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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

花匠小妙招
2025-05-29 17:26

这几天忙着关注印度的月船三号动态，居然错过了我国如此重要的科学新闻，国家太空实验室在7月19日发布了“电磁弹射微重力实验装置”启动测试运行，香港《南华早报》则以“游戏规则的改变者”为主题报道这次的微重力实验装置测试运行。

电磁弹射微重力实验装置：游戏规则改变者？

国家太空实验室于7月19日发布博文称，电磁弹射微重力实验装置启动测试运行，这是利用电磁弹射技术民用化来模拟失重环境的一种装置，性能非常优秀，远超目前微重力领域的几种常用模拟方式，并且还列出了几种设备的对比：

1、传统落塔：每天只能做2~3次实验，并且在回收阶段会超过20g左右的加速度冲击；2、抛物线飞机：每次起飞可以实现30次模拟飞行，但准备周期需要2~3个月；

而在电磁弹射微重力实验装置中是用电磁驱动，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，而且还降低了试验成本。

另外该设施仅需要储能与电磁驱动技术，装置运行仅消耗电能，单次耗电1千瓦时左右，运行成本比较低，可以大规模展开科学实验。目前该装置能模拟4S微重力时间，未来建设距离更高的设施（也可以在地下建设垂直井）以延长失重时间。

如果加大直径，加大舱室，未来人工模拟失重舱，时间超过零重力飞行器也是可以的，相对于飞机飞行的准备时间与成本，这种电磁弹射微重力实验装置无论是成本还是方便度优势等都将遥遥领先。

南华早报：直接以“游戏规则的改变者”报道了这次突破

香港《南华早报》也关注到了这次突破，副标题以“具有电磁发射功能的微重力实验装置将成为天宫空间站实验开发的“游戏规则改变者””进行了报道，该报表示，这座40米高的微重力实验设施配备电磁发射装置（MEFEL）使用线性电机驱动，可以模拟出4秒的时间，每天可以进行100个实验，比同类型测试设备效率高出太多。

几十年来，科学家一直在太空进行微重力实验，比如国际空间站中的火焰燃烧与晶体的生长，还有观察长期生活在空间站中的宇航员身体取得人体在失重下的科学数据，成本相当高昂，而其他实验方式存在准备时间长，冲击过大等情况，MEFEL的出现，几乎打破了此前所有的条条框框，以“游戏规则的改变者”出现在了微重力实验装置界。

北京中科院空间利用技术工程中心的张永康与同事在《力学》上发表了表示在这座微重力实验装置的研发过程，这个加速过程涉及线性电机，将电力转换为直线运动，就像航母上的电磁弹射过程，只是在这套实验装置中要求精细化更高，加速过程控制要求也更高。

另外张永康同时介绍称，他的团队正在致力于建造下一代MEFEL，目标是达到20秒的微重力时间，标的重量可达500千克的最大实验负载，20秒如果是纯自由落体的话需要1960米高度，按双向行程也要880米，如果算上加速时间，估计这座建筑物的垂直距离一定会超过1200米，当然不是高度，它也可以是深度哦！

双向行程？地面制造失重环境：到底是怎么实现的？

大家都制造超重环境相对比较容易制造，因为可以用“离心”模拟的方式制造超重环境，就如飞行员以及航天员训练的过载模拟设备，一个单臂旋转的“离心机”，一边是一个人员舱，另一边是一个配重，根据直径与转速即可算出过载是几个g，一般人能承受3-4g，飞行员能承受7~9g，航天员应该在9~10g左右，飞船落地时冲击能达20g以上。

只要在人体承受范围内，超重环境测试多久都没问题，但失重环境就不是那么好模拟了，我们常见地面测试失重环境模拟有落塔，原理很简单，自由落体中舱体中状态就是失重的，只要知道了落塔的高度，就能算出模拟失重的时间，减去缓冲的的距离，失重模拟时间基本会比自由落体时间要短一些。

另一种失重模拟就是零重力飞机，比如美国、俄罗斯、欧洲等都有模拟零重力环境模拟的飞机，比如欧洲Novespace就有一架命名为Zero G的零重力飞机，这是空客A310改装的飞机，用于取代此前A300改装的零重力飞机，2015年后开始正式运行：

零重力飞机机舱空间大小为长20 m，宽5 m，最大高度2.25 m，一次可以携带最多40名人员作零重力实验，一次起落（抛物线飞行）可以有22秒的零重力时间，每次飞行可以飞出31次抛物线，累积零重力时间为11分22秒。

另外还可以模拟月球重力和火星重力，每次抛物线月球重力持续时间（0.16 g）可以模拟25秒（总计为775秒，12分55秒），火星重力持续时间（0.38 g）35秒（总计1085秒，18分5秒）。

原理挺简单，飞机从平飞状态迅速拉起，爬升角度不断增大，30度，然后40度，最后到达50°，此时飞机转入“冲刺”后的自由上升阶段，越过最顶点后会继续进入自由下落阶段，从自由上升到自由下落结束的时间段内就是零重力模拟时间，如下图：

飞机确实空间巨大，也非常舒适，可以模拟各种环境，但成本也非常可观，比如零重力飞行目前可以面向个人开放，比如最近的票价是6900欧元（约合人民币5.5万），估计一般人已经消费不起了，这个票价实在有点高。但问题是从现在开始到2024年8月29日的零重力航班机票已经销售一空了！

2024年8月30日还有座位，各位有兴趣可以联系啊，截图有电话，还有邮件账号。

MEFEL用的是什么结构

很明显，国家太空实验室的MEFEL不是用这种方式来实现的，而是垂直结构。从公开的图像来看，总共有三条加速轨道，中间是一个托盘是的载荷放置区域，启动后三条轨道的电磁加速装置同时启动，同步加速，在载荷允许的加速度范围内加速到一定速度，之后让其自由上升到顶端，再自由落体一直下落，在自由落体行程的末端介入刹车，将载荷加速度控制在可承受的3g范围内直至停止。

除了加速行程和减速行程外，其他的双向行程均为零重力行程，或者也可以模拟更长时间的月球重力或者火星重力等，这种方式只用电，要比Zero G飞机要优秀得多。目前唯一的问题是空间还不够大，未来的500千克载荷也不能相比，不过好在是成本低，几乎可以随时进行，相信有很大一部分实验都可以从Zero G飞机转向MEFEL设施。

中国电磁发射技术再外溢：白菜化电磁弹射技术，已深入民用领域

MEFEL设施用的是什么原理？其实挺好理解的，与电磁弹射是同一种结构，用的都是可以开口发射并精确控制的重接线圈发射原理，这个结构上看着有点复杂，但其实挺好理解的，中科院物理所就专门写过一篇科普文介绍其结构与原理，其最基本的结构如下图：

上下线圈产生的磁场，在非导磁的板材（比如铝合金）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，最终推动弹丸前进。

之所以叫做重接是因为这种结构由上下线圈为一组加速的单元，所以定义上部和下部的线圈为一组加速单元。上下线圈的匝数和线径相同，上下线圈的输出线相接，再根据右手定则，通电时上下线圈产生磁场的方向一致，都是指向下，最后磁场"重接"。

这种结构的好处是不会像轨道炮会产生电弧影响现场环境以及烧蚀导轨，还无法精确控制，也不会像线圈发射技术那样很难做开口，并且重接发射还可以多个并联增加载荷能力，因此这种发射原理用在弹射上最合适不过。

另外从MEFEL设施的结构来看，笔者分析应该就是这种方式，三个支撑脚，三条加速轨道，电磁弹射只能一条轨道，而MEFEL刚好因为支撑稳定需要至少也得设置三条，还分担了加速动力要求，更加平稳，对设计以及储能要求也更低，因此从理论上来看，MEFEL实现难度比单条要简单多了。

当然电磁弹射要求也不一样，这个要求在2~3秒内加速到240千米/小时的起飞速度，而MEFEL则是几个G的加速度以及几十米每秒的速度即可，对于玩顺了电磁弹射的中国科学家来说，简直就是小儿科。

马伟明再立新功？

我国这几年在电磁发射领域突破的可不少，比如从重接线圈突破的就有电磁弹射、电磁橇以及上文的电磁弹射微重力实验装置。还有轨道发射领域突破的电磁炮以及线圈发射领域突破的电磁灭火炮和电磁枪等，基本上已经全领域突破，并且还在军转民进行民用领域转化，电磁橇和电磁弹射微重力就是这两个最成功的转化。

三种电磁发射技术各不相同，路线上也有些差异，但有一点基本是相通的，即大功率储能与控制与释放过程，我国率先突破的是电磁弹射系统，当年我国完全独立自主的国产航母立项，马伟明院士建议直接上电磁弹射，当时大家都有些懵圈，但马院士领导的团队解决了所有问题，并且在和蒸汽弹射的比试过程中大获全胜，最终我国003航母选择电磁弹射作为新航母的弹射器。

这一次突破可不得了，大功率储能与控制与释放以及控制过程全都明了了，所以接下来的工程化应用可以通过修改各种参数完成定下的要求，这不076上就用了一套据说是小一号的电磁弹射器，专门用来弹射无人机。