不明觉厉的黑科技——电磁撬

2022-10-24 02:10

来源：平原公子

首先看个新闻：“世界首个电磁推进地面超高速试验设施——“电磁橇”设施，在济南成功运行，对于吨级及以上物体最高推进速度可达每小时1030公里。”

这个东西，你得感谢共和国的“武安护国电磁显圣真君”等铸剑人们。

电磁力不只是能用于舰船的电磁弹射，还能用于轨道推进，甚至能够用于航天技术......说到底，人类文明想要做到伟大事业，都需要“力”和“能量”，在“能量”的来源暂时不能完成突破性进展的时候，我们要做的就是提高能量的利用效率，让它爆发出更大、更精准的“力”。

山东济南的这个“电磁橇”，它能够将吨级或以上物体，最高加速到每小时1030公里，说实话，虽然快，但还是没有超音速。从试验画面看，这个“电磁撬”的长度并不够长，而“电磁轨道”的加速能力，是和轨道长度正相关的，如果我们有能力把这个电磁撬拉长到几十公里、上百公里......就像高能物理试验中的“高能粒子加速器”“高能粒子对撞机”一样，那么是不是就可以做到更多的事情了？

官方的叙述如下：“大质量超高速电磁推进技术可以在高速陆地交通、高速航空器的研发方面有很大的助力作用”。也就是说，这个电磁撬本质上是个高速实验室，不但可以用来“吹风洞”，未来还可以研究解决复杂动态过程下的空气动力学、高强度先进材料、高速测控等一系列科学技术等问题。

电磁弹射、电磁推进在原理上都不是什么复杂的事情，通电导体与磁场发生相对运动时，切割磁感线会产生安培力，把导体在极短的时间内推射出去.......普通人掌握了初高中的物理知识，都能用几节电池、几个线圈、电容、变压器做出妈见打的“电磁炮”，淘宝、拼多多都能买到一大堆“成品”.......真正的电磁炮、航母上的电磁弹射、济南的这个“电磁橇”，原理是都差不多，都是利用电磁能把物体射出去。

目前化学能能够产生的动力是有其极限的，工质火箭的能力也是有极限的，无论是土星五号，还是阿尔忒弥斯、还是马斯克的什么猎鹰，什么龙飞船.....为了摆脱地球引力，达到第一宇宙速度，就得不停提升火箭发动机的能力，携带更多的燃料。试想一下，如果有一个轨道足够长的电磁弹射装置，能在地表把物体加速到接近第一宇宙速度，这样可以减少一级火箭助推器，同时减少复杂的分离控制程序和所需燃料，这就让所谓的“可重复利用火箭”，成了中看不中用的废物。

其实这件事并不是我们一家在考虑，美国早就在尝试了，早在上世纪80年代末，它的桑迪亚国家实验室就开始研究用电磁炮代替火箭发射卫星的技术。而在90年代，美国更是提出了“磁升运器”方案，前些年NASA搞了一个所谓的“星际列车”方案........但和美国的高超音速飞行器、电磁炮之类的东西一样，不是停留在PPT上，就是下面没有了。根据公开消息，美国的“电磁轨道炮”项目已经下马。

这件事的最大难点在于，如何在短时间能制造、存储、释放如此巨大的电能？这就需要大功率、大容量脉冲电源技术，高速大功率直线电机技术。山东济南“电磁橇”试验成功的新闻中说的清楚：

该设施拥有高速大推力直线电机、百兆瓦级宽频变频供电等五大关键核心技术，于2019年10月开工建造，2021年9月完工并交付，当年12月投入使用，经过多半年的试用，首批试验成果近日公布，数据显示该设施可将吨级及以上的物体以时速1030公里的速度向前推送，换算下来相当于每秒286米，距离音速（每秒340米）已不远，创造了大质量超高速电磁推进技术的世界最高速度纪录。

实际上，电磁推进需要一个复杂而强大的电力系统，来高效驱动整个“电磁弹射”.......所以，这个难点，其实和电磁炮、航母电磁弹射需要的核心技术是一样的，解决的问题也是差不多的。

我们回顾一下“电磁显圣真君”及其团队的成就吧：

1、2003年在世界上首先提出中压直流综合电力技术路线。在设备层面，研制了高功率密度燃气轮机发电模块和柴油机发电模块、中压直流输电模块、高转矩密度推进模块、直流区域配电模块；在系统层面，先后攻克了舰船综合电力系统的电网结构理论、系统模型与仿真、并联机组功率均分、系统稳定性分析与控制系统分层协调保护、系统接口设计以及高功率瓶颈技术，完成了中压直流综合电力系统集成和性能试验。

2. 攻克了几百千瓦至数十兆瓦级整流发电机的集成优化设计、高效冷却、输出电压精确控制、关键加工工艺固化等关键技术，解决了时间常数和功率等级有量级差异的燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联运行难题，提高了我国舰用发电机的单机容量、集成化程度、运行效率和功率密度。

3. 创造性地提出了采用三次谐波注入和蒸发冷却技术的多套多相绕组大功率推进电机系统方案，突破了非正弦供电电机优化设计、强迫式蒸发冷却、新型磁脂旋转密封、大型鼠笼转子搅拌摩擦焊接、中压大容量变频器分布式电路结构设计、高速高性能通信、调速性能优化、故障冗余控制和减振降噪控制等关键技术，研制成功大容量新型感应推进电动机及其配套的变频调速装置，实现了我国舰用电力推进系统的高功率等级、高功率密度和高效率，满足了大型舰船模块化应用的需求。

4. 突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术，创造性地提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成，并将飞轮与转子合二为一的储能电机方案，提高了装置的功率密度和能量密度，解决了脉冲功率装置与不同容量电力系统适配的难题。

5. 采用时域仿真和基于状态方程的特征值分析方法，计算中压直流综合电力系统的稳定性，通过合理设计发电机、推进变频器等参数，解决了交流整流发电机并联运行时带恒功率负载时的稳定性问题。利用直流区域变配电分系统的状态空间平均数学模型，采用输入输出阻抗比奈奎斯特曲线的相角裕度和幅值裕度，评估了该分系统的稳定性，计算得出该分系统在全工况范围内均能保证稳定运行。

当下“电磁橇”的技术能够应用在什么方面，还不太清楚，但我们可以发挥一些想象力——比如航天科工的“五云一车”工程中，出来天基和空基的飞云、快云、行云、腾云和虹云之外，就有一个高速飞行列车项目，据说最高时速可达1000公里，200秒的发车频率，与地铁相当，它采用的就是接近真空的轨道环境和磁悬浮技术，以减少列车阻力，预计它将来的最高时速能达到4000公里。