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电磁发射火箭能让“小马”拉“大车”
来源:中国航天报·飞天科普周刊     日期:2017年01月20日    字体:【】【】【

一个年过“百岁”的新概念

电磁发射火箭属于不折不扣的“新概念”运载器,但这一概念的起源较早,已经有百余年的历史。

这个“新概念”的理论依据其实非常有趣:当电流通过磁场时,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,带电物体可以是弹丸、炮弹、导弹、火箭、卫星、飞机等。

自从荷兰物理学家在1895 年提出这个理论以来,人类一直在开展电磁发射技术研究,提出了用电磁力发射物体的设想,研究较多的是用电磁力发射炮弹和飞机。

当前,电磁炮正朝着工程实用化迈进。与传统火炮相比,电磁炮反应快、初速度大、射程远、杀伤能力强。电磁弹射飞机已经在美国最新的福特号航空母舰上实现了应用。

相比于电磁炮、航母电磁弹射器,电磁发射技术应用于运载火箭的研究则要“逊色”不少,主要原因之一是电磁发射火箭太“费力”了。

举例来说,舰载飞机的重量约30吨左右,弹射速度不超过100 米/秒。然而只弹射这点重量、达到这样的速度就已经让人伤透脑筋,更何况用更高的速度弹射较大规模的火箭了。所以,国内外在电磁发射运载火箭方面的研究还停留在设想或探索阶段,尚未进入实质性的技术攻关阶段。

电磁发射火箭很“讨喜”

从严格意义上说,使用电磁发射火箭的“奇思妙想”,早在19 世纪末就已经在科幻小说作家们的脑海中成形了。

1897 年的科幻小说《往金星的旅程》就出现了一种电子枪,利用大量线圈在适当的时间改变磁性来向太空发射飞船。

1950年,被称为20世纪三大科幻小说家之一的阿瑟·克拉克就撰写论文提出设想,使用超长距离的电磁弹射轨道来发射火箭。我国著名科幻作家刘慈欣则在其小说《地球大炮》中幻想了一种穿透地心,由地球巨大电磁场来驱动的超级太空大炮,不使用任何能源就可以不间断地持续向太空发射物体。

不过,电磁发射火箭走入科学研究还是近30年的事情。美国、德国的相关研究机构提出过电磁发射火箭的方案设想,国内也有学者开展过跟踪研究。

上世纪90 年代,美国提出了“磁升运器”方案,即在山体内建造一条真空管道,管道内铺设电磁发射轨道,管道出口处位于3~4 公里高的山顶。运载器在电磁发射轨道上被加速,在真空管道出口处与运载滑车分离,依靠火箭发动机入轨,运载滑车减速静止并返回至起点处,准备下一次发射。

2010 年,美国宇航局设想修建一条3.2公里长的电磁轨道,将运载器以10 倍声速的速度弹射至空中,运载器启动超燃冲压发动机,将有效载荷送入轨道。也许你无法想象,该电磁发射系统所需电力可供一座小城镇使用。

21世纪初,德国空气动力学会也提出过电磁辅助发射低轨道航天器的方案,用于快速发射近地轨道皮星和纳星。

总的来说,国内外在电磁发射火箭方面的研究还停留在设想和探索阶段,尚未进行实质性的技术攻关研究。但电磁发射轨道的诸多优势让其显得很“讨喜”。比如,电磁发射轨道可以作为火箭的“第一级”,有效减小火箭的质量;每天可以发射多次等。

纵使深爱,想要拥有却不易

电磁发射火箭是利用电磁力对运载火箭进行加速,从而为火箭提供较大的起飞初速,减少火箭自身入轨的能量消耗,降低运载火箭规模或者提高有效载荷入轨质量。这意味着,经过电磁轨道助推后,“小马”可以拉“大车”了。

采用电磁轨道来发射运载火箭,在火箭起飞初速的选择上基本可以分为两类。

第一类是直接将物体加速到第一宇宙速度以上,从而发射到太空中;第二类是将火箭发射到一定速度(但远没有达到第一宇宙速度),然后火箭在空中点火,逐渐进入太空。

在浓密的大气中,以第一宇宙速度高速飞行的物体存在巨大的空气阻力,速度越大,阻力就越大,还要面临高速摩擦的气动热以及大气动过载下的结构承载问题。因此,虽然有专家对直接将物体加速到第一宇宙速度情有独钟,但由于投资和工程实践上的巨大困难,第二类方式是一个相对优化的选择。

由于运载火箭的规模大,弹射速度有一定的要求,所以纵使人们有一万个爱电磁发射技术的理由,也要翻越两座“大山”才可抵达。

第一座“大山”是技术问题。在电磁轨道方面,需要攻克大功率、大容量脉冲电源技术,高速大功率直线电机技术等;在运载火箭方面,需要适应大过载,高速飞行引起的恶劣气动力热环境和载荷环境,以及复杂的电磁环境。

第二座“大山”是应用问题,比如,需要解决好投入与产出问题。由于电磁轨道有数公里长,储能系统能量需求大、功率高,整个电磁发射系统建设费用巨大。据美国研究估算,电磁发射系统的建设费用需百亿元,少量的运载发射频率很难分摊巨额的设备费用投入,只有大批量的发射才划算。(吴胜宝)

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