中國建造巨型軌道炮發射太空船

一、領先全球的太空發射技術 

   依據南華早報報導，中國科學家正在建造一條巨大的電磁發射軌道，將一架重達50噸比波音737 還長的大型太空飛機送入軌道。巨型軌道炮可將高超音速飛機加速至高達1.6 馬赫，到達軌道末端後點燃火箭發動機直接進入近地軌道，其引擎就會以七倍音速將其加速到太空邊緣。用巨型電磁軌道發射裝置的加速讓飛行器跨過耗能最大的低速環節，可大大減少此類飛船進入太空所需的燃料，使其能夠攜帶更大載荷並節省大量資金。這是一種全球領先的太空發射技術，航天科工集團在山西省大同市建造了一座2公里長的低真空軌道高速磁懸浮試驗設施。這個軌道設施能將負荷加速到1000千米/小時的速度，未來將提高到5000千米/小時(4馬赫)，比美國SR-71黑鳥超音速偵察機還要快。在軌道發射裝置中加速消耗的是電能，這是一種劃時代的技術，發射成本可以降到極低，馬斯克的SpaceX利用回收火箭將發射成本打到了3000美元/公斤，大約只有不可回收火箭發射成本的1/3，但電磁發射技術可做到60美元/公斤。 

   俄烏戰爭中證實了衛星鏈的戰略重要性，激勵美國和中國研究快速部署多顆衛星的經濟有效的方法。迅速發射大量衛星的能力對於提供天基通訊、情報、監視、偵察、瞄準和冗餘至關重要。中國在戰術反應太空發射(TRSL)需求方面可能已超越美國，TRSL 是在發生衝突時快速更換受損或被摧毀衛星的能力。美國航太工業一直關注有效載荷能力、可靠性和效率，以及發射盡可能多的衛星。他指出，這導致了大型液體燃料火箭的發展，但這些火箭需要大量的發射時間，需要複雜的定位和加油過程以及先進的地面支援設備。相較之下，中國專注於開發不需要複雜發射基礎設施的移動固體燃料火箭。這些小火箭雖然無法攜帶與液體燃料火箭一樣多的衛星，但可以迅速發射，這使得它們成為替換損壞或被摧毀的衛星的理想選擇。中國的軌道炮發射「騰雲」可能會進一步增強其TRSL能力，儘管它可能面臨來自美國可重複使用火箭的激烈成本競爭。在成本方面，美國SpaceX 的獵鷹9 號和獵鷹重型火箭等可重複使用的發射技術已將有效載荷送入軌道的成本從每公斤65,000 美元降至約1,000 美元。 

二、電磁軌道太空發射技術問題

電磁軌道太空發射與電磁軌道炮及航母電磁彈射器的原理相同，軌道炮是利用彈丸在磁場中受到洛倫茲力作用加速原理，在兩根導電軌道間放上導電物體，當電流通過該導電物體時會受到導線周圍產生磁場的驅動作用而向前運動。線圈炮是當電源給驅動線圈施加脈衝電流時，兩個線圈的磁場相互作用產生安培力，使彈丸向砲口端移動的原理；用多個線圈組合，當線圈通電時會對鐵磁的彈丸產生吸引力，當要經過線圈中段時切斷電源，下一個線圈接力，再接力，直至加速到很高速度。重接線圈是非鐵磁導電板材經過開口線圈時會在板材中感應出渦流，在線圈磁場的作用下運動，可以透過多個重接線圈串聯，並且還可以透過多組重接線圈並聯發射重型載重。通常用作電磁軌道發射大型高​​超音速飛行器大多是重接線圈發射技術，電磁軌道發射技術則是在數公里長的軌道上將更重的飛機加速到更高的速度，功率超大。電磁軌道發射技術的困難點是超音速分離技術，當飛行器達到分離速度時，飛行器首先會受到迎角產生的激波升力讓飛行器快速離開軌道，但當飛行器和軌道之間出現距離時高速通過的氣流產生的「負壓」會將兩者重新拉到一起，此時非常危險，如果控制不好飛行器可能會撞毀在軌道上。 

   另一個困難是分離前激波會在機體與軌道之間反射，激波掃過的位置都需要加強，因為激波是一種壓縮波，能量很大，被激波掃過的位置都需要增加強度以免發生強度不足等問題。分離之後就是高超音速飛行器本身的動力了，此時速度已經達到了1.6馬赫，可以直接啟動沖壓發動機，這種沒有運動部件的發動機在超音速下效率很高，但只能加速到大約3~4馬赫，接下來就是亞燃到超燃過度的階段，從4馬赫到5馬赫難度很大，會出現一個叫推力陷阱的區域，即隨著速度增加推力反而下降的問題，一般可以採用火箭引射的超然沖壓發動機跨過這個障礙，在超燃沖壓發動機工作穩定後再關閉引射火箭。超燃沖壓發動機也只能工作到7馬赫左右，高度大約在30~40千米，此時就要啟動火箭發動機飛向太空了。這些模態轉換的過程難度很大，因此高超音速引擎技術難度是相當大的。當然還有一種直接讓電磁軌道發射技術將飛行器加速到接近10~15馬赫左右，也就是3.5~4千米/秒，接近運載火箭發射時第二級火箭發動機的速度，出口高度設定在8千公尺左右，飛行器就不需要啥高超音速引擎了，在這個速度下直接啟動火箭引擎即可輕鬆進入太空。 

三、中美電磁彈射發展 

   中國空天飛機發射軌道炮與美國Talon-1高超音速飛行器在低成本衛星發射上產生激烈競爭，在爭奪快速衛星發射優勢競賽中，中國計畫建造巨型軌道炮來發射騰雲太空梭，將電磁發射和高超音速飛行結合。根據戰區網站報導，美國 Stratolaunch 的 Talon-A (TA-1) 高超音速飛行器最近在加州海岸進行了首次動力飛行，攜帶多個測試有效載荷。這款楔形無人機從該公司的大型Roc 噴射機上發射，實現了約200 秒的動力飛行，達到了接近5 馬赫的超音速速度，並補充說預計最終將達到6 馬赫。TA-1被美國飛彈防禦局用作高超音速威脅交戰和攔截的威脅代表目標，它們都是完全可重複使用的，並具有用於回收的三輪起落架。雖然 TA-1 的既定目的是成為高超音速飛彈防禦的練習目標，但其設計元素和測試數據可能有助於開發Stratolaunch的黑冰太空飛機，預計該飛機將具有先進的在軌貨物返回和貨物發射能力。在電磁發射領域，美軍的電磁彈射器不太穩定，電磁砲也因為無法解決軌道燒蝕問題在2021年下馬，整體而言電磁發射領域美軍已經全面受阻。資源也向高超音速飛彈傾斜，但讓人驚訝的是美軍的高超音速飛彈也是各種不成功，海軍、空軍與陸軍的兩款高超音速飛彈連續試射失敗，最近還正要進行ARRW（空軍的AGM-183A飛彈）近乎實戰的試射，但一直沒有成功的消息。 

    美軍電磁彈射的各種不順利並沒有影響中國，中國在電磁發射領域屢屢成功，電磁彈射器已經裝上了003航母，電磁砲也已經海試，傳會在004和005航母上亮相，中國在電磁發射領域的成功已經從軍事應用外溢到民用領域，例如電磁橇，這個是用來測試地面狀態下加速到高速時的各種環境，例如降落傘開傘、需要進行空氣動力測試的車輛以及高鐵等各種要求高速的設備，以前動用火箭加速測試，不僅需要動用火工品，而且成本還非常高，現在有了電磁橇，幾度電的問題就解決了。除了電磁橇還有微重力實驗裝置，這種利用電磁發射技術將物體在垂直上升以及下降過程中經歷無重力或者弱重力環境，送到月球與火星上的設備必須要經過這類微重力或無重力測試環境的考驗。除了這些大件外還有電磁槍、電磁滅火砲，現在又有了超級大件電磁軌道發射裝置，中國的科技創新突飛猛進。