电磁航天发射方案分析

电磁航天发射方案分析

近几年来，随着商业、军事和研究应用的日益广泛，微型卫星和纳米卫星发射市场的增长明显。一个重要的增长领域是自主群的发展，其中多个小卫星作为系统相互协作，提供相互关系和冗余。由于发射小型卫星的选择受到限制，这些新发展所带来的前景也有限。大型常规火箭助推器只能从少数几个国家获得，因此，发射机会不仅受到成本的限制，还受到发射器可用性和发射窗口机会的限制。一些商业组织（SpaceX、轨道科学、蓝色起源、维珍银河、比加洛航空航天、SpaceDev等）正试图满足这一需求，但仍继续使用传统的火箭方法，尽管有时会以创新的方式。在本文中，讨论了电磁发射提供一种替代方案的机会，该方案可以通过专用设施降低成本并提高可用性。

一、 背景简介

在过去的十年中，人们对以更高的频率将小型有效载荷（1–1000千克）发射到近地轨道（LEO）的兴趣显著增加。国防和电信行业将从为小型卫星有效载荷以更高的发射频率提供负担得起的空间访问的能力中受益匪浅，并且存在销售基本上实时陆地和海洋监测服务的商业可行机会（参见[1]）。在某些情况下，如自然灾害或快速演变的军事或紧急情况，快速响应发射时间也可能非常有益。

尽管经过了80多年的发展，从地球上发射的传统火箭对于小质量的有效载荷来说仍然非常昂贵，向低轨道发射1公斤质量的火箭的最低估计约为4000美元。发射窗口的机会通常也很有限，因为小的有效载荷经常作为相对较小的背负包添加到较大的有效载荷上，这些有效载荷被放置在少数几个国家（通常是美国、俄罗斯、法国、中国和乌克兰）可用的大型助推器上。Lim[2]表示：“除非出现一些极具颠覆性的技术发现，否则进入太空将始终是全球航天工业的一个重大瓶颈。”

已经提出了几种从地球表面经济地发射小型有效载荷的替代方法，包括轻气 枪[3]、冲压加速器[4]、冲击波技术[5]和波束能量[6]，同时还提出了几种新的技术，例如从高空浮空器[7]或气球[8]发射以及太空升降机的发展[9]。

几项研究评估了使用电磁（EM）技术发射到太空的可能性。这些包括在各种配置中使用轨道炮（参见[10]、线圈炮[11]和线性加速器[12]）。陆基系统（见[13]）和机载系统[14]以及涉及建造大型和高空固定装置的中间布置已被研究。

所有这些系统都有积极和消极的特点，需要加以解决，如下所述。也许，主要的优势是发射成本非常低，因为将质量加速到高速的电的固有成本非常低——几美分就能将一公斤加速到8公里/秒。这与目前用于插入低地球轨道的大型火箭助推器的成本相比是有利的，但还必须包括所有其他发射部件的成本，以及整个发射系统的摊余成本。此外，还应考虑与SpaceX和维珍银河等工业组织目前正在开发的其他新型发射技术进行竞争。

在三种电磁发射技术中，只有轨道炮能够达到接近发射到太空所需速度的速度，而低地球轨道的发射速度约为7.9km/s。超高速轨道炮发射器和飞行中的弹丸示例如图所示。图1显示了一枚0.6千克的弹丸在4.4千米/秒的海平面上飞行，而图2显示了一门20米长的分布式轨道炮，用0.1千克的弹弹实现了5.5千米/秒。美国海军最近宣布，使用如图3[16]所示的大口径轨道炮，但速度较低，适合战术应用，其炮口能量性能创世界纪录[15]。

Fig. 1. Mass of 0.6-kg in-flight at 4.4 km/s.飞行中质量为0.6-kg，速度为4.4 km/h。

Fig. 2. Thunderbolt 20-m long railgun.霹雳20米长轨道炮。

Fig. 3. ONR General Atomics large bore railgun.ONR通用原子大口径轨道炮。

相比之下，尽管研究讨论了8公里/秒的运行速度，但线圈炮尚未证明其速度高于1公里/秒。原则上，线性加速器可能能够实现高速度（20世纪30年代，儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在一本关于EM发射的月球之旅的书中提出了这一点[17]），但迄今为止的经验仅限于最近安装在美国新舰福特级CVN-78航 空 母 舰上的EM飞机发射系统，以取代飞机发射用的蒸汽弹射器[18]。目前，这些列车的最大速度与现有的MagLev列车相似，约为100 m/s，但如Maglifter概念（见图4）[19]所述，原则上可能会有更高的速度。

Fig. 4. Maglifter linear accelerator concept (after Mankins).Maglifter线性加速器概念（源自曼金斯）。

下面的讨论将集中于轨道炮系统，但许多评论将适用于所有EM加速器概念。

二、发射注意事项

A、 发射地点和角度

除少数例外情况外，常规火箭发射到太空遵循冯·布劳恩在第二次世界大战期间开创的路径，在海平面或海平面附近的固定发射台上使用垂直定位的液体燃料火箭。NASA肯尼迪、美国空军范登堡、库鲁、拜科努尔等都采用了这种方法。将发射台设在赤道附近可以获得一些优势，因为赤道是地球旋转速度最高的地方，也可以从高空发射，这种情况不太常见，但也有人提出了这一点。对于大型系统，尽管最佳发射角度可能不是垂直的，但EM发射也可以采用类似的考虑因素，因为最终的要求是使轨道圆化。基于战术火炮应用的研究倾向于支持40°-50°的发射角，并在轨道的远地点（假设其处于足够的高度）过渡到轨道运动。

B、 发射速度和气动热应力

火箭发射和电磁发射之间的主要区别之一是初始发射速度。化学火箭在升空时是最重的，随着燃料和氧化剂的燃烧，它的速度会增加。这有一个优点，即在大气层最稠密的部分，火箭的速度是最低的，这有助于减少飞行器上的气动热负荷，尤其是鼻尖。相比之下，火炮发射系统在发射时有其最大速度，因此，此时的气动热应力最大。气动热载荷是超高速火炮发射的限制性特征之一，必须加以解决。

需要考虑的两个主要因素是：

第一，随着大气密度的降低，从更高的高度发射更容易；

第二，随着鼻尖直径的增加，空气热负荷（kW/m2）降低。

也就是说，像航天飞机一样，钝体的加热速率低于尖锐体（见图5中的虚线[20]）。这会影响可发射的弹丸尺寸的选择，并有利于更大的弹丸。

总的来说，对于直接发射到太空，解决了这个问题

将需要针对给定材料和发射高度的弹丸尺寸和钝度优化初速。改进鼻尖材料或冷却技术，如蒸发冷却，可以改善这种情况。

还必须仔细评估的一个相关主题是，在飞行过程中，甚至在离开大气层后，气热热扩散到弹体中的程度，以及这可能对内部组件、有效载荷和（如果包括）火箭发动机燃料产生的不利影响。

Fig. 5. Required launch velocity and peak heat flux variation with nose radius for EM launch to LEO for a 1000-kg aerobody.对于1000公斤的特技飞行体，EM发射到LEO所需的发射速度和峰值热通量随机头半径的变化。

C、 启动加速

传统火炮的一个特点是，它们主要用于战术应用，在战术应用中，机动性和快速瞄准机会目标的能力对机械和人员系统都很重要。因此，大多数枪管长度适中，加上化学推进剂的燃烧性能，这意味着很高的初始子弹加速度（高达50千米）被视为通常的操作场景。由于类似的原因，战术轨道炮也采用了同样的方法，尽管对于非战术应用，如发射到太空，没有理由这样做。

这样的加速度与通常的火箭操作形成了巨大的对比，在这种情况下，大型助推器的最大加速度为几格，特别是当脆弱的有效载荷（如人类）在飞机上时。一些中型火箭，如斯巴达和斯普林特，能够发射高达300枚的反弹道导弹，但这是个例外。由于低加速度发射是火箭运行的常用方法，因此设计发射到太空的有效载荷时考虑了这些限制。一些“智能”军用射弹已经成功地进行了地面硬化处理，可以在10公里以上的射程下发射，但目前的卫星甚至小型立方体卫星都没有达到这样的水平。

改变火炮和电磁发射器操作的现有卫星设计需要双方做出妥协，有效载荷需要加固，发射器设计的优化比战术火炮的加速度低。德国研究人员表明，混合动力火箭发动机部件可以成功发射到3公里以上[21]。

除非像一两位作者所建议的那样，能够建造非常长（几十公里）的发射系统，否则使用EM发射将脆弱的有效载荷（如人类）送入太空的前景似乎很渺茫。然而，向低地球轨道转移更强大的燃料、水、食品和部件可能存在巨大的市场，例如，用于国际空间站补给或支持月球或火星试验，或用于通信卫星加油的地球同步轨道。

Fig. 7. Concept showing EM launch from a high flying aircraft.展示EM从高空飞机发射的概念。

Fig. 8. Final ablated profiles for rn = 2 cm, V = 5, 6, 7, 8, and 9 km/s, laminar flow, launch altitude = 16 km, and launch angle = 45°.rn=2 cm，V=5、6、7、8和9 km/h，层流，发射高度=16 km，发射角度=45°时的最终烧蚀轮廓。

D、 高空发射

传统火箭和电磁发射器都建议从3至4公里的高山发射（见图6），并确定了发射地点[22]。然而，由于空气密度的降低不足以克服这种影响，即使这些设备也会受到气热限制。

从高空飞机发射（如图7[14]所示）已被证明有效地消除了这一问题，但需要使用大型运输机，如空中客车380F、安东诺夫an-225或波音747，尽管飞机具有较大的升力能力，但可发射的空间有效载荷的大小将受到限制。

研究表明，即使是很小的(∼10千克）的弹丸在这个高度上会很小，图8显示了在15千米处会发生最小的烧蚀(∼40 000英尺）高度到轨道的距离（此计算在60公里高度停止，因为在此之后没有发生进一步的消融）[23]。

Fig. 9. NASA two-stage vehicle concept after Maglev launch from Kennedy space center.NASA在肯尼迪航天中心发射磁悬浮列车后提出了两级飞行器概念。

E、 两级系统

克服发射速度-钝度范式局限性的一种方法是采用两级系统，使用有效载荷的低速发射，包括一个单独的火箭动力飞行器，用于更高高度和更高速度的飞行。这一概念至少从桑格的DynaSoar项目开始就被考虑和使用。第二个飞行器可能包含轨道插入所需的相同火箭动力系统（参见图9中的NASA两级概念[24]）。

在一项研究中，评估了使用提升体进行轨道成形的可行性，以评估这是否有助于创建轨道插入角[25]。与其他参数一样，这需要优化抛射体的角度变化及其阻力效应。

F、 混合动力系统

众所周知，常规火箭系统经常使用多级布置来实现高速。

这种方法利用了当空的第一级或第二级燃料箱在使用后被丢弃时可以实现的改进的有效载荷分解，从而减少“无用”质量被加速进入轨道（或超出轨道）。由于第一级火箭通常只将整个火箭结构加速到适度的速度和高度，然后才被丢弃，因此一种可能的方法是用EM发射级代替它。在[26]中对此进行了检查，结果表明，使用这种方法，例如使用多轨道炮配置，成本似乎可以显著降低。这种较低速度应用的替代方法可能包括线性电机技术和线圈枪，这两种方法都是可行的。

三、 主要问题

尽管火箭技术成本高且存在缺点，但在EM发射达到取代甚至与传统火箭技术竞争所需的成熟度之前，仍有几个主要问题有待解决。这些将在下文中讨论。考虑到火箭技术发展的成熟状态以及许多国家为军事和商业应用所做的大量投资，这一点尤其正确。应该预计，任何此类变化都需要多年才能实施，并且需要大量投资。如果要找到专门的利基应用，例如专门的军事应用，则可能会出现例外。

A、 市场需求

除了“技术推动”诸如EM发射到太空等新概念外，还必须有“市场拉动”——即对技术投资的经济吸引力需求。这种情况尤其如此，因为需要高资本投资，如下文所述。尽管近年来小型卫星市场（如图10所示[27]）大幅增长，如JPL在图11中的估计所示（也是从[27]得出的），但这还不是一项真正的大型工业规模业务，无法与电信卫星或监视设备的发射相媲美。

改变的一个主要驱动因素是发现太空制造的部件或设备在某种程度上优于地球上制造的部件和设备。尽管有一些迹象表明，某些成分或药物可能是如此，但目前还没有一种可行的商业模式。这种商业模式必须包括需要向太空制造厂供应原材料，建立和运营这种制造能力，并定期、经济地将制造的物品返回地球上指定的回收点。在未来，原材料的供应可能会因小行星捕获和提炼而发生革命，这可能是帮助启动这项业务的关键。

Fig. 10. JPL 3U (10 cm × 30 cm) CubeSat.

B、 资本和运营成本

已经对EM发射到太空所需设备的资本成本进行了估算。撇开发射设施及其操作的成本不谈，这可能与传统火箭发射的成本相当（尽管由于不需要大量高能量燃料供应，因此相当安全），如果使用现有的电容器方法，电磁发射系统的资本成本将由脉冲功率设备的成本主导。

通常，在发射持续时间（即几十到几百毫秒）内，需要以兆安培和千伏特的速度发射几十到几百兆焦耳。除非通过特定开发，否则此类设备无法在商业上获得，因此是高成本项目。基于脉冲旋转发电机或感应储能的替代方法有望大幅降低成本，但在过去十年或更长时间内投资相对较少。相比之下，即使是相当长的发射器，其成本也应该很低——可能是10%或更少。

运营成本将由设备寿命决定，因为总资本成本必须在设备寿命内摊销。本应对常规火箭技术进行类似的评估，但几十年来，各国根据本国的军事紧急情况对其进行了投资，并没有进行成本效益分析，这是一项新的竞争性技术所需要的。每次发射使用的电力成本可以忽略不计。

总体运营成本中的一个重要因素是机身。考虑到在整个太空包线内发射和飞行的压力要求，这种飞行器（将在下文中讨论）的成本可能会很高。与其他发射概念一样，如果大部分飞行包可以重复使用，这将是非常有利的。

Fig. 11. JPL estimate of deep space usage of CubeSats over the next decade.

D、 操作模式

如果EM发射器将相对较少的大型有效载荷发射到太空，其运行模式将类似于目前的大型火箭助推器。然而，新的EM发射系统似乎有机会为较小有效载荷的市场服务。这些是否能有效地整合到太空制造场地尚不清楚。所需要的是能够频繁发射，自动返回制造平台并卸载有效载荷。制造的物品可以用相同的弹丸返回地球，前提是它们在发射后不会产生不良影响。在理想的未来系统中，这可能是完全自动化的，但在短期内，人力管理似乎更有可能。

E、 飞行体

EM加速器启动的整个包可能由几个组件组成。由于需要高速穿越大气层，首先必须使飞行体具有最小阻力和必要的气动热保护的空气动力学性能（典型飞行器见图12和13）。如果建议采用两级系统，使用火箭驱动的第二级进入轨道并使其循环，则第二级飞行器必须与主体集成，或者能够分离进行独立飞行。这辆车将嵌入有效载荷部件以及导航和转向能力。该飞行器将需要携带为轨道插入和转移提供6V所需的燃料。

在加速过程中，要发射的整个组件必须由弹托和膛架支撑，加速力通过电枢传递至组件。战术轨道炮通常使用由高强度铝制成的底座推动式固体武器，但也可以采用其他配置。对于这种应用所需的非常高的速度，等离子电枢似乎是更可能的选择。

Fig. 12. GA Blitzer flight body.GA Blitzer飞行机体。

Fig. 13. Defense Advanced Research Projects Agency hypersonic flight vehicle.国防高级研究计划局高超音速飞行器。

四、 讨论

尽管EM发射到太空的前景在过去几年中受到了广泛关注，但对有待解决的问题的现实评估似乎表明，尽管有许多潜在的优势，但这种系统还没有准备好与现有的火箭发射器竞争。如果这两种技术在其开发周期的相同点上以相同的投资水平在平等的基础上进行竞争，也许情况会有所不同。然而，火箭技术是一项成熟的技术，尽管它有许多缺点，但成本非常高，安全性记录也不高，因此，EM发射必须与这项成熟技术竞争。

在某些方面，这种情况可能类似于过去几年中为接受电动汽车而进行的斗争。尽管电动汽车在19世纪末首次被研究，但柴油和石油燃料的内燃发动机已经主导了个人汽车市场一个多世纪。尽管他们有着可怕的安全记录、造成的环境污染、地球有限的碳氢化合物资源的使用以及竞争国家控制这些供应的愿望所带来的地缘政治后果，但这一切都是如此。最初，电动汽车技术的市场吸引力很小，主要是因为电池的续航能力差。然而，随着电池的改进和混合动力系统的引入，电动汽车越来越被接受。这得到了政府补贴和控制城市环境污染水平的政策决定的帮助。

也许需要一种类似的情况，才能通过国家在技术的各个方面的投资和激励措施，使新兴市场发射变得具有吸引力，以降低目前进入太空的非常高的成本，这无疑是为了整个人类的利益而大规模使用新兴市场的一个非常大的障碍。