题在于,冲压发动机无法在大气层外运行,不能完成大多数的航天任务。有人提出用“两级入轨”的方式,也就是将冲压发动机和火箭发动机结合,但这个技术难度大,至今没成功过。

因此,电磁发射开始进入更多机构、企业的视野中:如果我们能在地面上赋予航天飞行器足够大的初始动能,不就降低了对推进剂化学能的依赖。好在,这条路径并不存在未知的技术障碍,只是需要把各门技术整合于一处。

有个现成的案例,中国航天科工参与研制的真空管磁悬浮高铁“T-Flight”,最大速度可达4000km/h,虽然这个并没有商业化,但试想一下,如果拖动功率加大、轨道足够长,那是不是能让小型飞行器直接实现零级助推?据计算,这一发射成本可能会降至不可回收火箭的二十分之一,即300美元/千克。