中國將在4年內，建成首套發射火箭衛星的電磁彈射系統

侯知健軍事點評 第04期

根據《國防科技工業》中航天科工集團文章的披露；他們將在2020年完成地面大型電磁彈射系統的演示系統建設和原理驗證試驗，整套系統的最終目標是從地面發射火箭，攜帶衛星等載荷進入太空軌道。

針對這個新聞，可以提出幾個方面的問題：電磁彈射火箭上天在原理和工程技術上是否可行？將來電磁彈射火箭能取代今天化學能火箭的主流地位？

圖：電磁彈射飛機不僅應用在航母上，目前也有將其擴大到民用商業飛機的起降上的深入研究

第一個問題的答案是，電磁彈射的原理是相通的，而且理論上的發射重量和體積適應能力極好，從直徑幾毫米的小球，到幾百噸的大型火箭，都可以採用電磁彈射原理進行加速。所以在原理上，運用電磁彈射，對火箭進行加速，讓它獲得一個非常大的向上的飛行速度是沒有問題的。

圖：國外藝術家假想的圓形電磁軌道發射航天器圖像——但實際上這麼做是不行的。越到軌道末端，速度越高，運動方向改變導致的過載就越大。這種曲率均勻的環軌、特別是最末端的上翹，要進行航天發射級別的加速，唯一的結局就是火箭折斷爆炸，軌道全部損毀。

但是在實現的工程技術上，只能說在限定任務用途和環境條件的情況下，電磁彈射火箭才能做出來。比如以目前來說，載人航天使用電磁彈射就是不可行的——因為人的身體結構很脆弱，不能耐受過於急劇的加速。和化學能火箭有巨大的高度進行持續和緩的加速不同，電磁火箭要在有限長度的軌道上完成特別大的末端速度，這個加速度遠超人類生理的極限承受能力。

圖：人體不能承受長時間的高倍重力加速，這是制約電磁加速進行載人航天發射的最大問題

在現代戰鬥機上，一般說優秀的戰鬥機飛行員可以在沿著脊椎、從頭到屁股的方向上，耐受9倍重力的加速度；但這個時間是很有限的，視輔助的裝備和訓練水平，絕大多數都在10-15秒之間。而在火箭上的初段加速時間比較長，目前航天理論中，出現長時間加速的情況下，加速需要控制在3倍重力左右。

圖：迫擊炮出膛

因此在電磁發射火箭的時候，如果是發射不帶人的任務載荷；通過加大火箭和衛星的結構強度、剛度，使之更加難以變形和破壞，耐加速衝擊的能力只需要達到接近迫擊炮彈發射的水平，那麼就能在5公里軌道內完成從靜止到第一宇宙速度的加速。

以人類現有的能力來說，將整個火箭/衛星加固到這個地步，非常困難，代價非常大，但還是能做到；不過如果是要帶人的話，就要造足足1000公里的加速軌道，這是完全不可行的。

當然在電磁火箭發射的前期，可以不用、也不會做到這麼猛的地步；只要能打到比較高的高空，然後再點火入軌，節省掉第一級火箭和助推器的費用就好；但是即便這樣，人體耐受能力對軌道的長度要求依舊是不可接受的。

第二個問題的答案，未來或許有其它原理的火箭能取代今天的化學能火箭地位；但是電磁火箭則不可能成為全世界範圍內的主流形式，而且這還不是因為技術水平的原因。除了不能執行載人航天發射任務以外，它對於發射場地的要求太高了，而且帶來的附加成本也極高。

圖：美國航天局假想的月球電磁發射基地

發射場地的要求差異，依舊出現在加速方式的差異上。地球的低空和高空，空氣密度差異非常大；到2.5公里高度左右，空氣密度已經只有海平面的1/40；而空氣密度導致的飛行阻力、高壓、急劇的氣動摩擦發熱，最嚴重的也都在低空區域。這也是為什麼三四代戰鬥機在2公里高度附近，飛行速度可以達到2400-2500公里/小時，而到了低空就只能飛到1400公里/小時左右——哪怕是動力還夠都不行，再快飛機都要解體。

圖：地面電磁加速飛行器的想法也有，主要用於節省助推火箭，使衝壓發動機的飛行器能在地面就達到發動機啟動所需要的速度

而對於電磁火箭來說——工程技術極限和成本控制，都要求它必須把整個軌道控制在數公里長度內。因此實用化的電磁航天發射系統——而不是現在的原理演示和技術驗證系統，是一定要建立在海拔儘可能高的地區的。

因此目前看來，唯一可行的方法就是將軌道的出口設置在高海拔的高山頂峰處，儘可能減小軌道末端的空氣密度，削弱空氣阻力。對於那些境內就沒有這樣地形條件基礎的國家，電磁發射火箭是完全不具備實際操作性的發展方向。

另一方面，要在高海拔高山地區，建立起挖空山體填平山谷的龐大電磁發射系統——特別是數公里長極高精度的垂直高速軌道，需要極高的成本——實際上光是每次把火箭和衛星運到高海拔地區，都要花不少錢。

因此雖然電磁發射理論上的單次發射成本遠遠低於化學能火箭，但是前期的投入代價極其巨大。特別是超導磁場和超導電流技術、電磁發射超長軌道等方面還存在大量的現階段水平限制——不止是中國，而是整個人類的科技水平。

圖：化學能火箭的主流地位目前看無法被電磁火箭取代

這樣的工程有很多地方都存在巨大的技術空白區域和瓶頸區域；要達到成熟可用的地步，目前沒有人能說得清還要花多少錢和時間。而即使是電磁發射系統本身的研製能以100%的效率推進，如果沒有穩定而數量非常巨大的衛星發射需求，則最終電磁火箭發射工程不能省錢一樣會成為燒錢無底洞的可能性極高。

但是不論如何，一類技術可以因為經濟成本等方面的問題選擇不推廣應用，但一個大國也必須擁有相關的儲備力量；在現在的原理演示和技術驗證階段，中國進行航天器電磁彈射的嘗試是絕對值得支持的。

侯知健軍事點評 第04期