一個年過“百歲”的新概念
電磁發(fā)射火箭屬于不折不扣的“新概念”運載器，但這一概念的起源較早，已經(jīng)有百余年的歷史。
這個“新概念”的理論依據(jù)其實非常有趣：當(dāng)電流通過磁場時，產(chǎn)生同電流和磁場成垂直方向的力，該力將會使得位于磁場中的帶電物體加速向前運動，帶電物體可以是彈丸、炮彈、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、飛機等。
自從荷蘭物理學(xué)家在1895 年提出這個理論以來，人類一直在開展電磁發(fā)射技術(shù)研究，提出了用電磁力發(fā)射物體的設(shè)想，研究較多的是用電磁力發(fā)射炮彈和飛機。
當(dāng)前，電磁炮正朝著工程實用化邁進。與傳統(tǒng)火炮相比，電磁炮反應(yīng)快、初速度大、射程遠、殺傷能力強。電磁彈射飛機已經(jīng)在美國最新的福特號航空母艦上實現(xiàn)了應(yīng)用。
相比于電磁炮、航母電磁彈射器，電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于運載火箭的研究則要“遜色”不少，主要原因之一是電磁發(fā)射火箭太“費力”了。
舉例來說，艦載飛機的重量約30噸左右，彈射速度不超過100 米/秒。然而只彈射這點重量、達到這樣的速度就已經(jīng)讓人傷透腦筋，更何況用更高的速度彈射較大規(guī)模的火箭了。所以，國內(nèi)外在電磁發(fā)射運載火箭方面的研究還停留在設(shè)想或探索階段，尚未進入實質(zhì)性的技術(shù)攻關(guān)階段。
電磁發(fā)射火箭很“討喜”
從嚴(yán)格意義上說，使用電磁發(fā)射火箭的“奇思妙想”，早在19 世紀(jì)末就已經(jīng)在科幻小說作家們的腦海中成形了。
1897 年的科幻小說《往金星的旅程》就出現(xiàn)了一種電子槍，利用大量線圈在適當(dāng)?shù)臅r間改變磁性來向太空發(fā)射飛船。
1950年，被稱為20世紀(jì)三大科幻小說家之一的阿瑟·克拉克就撰寫論文提出設(shè)想，使用超長距離的電磁彈射軌道來發(fā)射火箭。我國著名科幻作家劉慈欣則在其小說《地球大炮》中幻想了一種穿透地心，由地球巨大電磁場來驅(qū)動的超級太空大炮，不使用任何能源就可以不間斷地持續(xù)向太空發(fā)射物體。
不過，電磁發(fā)射火箭走入科學(xué)研究還是近30年的事情。美國、德國的相關(guān)研究機構(gòu)提出過電磁發(fā)射火箭的方案設(shè)想，國內(nèi)也有學(xué)者開展過跟蹤研究。
上世紀(jì)90 年代，美國提出了“磁升運器”方案，即在山體內(nèi)建造一條真空管道，管道內(nèi)鋪設(shè)電磁發(fā)射軌道，管道出口處位于3~4 公里高的山頂。運載器在電磁發(fā)射軌道上被加速，在真空管道出口處與運載滑車分離，依靠火箭發(fā)動機入軌，運載滑車減速靜止并返回至起點處，準(zhǔn)備下一次發(fā)射。
2010 年，美國宇航局設(shè)想修建一條3.2公里長的電磁軌道，將運載器以10 倍聲速的速度彈射至空中，運載器啟動超燃沖壓發(fā)動機，將有效載荷送入軌道。也許你無法想象，該電磁發(fā)射系統(tǒng)所需電力可供一座小城鎮(zhèn)使用。
21世紀(jì)初，德國空氣動力學(xué)會也提出過電磁輔助發(fā)射低軌道航天器的方案，用于快速發(fā)射近地軌道皮星和納星。
總的來說，國內(nèi)外在電磁發(fā)射火箭方面的研究還停留在設(shè)想和探索階段，尚未進行實質(zhì)性的技術(shù)攻關(guān)研究。但電磁發(fā)射軌道的諸多優(yōu)勢讓其顯得很“討喜”。比如，電磁發(fā)射軌道可以作為火箭的“第一級”，有效減小火箭的質(zhì)量；每天可以發(fā)射多次等。
縱使深愛，想要擁有卻不易
電磁發(fā)射火箭是利用電磁力對運載火箭進行加速，從而為火箭提供較大的起飛初速，減少火箭自身入軌的能量消耗，降低運載火箭規(guī)模或者提高有效載荷入軌質(zhì)量。這意味著，經(jīng)過電磁軌道助推后，“小馬”可以拉“大車”了。
采用電磁軌道來發(fā)射運載火箭，在火箭起飛初速的選擇上基本可以分為兩類。
第一類是直接將物體加速到第一宇宙速度以上，從而發(fā)射到太空中；第二類是將火箭發(fā)射到一定速度（但遠沒有達到第一宇宙速度），然后火箭在空中點火，逐漸進入太空。
在濃密的大氣中，以第一宇宙速度高速飛行的物體存在巨大的空氣阻力，速度越大，阻力就越大，還要面臨高速摩擦的氣動熱以及大氣動過載下的結(jié)構(gòu)承載問題。因此，雖然有專家對直接將物體加速到第一宇宙速度情有獨鐘，但由于投資和工程實踐上的巨大困難，第二類方式是一個相對優(yōu)化的選擇。
由于運載火箭的規(guī)模大，彈射速度有一定的要求，所以縱使人們有一萬個愛電磁發(fā)射技術(shù)的理由，也要翻越兩座“大山”才可抵達。
第一座“大山”是技術(shù)問題。在電磁軌道方面，需要攻克大功率、大容量脈沖電源技術(shù)，高速大功率直線電機技術(shù)等；在運載火箭方面，需要適應(yīng)大過載，高速飛行引起的惡劣氣動力熱環(huán)境和載荷環(huán)境，以及復(fù)雜的電磁環(huán)境。
第二座“大山”是應(yīng)用問題，比如，需要解決好投入與產(chǎn)出問題。由于電磁軌道有數(shù)公里長，儲能系統(tǒng)能量需求大、功率高，整個電磁發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)費用巨大。據(jù)美國研究估算，電磁發(fā)射系統(tǒng)的建設(shè)費用需百億元，少量的運載發(fā)射頻率很難分攤巨額的設(shè)備費用投入，只有大批量的發(fā)射才劃算。（吳勝寶）