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马伟明院士提出青藏高原电磁弹射火箭构想,地面设备替代化学燃料起步。 马伟明院士

马伟明院士提出青藏高原电磁弹射火箭构想,地面设备替代化学燃料起步。

马伟明院士曾提出一个航天发射构想:在平均海拔4000米的青藏高原铺设一条2公里长的电磁发射轨道,用电磁力把火箭直接送入太空。这套方案把火箭最耗费燃料的起步加速环节交给了地面设备完成。

带有倾斜角度的两公里轨道上,火箭依靠电磁产生的推力持续加速,在极短时间内冲到极高速度。离开轨道末端之后,火箭再点燃自身发动机继续飞向太空。

这套方案直接跳出了传统化学火箭的固有思维。看传统火箭发射,刚点火起步的阶段最费燃料。为了克服地球引力,还要顶穿稠密大气层的阻力,起飞时绝大部分推力都在推着满载推进剂的巨大箭体往上爬。真正能用在天上卫星或者科研设备上的有效载荷占比很低。

把起步加速交给地面电磁力,火箭自身携带的燃料就能大幅减少。腾出来的空间和重量全用来装载荷,单次发射成本随之大幅降低。

顺着这个思路往下看,选址在海拔4000米的青藏高原,核心指向了空气阻力这个硬指标。海拔越高空气越稀薄,航天器在加速过程中遭遇的气动摩擦就越小。

如果在海平面把几十吨的载荷加速到几马赫,产生的激波和气动高热能把设备直接熔毁。高原的低气压环境天然给电磁发射减了负。

2公里轨道看着不长,要在这个距离内把庞然大物推到极高速度,对储能设备和直线电机的功率要求极度苛刻。国内在这方面的技术积累已经开始往工程验证阶段走。

2022年10月,山东济南正式投入运行了国内首套电磁推进地面超高速试验设施“电磁撬”。这套设施成功把吨级物体推到了极高速度,直接证明大吨位电磁推射的技术链条已经打通。马伟明院士带队拿下的福建舰电磁弹射器,与这套电磁发射系统的核心原理一脉相承。

真要把航天器送上天,过载是个现实问题。电磁轨道瞬间加速产生的巨大G力,活人根本扛不住,部分精密光学仪器也容易出现物理损坏。这套系统目前最适合的应用场景是发射固体燃料火箭或者无人微纳卫星。载荷在轨道末端被弹出后,固体火箭发动机立即点火,继续完成入轨动作。

把昂贵且笨重的电磁发射装置固定在地面反复充能使用,航天发射就不再受液体燃料加注时间的严格限制。这种天地往返的新模式一旦落成,高频次、低成本的电磁发射将把近地轨道的运输费用压到一个极具竞争力的水平。