电磁弹射微重力实验装置：到底是什么玩意儿？

在《工人日报》社交媒体上的视频显示，一个有三条导轨的高大结构，中间是一个圆柱形的舱体，在电磁弹射动力的作用下快速上升，抵达顶部后再以自由落体的方式回落，据视频介绍，该结构是一个模拟微重力（失重）环境的结构，与同类型设备相比，这个结构可以模拟长达4秒的失重时间。

这到底干啥用的，究竟是什么原理？

《工人日报》发表的视频只有一段经过多次剪辑后的极短视频，从前到后不过11秒！不过这个大型结构笔者还是认出来了，这是此前国家太空实验室的微重力试验装置升级版，因为在今年的7月份，有一个结构比较小的实验装置已经投入了使用，在此前报道的视频还预告了即将投入使用500千克级实验装置，然而2个月刚过，设备就建设完成了。

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，这套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。

原理不复杂，这种结构使用了电磁弹射技术，从国家太空实验室社交媒体上提取的视频可以看到，这个装置有三条120°分配的导轨，在每条导轨内都安装了电磁弹射装置，其原理和航母上弹射战斗机的电弹是一样的。

根据笔者的判定，这种开口导轨很有可能是使用了重接线圈弹射技术，这是一种将一个线圈分成通过导线连接的两半，一块非铁磁材料的导电板在线圈的开口中通过时会感应出涡电流，这个具有电流的导电板材就会在磁场中运动，用多个线圈接力即可将这块导电板材加速到很高的速度，当然控制线圈的电流强度以及方向即可对其加速或者控制速度甚至减速。

与航母的电磁弹射的原理并无二致，但工作环境要求会低很多，毕竟航母弹射的是30~40吨的重型战斗机，并且要求2~3秒内加速到240千米/小时，而这种微重力装置目前的要求是最多也就弹射几百千克，并且最终速度要求也低得多，简直就是小儿科了！这也算是我国突破电磁弹射技术后的一种技术外溢转民用的典型应用场合。

为何失重模拟还要那么麻烦？

在空间站内失重司空见惯，并且时时刻刻都处在失重状态，但在地面上却很难，此前有两种模拟方式，一种是用落塔，也就是自由落体的方式，建得越高或者挖得越深模拟的时间就越久！另一种零重力飞机，比如欧洲就有零重力航班，可以模拟最长22秒的失重时间。

可能很多网友要问了，为什么不去空间站？答案很简单，成本太高了，每千克运输成本达上万美元，并且还只有极少一部分能被选上空间站做实验，而更多的只能在零重力航班或者落塔中完成。

但就算是零重力航班成本也是相当高，一张机票高达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。你想要做实验，至少要排到明年这个时候了。

接下来能做的就是落塔了，这个成本低，可以快速完成，不需要排队，但这种装置在落地时过载很大，几乎就是破坏性测试，所以对于非常精密、成本很高的实验装置并不适合落塔，零重力飞机成本又很高，怎么办？所以微重力电磁弹射就应运而生了。

微重力电磁弹射模拟装置的原理其实也很简单，利用电磁弹射将物体加速能直达装置最高点的速度，然后同步上升，同步下降，在这个过程中一直可以体验零重力：在惯性上升阶段模拟失重，到顶点后自由落体再模拟一次失重，比落塔的测试时间大幅增加，并且电磁弹射微重力模拟装置可以通过电磁减速让测试载荷平稳落地，保证载荷安全。

使用微重力电磁弹射模拟装置，不仅可以模拟失重，而且还可以模拟月球与火星等弱重力环境，时间要比微重力环境要更久一些。后者可以模拟航天器在月球与火星的工作状态，而前者则可以排除重力影响，获得更优秀的实验环境，所以零重力实验装置非常重要，特别是在高纯度材料的制造以及医学实验环境，简直就无可替代。

电磁弹射微重力实验装置：真能作为未来的太空电梯？

在《工人日报》视频的标题中提到了一个关键词：太空电梯，看着这种零重力电磁弹射模拟装置，还真特么有点像，比如和《流浪地球》中的太空电梯相似度就挺高的，所以问题来了，这种电磁弹射装置能实现太空电梯吗？

太空电梯：最关键的其实不是动力系统

太空电梯的原理是这样的，在赤道上方的地球静止轨道向下延伸一根长达3.6万千米的缆绳，这根缆绳是垂直于地面不动的，这是太空电梯的最基本要求！接下来就可以天马行空了，顺着这根绳子只要不断爬就能爬到同步轨道，这是太空电梯的原理，当然真正的电梯不用爬，比如可以使用电动绞盘让电梯上升。

当然真正的太空电梯原理要稍稍复杂一点，首先第一个问题是顶点不能再静止轨道，而是要在比静止轨道更高的地方，比如此前就有科学家做过论证，大约需要9.6万千米，因为从静止轨道垂下来的缆绳是有重量的，必须以24小时自转一周的离心力将这根绳子的重量抵消掉，因此要在9.6万千米的顶端还要设置一个配重，这个配重可以用来建设空间站。

而缆绳垂向地面后通过锚固在地壳上的配重，与9.6万千米外的配重拉成一道紧绷的缆绳，可以使用多股缆绳组成一个太空电梯所需的三角或者四角支撑，当然从理论上来看，单根也是可以的，只是单根上下效率太差，可以多根组成上下双向通道。

太空电梯优势是非常明显的，火箭发射要消耗大量燃料，而且运送效率很差，每千克高达上万美元，而太空电梯可以降低到每千克数十美元甚至数美元，简直就是降维打击。而且还可以使用太阳能，也就是使用电力让太空电梯慢慢爬到顶点。

那么优秀：为什么还不造太空电梯？

答案是目前并没有这样的材料，从静止轨道垂下的缆绳也已经长达3.6万千米，目前强度最高的钢铁，能延伸到不被自身重量拉断的长度，也就十几千米而已，所以在地球上几乎可以作为任何建筑高端建材的钢铁完全没法用。

理论上能实现太空电梯的材料也不是没有，《三体》中的纳米飞刃就可以，现实中也不是不存在，就是大家都知道的碳纳米管，理论强度足够使用，因为碳纳米管的抗拉强度 超过 100 GPa, 如果按照碳纳米管的密度约为 1.6g/cm³ 的数值进行估算，其比强度超过 62.5 GPa/(g/cm³)，远超太空电梯的要求。

但这种材料却无法生产，或者说无法制造出宏观可以使用的缆绳，科幻小说或者科幻大片中宏伟的太空电梯至少到目前为止是无法实现的，所以我们知道了一个关键，在太空电梯中，最关键的不是推进方式，而是制造一种超高强度的缆绳，只要实现这个要求，太空电梯或者真的可能实现。

电磁发射：到底需要什么样的条件？

太空电梯无法实现，但电磁发射却是有可能实现的，其方法是建造一条数十千米的轨道，使用电磁发射的方式在这条直线轨道或者环形轨道上不断加速，直到速度达到第一宇宙速度时候在引出发射口，像炮弹一样飞向太空。

理论上还真可以：只是实现得有几个要求

首先高度必须得足够高，比如出口设置青藏高原某座高山的山顶，开口方向穿越赤道，投影轨迹中心点为地球球心，高度么甚至可以加高那么一点，所以最高距离应该是不会超过9千米。

其次是需要真空管道，因为地面大气太稠密，所以必须要搞一条真空环形管道，让这个准备发射的飞行器在管道内不断加速，直到速度足够才引出发射，之所以搞环形是因为可以节省投资，不需要傻瓜一样真的去建造一条超级长的轨道。

最后我们还要考虑另一个问题，因为在9千米高度时大气仍然非常稠密，直接以7.9千米速度引出，会导致航天器以25马赫的速度在低空大气中穿过，冲击与气动激波加热太严重了。需要在在真空管道的末端，比如在最后2-3千米范围内逐级注入大气升高气压，避免直接冲击。

另一个方法是降低出口速度，比如出口在4.5千米/秒左右，大约12~15马赫，此时需要飞行器自带火箭发动机接力飞向近地轨道。

接下来我们简单计算下，这条管道到底要多长？

假设全程6个G的加速度是宇航员能承受的极限，那么这条管道得有多长呢？笔者让AI算了下，大概需要82千米的轨道，确实有点长，建造成本不是一般的高。如果不载人的话这个轨道还可以造成环形，在这个环形轨道内不断加速一直到满足速度要求。

但在载人环境下却不能建造成圆形，因为要满足相信加速度小于6G的要求，7.9千米/秒的速度必须绕一个半径为1038千米的环形才能满足要求，显然这个建造成本远高于制造一条长达82千米的直线轨道。