人类实现动力飞行以来，一直在努力研 制更高更快的飞行器。20 世纪中期，火箭技 术取得突破，人类得以进入太空。然而，冷 战结束近 30 年来， 人类的太空活动范围和活 动规模均没有明显扩大。受限于昂贵的航天 发射费用，广阔的太空并没有成为新的经济 增长点，反而被各国政府视为财政经费的黑 洞。
航天发射成本高昂的主要原因在于化 学火箭的固有缺陷。化学火箭利用燃烧释放 的化学能产生推力，由于火箭需同时携带燃 料和氧化剂，推进剂的能量密度很低，发动 机比冲较低(比冲定义为一定流量推进剂 产生的推力，化学火箭的比冲一般不超过 360s) 。为了使发动机产生足够大推力，工 作足够长时间，火箭需携带大量推进剂，相 当一部分推进剂的能量其实被用于托举其他 推进剂，导致能量浪费。而且推进剂需要巨 大的贮箱来携带，导致化学火箭尺寸庞大， 结构质量巨大，制造困难。这使得火箭能携 带的有效载荷很小， 仅占火箭起飞质量的 5% 以下，而推进剂占起飞质量的 90% 以上。例 如，猎鹰 9 的运载系数(有效载荷与火箭起 飞质量之比) 只有 2.6%， 而著名的登月火箭 土星五号， 运载系数仅为 4% 左右。低比冲、 低运载系数的固有缺陷使得化学火箭注定是 一种效率很低的运载工具。
图 1 土星五号(左)和重型猎鹰(右)
火箭垂直回收并重复使用方案，据称能 够大幅降低发射成本。2019 年 4 月 11 日， SpaceX 公司实现重型猎鹰火箭子一级的全部 成功回收(两枚助推器陆上回收，芯一级海 上回收) ，受到广泛关注。然而，火箭垂直 回收方案有明显的局限性。首先， 目前的垂 直回收技术只能回收第一级火箭，第二级难 以回收，只能坠入大气层烧毁，成本降低有 限。而且火箭越大， 第二级的制造成本越高， 总成本难以大幅降低。其次，垂直回收需预 留降落段推进剂以及安装栅格翼、着陆腿等 附加机构，增加火箭的死重，使得运载能力 降低 15%-50%。总之，难以实现完全可重复 使用，运载能力降低，是火箭垂直回收方案 的硬伤。
图 2 重型猎鹰火箭助推器垂直回收
第二种降低发射成本的思路是使用冲压 发动机。冲压发动机利用大气中的氧气作为 氧化剂，其比冲明显高于火箭，但是无法在 大气层外飞行。因此人们设想把冲压发动机 和火箭的优点结合起来，形成了两级入轨运 载系统和火箭基组合循环动力(RBCC)概念。 两级入轨系统由吸气式高超声速载机和搭载 的第二级组成，爬升至大气层边缘时，载机 释放第二级并返航， 第二级将载荷送入轨道， 然后滑翔返航。RBCC 推进系统整合了火箭 发动机和冲压发动机，可水平或垂直起飞， 需携带氧化剂，推进剂重量约占起飞重量的 70%。
图 3 不同推进系统的比冲曲线
两级入轨和 RBCC 的技术难度很大，数 十年来研发项目层出不穷，但是无一成功。 两级入轨的主要难题是，载机既要满足爬升 高度要求，又要赋予第二级足够的入轨速 度，这样推进剂携带量与机体结构质量难以 协调，运载系数很难提高。以航天科工正在 研发的“腾云工程”为例， 起飞重量 180 吨， 近地轨道运载能力只有 2 吨，而且机体制造 和维护成本相当可观。RBCC 的问题是，如 果从地面零速度起飞，需要以火箭引射模态 工作一段时间，才能加速到冲压发动机的最 低起动速度，这一阶段将消耗大量燃料，严 重制约飞行器的最终爬升高度和运载能力。
图 4“螺旋”两级入轨系统概念(上) 与 GTX 飞行器概念(下)
降低发射成本的第三种思路是，在地面 上赋予飞行器足够大的初始动能，从而降低 对推进剂化学能的依赖。1994 年，NASA 提 出了磁悬浮助推发射概念 MagLifter，并进行了可行性论证和缩比模型试验。其工作原 理是：用磁悬浮滑车承载和牵引飞行器，在 大功率电源系统的驱动下，滑车沿着有一定 倾角的轨道加速至 2km/s 以上并释放组合动 力飞行器，飞行器将载荷送入轨道后滑翔返 回地面。这样有望同时实现高比冲、高运载 系数和完全可重复使用，发射成本可能降低 至不可回收火箭的 1/20 以下。
约翰 ？ 霍普金斯大学提出了 StarTram 磁悬浮发射概念，分为 Gen-1 货物发射系 统和 Gen-2 人员发射系统。据估计，Gen-1 系统建设成本为 200 亿美元，那么每年能发 射 12.8 万吨有效载荷，10 年内发射成本可 降至 40 美元 / 每千克。Gen-2 系统每年可 运输 30 万吨货物和 40 万名乘客，每人次太 空旅行只需 13000 美元。磁悬浮发射系统一旦研制成功，有望将航天发射成本在现有基 础上降低两个数量级。
图 5 NASA 的磁悬浮发射试验装置(左)和 MagLifter 概念设想(右)
图 6 MagLifter 系统发射的组合动力飞行器示意图
图 7 StarTram 磁悬浮发射系统示意图
从技术发展趋势来看，短期内用电磁发 射系统直接将载荷送入轨道仍然十分困难， 而磁悬浮助推发射的方案明显具有可行性。 首先， 磁悬浮助推发射可减少推进剂携带量， 降低飞行器的设计难度。其次，近年来超导 磁悬浮技术快速发展，磁悬浮系统的建设成 本大幅降低。另一方面，直线电机已经在轨 道交通中大量应用，电磁发射系统的拖动装 置可以利用成熟的货架产品。因此，磁悬浮 助推发射系统只需在现有技术基础上提升并 整合，并不存在未知的技术障碍。
近年来，磁悬浮助推发射技术的研究逐 渐升温。NASA 计划在肯尼迪航天中心建设 一条两英里长的加速轨道，发射大型高超声 速载机， 并使用第二级将有效载荷送入轨道。 2016 年 4 月，美国空军进行了磁悬浮助推发 射试验，使用 640 米长的轨道，在 2s 内加速 至 283m/s， 未来的目标是加速到 10 倍声速， 即 3400m/s。
中国的航天科工集团、西南交通大学、 中科院电工所等单位也在进行相关研究。据 报道，航天科工的羽舟、轻舟火箭将由地面大型电磁弹射系统发射， 计划 2020 年完成电 磁发射演示系统建设及原理验证。航天科工 参与研制的真空管磁悬浮高铁 T-Flight，最 大速度可达 4000km/h。试想如果加大拖动 功率，且轨道足够长，就能把 RBCC 飞行器 直接加速到冲压发动机的起动速度，实现廉 价电磁助推发射。
图 8 NASA 设想在肯尼迪航天中心建设磁悬浮发射系统
图 9 中国真空管道磁悬浮高铁 T-Flight 概念
“社会一旦有技术上的需要，这种需要 就会比十所大学更能把科学推向前进。”新 一轮科技革命的到来，必然极大推动磁悬浮 助推发射技术的发展。可以预测，磁悬浮发 射系统一旦实现商业运营，其发射报价将远 远低于绝大多数化学火箭，将重新定义商业 航天。2050 年前后，太空发射、太空旅游会 变得和今天的航空运输一样寻常，低廉的运 输成本使得空间太阳能电站、太空采矿、太 空工厂乃至太空移民成为现实，人类将通过 开发太空资源真正实现可持续发展。
作者简介：仝晓通， 高温气体动力学国家重 点实验室 2016 级硕博连读生，导师 : 岳连捷 研究 员。
