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）