中國布局2000億航天產業，電磁彈射發射火箭彎道超車美國？

在2016年的9月份舉行的中國商業航天高峰論壇上，中國航天科工集團曾經向媒體披露了其龐大的五大商業航天工程，其投資額和產出額總計將達到2000億。這個新聞當時受到了各界的關注，很多媒體都進行了報道。據航天科工集團公司董事長高紅衛介紹，航天科工集團是要以武漢國家航天產業基地為依託，重點實施飛雲、快雲、行雲、虹雲、騰雲五大商業航天工程。五大工程涉及多類運載系統、多類天基與空基平台、多類有效載荷以及多類地面支持系統的研發生產，將帶動多類地面應用系統的開發與應用，涉及子工程及分系統數千項。

但當時媒體對「五雲」工程並沒有進行更詳細的介紹，他們都是什麼樣的項目，對中國航天有什麼技術的上的提升，都不得而知。不過在2016年10月號的《國防科技工業》雜誌上，卻透露「五雲」工程將帶動中國研發電磁彈射系統發射電推火箭和液體火箭。

《國防科技工業》是由國防科工委新聞宣傳中心主辦，因此在報道的權威性和準確性上，還是有著相當的公信力。該雜誌透露，「五雲」工程將帶動多類運載系統的開發與應用。其中「快舟一號」通用型固體運載火箭是已經面世的，2017年完成「快舟十一號」研製，發射載荷是「快舟一號」的五倍，可將1噸載荷送入700公里太陽同步軌道；另外還有「羽舟」系列，利用地面大型電磁彈射系統發射電推火箭，計劃2020年完成電磁發射演示系統建設及原理驗證試驗。「巧舟」系列，用以發射平流層飛艇，計劃2018年提供發射運載服務。「輕舟」系列，利用地面大型電磁彈射系統發射液體運載火箭，計劃2020年前，完成電磁發射演示系統建設及原理驗證試驗。

用電磁彈射器發射火箭？是的，你沒看錯。

嚴格意義上說，使用電磁彈射器發射火箭，19世紀末年就已經在科幻小說作家的腦海中成形了。1897年的科幻小說《往金星的旅程》，就出現了一種電子槍，利用大量線圈在適當的時間改變磁性來向太空發射飛船。1950年，被稱為二十世紀三大科幻小說家之一的阿瑟·克拉克就撰寫論文來設想使用超長距離的電磁彈射軌道來發射火箭。後來美國物理學家傑瑞德·K·歐尼爾對這個設想進行了進一步的完善，並在1976年設計了電磁發射的原型機：質量加速器1號（Mass Driver 1）。中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動的超級太空大炮，可以不使用任何能源，不間斷持續向太空發射物體。

「星際列車」發射系統

不過從現實來說，電磁彈射發射火箭還是近年來逐漸走進工程實踐，一方面是人類科技逐漸掌握了電磁發射的相關技術，這主要是通過研製航母電磁彈射器和艦載電磁炮而獲得了基礎；另一方面是居高不下的傳統火箭發射成本阻礙了人類大規模利用航天的腳步。人們迫不及待地想開發新的低成本航天發射載具。太空狂人馬斯克的SpaceX公司，仍然是常規化學火箭，只不過是可重複利用，就在航天發射市場引發了重大影響，可見世界對於新航天發射概念的追捧。

因此中國航天科工集團，計劃使用電磁彈射器來發射電推火箭和大型液體火箭，實際在創新性上，已經走在了馬斯克的前面。

使用電磁彈射器等電磁場來加速物體進行太空發射，基本上分為兩類。一類是直接將物體加速到第一宇宙速度，從而發射到太空中。但是專業研究發現，在濃密的大氣中，存在巨大的空氣阻力，投射的質量越大，阻力就越大，而且還要面臨高速摩擦的高熱問題。上世紀60年代，美國約翰?霍普金斯大學應用物理學實驗室的科學家詹姆斯·鮑威爾設計了一種名為「星際列車」發射系統，為了避免大氣的阻力，鮑威爾使用的是真空管道磁懸浮技術。2001年，詹姆斯·鮑威爾正式公布了「星際列車」發射系統的設計方案還申請了專利。當時鮑威爾為該發射系統選定了四個理想地點，分別位於美國、俄羅斯、中國和格陵蘭。其中，中國的發射點選在四川的貢嘎山區。

鮑威爾稱星際列車的項目，如果從2010年開始建設，投資200億美元，就能在2020年建設完成第一代太空貨運發射系統，投資600億美元就能在2030年完成載人太空發射系統。鮑威爾預測屆時太空發射的費用將從每公斤25000美元降低到43美元，10年能送400萬人到太空。但是這一項目至今沒有投資。為此鮑威爾還專門寫了一篇文章，題目就是「美國將在和中國的太空競賽中失敗」，其中特別提到中國西南大學沈志雲院士於2006年提出的「真空管道高速交通」的設想，並認為中國很有可能將領先美國建設新的非火箭太空發射方式。

雖然有專家對直接將物體加速到第一宇宙速度情有獨鍾，但現實證明在投資和工程實踐上存在巨大的困難，因此開始開發第二類電磁發射系統，就是將火箭和飛船等太空載具發射到高速（但遠沒有達到第一宇宙速度），然後載具在空中點火，逐漸加速進入太空。

NASA的電磁彈射器航天發射概念

例如2010年美國NASA就設想修建3.6公里長的電磁彈射器軌道，將空天飛機以10倍音速的速度彈射到空中，然後飛機啟動衝壓發動機，將衛星送入軌道後再返回地球，使用噴氣式動力降落地面。2006年美國空軍的報告稱利用磁懸浮等技術加速到10馬赫是可行的。中國航天科工集團設想的電磁彈射系統發射電推火箭和大型液體火箭，概念與此類似，但中國的火箭很可能不具備返回能力，但從技術上來說，降低了研發的難度，實現起來最容易。據測算使用這種方法的航天發射成本雖然達不到每公斤43美元的水平，但是也能降到每公斤500美元左右，而目前馬斯克的SpaceX公司發射成本為每公斤2700美元，是電磁彈射發射的5倍多。

從技術上來說，中國能夠研發航母電磁彈射器，就已經具備了研製航天電磁發射系統的基礎。2013年研發中國航母電磁彈射系統的海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室就發表論文指出了電磁彈射系統在航母之外對於火箭發射的意義。當然電磁彈射系統應用於航天發射，和航母用電磁彈射器相比，空間設計更為寬裕，但是加速的指標更高，對能量的需求更大，這就電力調節技術和彈射控制技術提出了更高的要求。

目前航天科工集團還沒有公布建立航天發射電磁彈射的地點。從其公布的計劃來看，也是將其設定為商業項目，而並沒有追求國家投資。實際上，雖然中國航天距離美國還有一定差距，但中國各方面的技術成長非常迅速，因此美國出現了馬斯克這樣的航天狂人，而中國的私營企業和投資者實際也可以將目光放到中國的軍工企業和軍隊研究機構，這裡面有著很多的軍民兼容的技術實際上是非常有投資價值的。如果有人能夠抓住航天電磁發射的創新點，也許就能夠造就中國的spaceX公司。如果中國能夠領先美國實現電磁彈射發射火箭，那麼將在航天領域佔領一個新的制高點。