游戏规则改变者!中国电磁弹射技术再外溢:微重力模拟月球火星环境

7月20日，《南华早报》以天宫空间站实验开发的“游戏规则改变者”为副标题报道了国家太空实验室新投入的“微重力实验装置”，这玩意儿到底有多好用，值得用如此华丽的词藻来定义？它到底有哪些用途？

微重力环境很重要：但此前使用成本很高

微重力环境有多重要？我们从《中国空间站科学实验资源手册》中列出的资源与实验方向就可见一斑，这份2019年4月份发布的手册的第一页和第三页就列出了这些优势与拥有的资源，在空间站独特的研究环境第一项就是：微重力环境！

空间站可提供长时间的微重力环境，微重力水平（残余微振动加速度）为 10-3～10-4g。在微重力条件下，地面重力效应导致的流体（气体、液体、熔体）中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失，流体形态和物理（化学）过程等发生显著变化，影响或改变流动和燃烧机制，也影响到相关的材料（包括生物材料）加工及制备过程；
微重力还会对一些基础物理的实验条件产生重要影响，能够以更高的指标和精度开展实验，对重要的基础物理理论进行验证。此外，各种生物包括人类的生存和进化一直是在重力环境下实现的，微重力环境对生物体及其各层次的影响十分显著。因此，微重力环境是开展相关科学研究独特而宝贵的资源

这个在实验柜中就有彻底体现了，比如在学科方向实验柜的第二项就是医学样本分析与高微重力科学实验柜，第五项是流体物理实验柜，第六项是两项叫系统实验柜，第七项为燃烧科学实验柜......都是微重力实验方向。

相信大家都知道，能上天实验的都是大课题才有的待遇，要经过一系列的筛选才能最终抵达空间站，每千克载荷上万美元，占用空间站空间与资源，费用都是数十万甚至数百万美元起，这个实验不是人人都能做的。

所以大部分时候都是地面环境模拟的，主要有两种，一种是落塔，即在一个高塔顶部以自由落体的方式实验，但问题是时间短不说，载荷在末端还要受到很大的冲击，很多时候都要加固载荷从而推高了成本。

另一种就是乘坐零重力航班，在飞出一个抛物线的上升段到下降段，大约有22秒左右的零重力时间，一次起飞可以飞出31个抛物线，总计可以获得11分钟左右的零重力时间，这个效果不错，可惜票价太贵，按欧洲零重力航班的票价大约需要6900欧元，约合5.5万人民币。而且据官网介绍，从现在开始到2024年8月29日前的所有航班已经被订购一空。

微重力实验装置：游戏规则的改变者

国家太空实验室的电磁弹射微重力实验装置是一种使用电磁驱动，全程可控，可以真实的模拟出微重力（失重状态）、月球重力和火星重力等，实验舱的回收加速度可以空载3g左右，不需要加固实验仪器即可参与测试，不仅增加了效率，而且还有效降低了试验成本。

它的原理和落塔是非常类似的，不一样的是落塔只能在下落段显现零重力环境，自由落体时间是可以计算出来的，比如100米高的自由落体时间只有4.5秒，但在电磁弹射微重力实验装置可以在上升段和下降段同时模拟失重环境，条件可以参考零重力航班的模式，只是在电磁弹射微重力实验装置中从抛物线轨迹变成了垂直塔。

这种实验装置固定，目前的实验环境只需40米即可模拟4秒的零重力实验，每次实验只消耗一度电，并且还能轻松模拟出月球与火星重力环境，更可贵的是可以持续测试，准备时间很短。另据该装置的设计与制造团队的张永康介绍，目前已经考虑设计一种载荷可达500千克，失重模拟可达25秒的电磁弹射微重力实验装置。

笔者简单计算了下，20秒的自由落体距离高达1960米，假设按上升下降对半处理也需要1千米，除去加速与缓冲减速时间，这座电磁弹射微重力实验装置的高度必须要超过1千米！显然这是一件不可能完成的任务，不过别担心，造高楼很难，反过来挖个1千米的深坑却不难，而且有部分矿井的深度可以轻松超过1千米，稍微改造下即可造出这样一座微重力测试塔来。

目前的零重力航班也只能提供22秒，而且价格昂贵，这套载荷为500千克的零重力测试环境建设完成后，估计零重力航班的很多生意都要被抢了。

中国电磁弹射技术白菜化：已外溢到各个领域

看了前文后估计有很多朋友都在思考，为什么这次的微重力装置叫做“电磁弹射微重力实验装置”？其实更准确的定义应该是电磁加速微重力实验装置，它的原理确实和电磁弹射属于同一种加速方式，但这种方式要比电磁弹射的要求低太多，载荷就算是目前规划在建的也只有数百千克，而且加速过程要求柔和，不能超过3个G。

到底是什么原理？

如果笔者没有理解错误的话，装在航母上的电磁弹射与这次的电磁弹射微重力装置使用的都是一种叫做“重接线圈”加速原理，其结构如图：

上下线圈产生的磁场，在非导磁的板材（铝板）的表面产生感应电流(涡流)，感应电流再与线圈产生的磁场相互作用，最终推动铝板前进。

航母上的电磁弹射环境要求极高，2-3秒内将一架30多吨重的飞机加速到240千米/小时，需要一个相当强大的强迫储能装置和可以控制放电的控制以及反馈装置与弹射线圈，并且只有一条弹射轨道，而电磁弹射微重力装置有三条轨道同时加速，因此要求会小得多，设计与制造难度也将大幅下降。

当然好处是我们的电磁弹射已经彻底搞定并在技术上相当成熟，可以通过搭积木的方式使用不同容量与功率的模块搭配成一个小功率弹射器或者完全用作另一种用途的加速，比如之前公布的电磁橇以及目前公开的电磁弹射微重力装置，这表示我们已经将电磁弹射这种技术用到极致化了，未来还有一定会转向电磁轨道发射，也许将会在青藏高原高原建设一条数千米长的轨道来发射卫星。

电磁发射领域的应用还有电磁发消防灭火炮，还有电磁枪、也有电磁发射导弹等，所以中国科学家要染指电磁发射卫星领域也是只是一个立项而已，非常期待这一天的到来，中国已经全面进入电磁发射领域。