中國大陸成功運行世界首個「電磁橇」與中國科技創新政策

一、中國科技再創世界第一 

   10月20日，中國大陸《央視》報導世界首個電磁推進地面超高速試驗設施「電磁橇」(圖1)在山東濟南測試成功，它可以將1噸重物體加速到每小時1,030公里，創造大質量超高速電磁推進技術的世界最高速度紀錄。一般音速為每小時運行1224公里，而「電磁撬」的推進速度已接近音速。這是由中國科學院與山東省濟南市戰略合作的重大項目。報導稱，電磁橇設施設計建造過程中，中科院電工研究所科研團隊突破了一系列關鍵核心技術，多項技術指標達到世界領先水平。最高運行速度每小時1000公里超高速磁懸浮試驗系統「電磁橇」，是世界首個電磁驅動地面超高速科學研究與實驗設施，擁有高速大推力直線電機、百兆瓦級寬頻變頻供電等五大關鍵核心技術。此前報道稱，中科院科創城先進電磁驅動技術及裝備項目為2021年山東省重大項目，總投資33億元人民幣，致力於打造國家先進電磁驅動技術創新基地。據了解，該項目於2019年10月開工建設，電磁橇及其配套設施於2021年9月完工交付，2021年12月底正式投入使用。據了解，電磁橇項目將為先進材料、高速空氣動力學、衝擊與碰撞力學等民用前沿基礎科學探索研究提供測試保障條件，也可以為制導、引信、慣性導航、救生等前沿裝備研製提供新一代高性能試驗測試環境。預計電磁橇的成功將帶動大功率電力變換與控制、磁懸浮、超導強磁場以及超高速電磁發射與推進等多方面前沿技術的快速發展，為中國電磁驅動及相關領域的研究開發、成果轉化和產業化。 

   電磁推進可能成為人造地球衛星和星際間飛行器中的一種比較理想的推進方法，利用導電氣體中電流和磁場間的相互作用力使氣體高速噴射而產生推力。相較於傳統推進技術，用電磁加速原理可以得到比用化學燃料高1-2個數量級的排氣速度，電磁推進系統的比沖（單位品質推進劑產生的衝量）比化學燃料推進系統高得多。這種推進方法將使航太器在太空中飛得更快、更遠。美國能源部高能與核物理辦公室專案經理大衛古德溫稱，當冷卻到極低的溫度時，電磁體會在對其通電后的最初幾納秒內振動，如果可以將這種振動控制在一個方向上，那麼它可能會產生足夠的震動，從而推進加速航太器。目前電磁推進技術主要運用在航空飛行器、航空母艦上，如中國自主研製建造的003型航母及國最新服役的航母福特號航母也採用了電磁彈射系統。工信部在9月23日舉行的新聞發佈會上，工信部規劃司司長王偉指出，黨的十八大以來，工信部統籌推動全系統落實國家區域重大戰略和區域協調發展戰略，推動我國製造業區域高質量發展取得積極成效。產業集聚集群發展水準加速提升，王偉表示，依託優勢開發區、產業園區建設了445個國家新型工業化產業示範基地，涵蓋裝備製造、原材料、電子資訊、軟體和資訊服務等重點行業和領域，規模以上工業企業利潤總額佔全國比重近45%。 重點培育的25個先進位造業集群主導產業產值近10萬億元，集聚了規上企業2.5萬家。 今年上半年25個集群完成產值6.2萬億元，較去年同期增長6.1%。王鵬表示，先進位造業能為行業帶來巨大的經濟收益。 一方面為裝備製造提質降本增效，增加市場競爭力; 另一方面健全相關行業產業鏈后，對重大工程、重大項目的基礎設施建設更有利。 

二、電磁橇的原理 

   電磁橇技術主要目的是對高速地面交通、航空飛行器等高速先進裝備的研發測試用。這些交通工具的研發除了利用風洞這些“靜態”的模型去研究外，還必須解決複雜動態過程下的空氣動力學、高強度先進材料、高速測控等一系列科學技術等問題。美國NASA 就曾使用火箭雪橇測試低密度超音速減速器，早期測試往往採用輪軌或者火箭推進，不僅速度範圍受到限制，火箭燃燒還存在很大的污染，而且測試飛沙走石影響環境。採用電磁推進技術建造的電磁橇設施，不僅推力大、反應快、而且速度精確可控，具有相當大的優勢，可以為上述這些麻煩的問題提出解決方案。電磁橇並非用在磁懸浮列車上，最有用的是電磁發射，事實上磁懸浮不用如此高級的加速方式，這種全程可以不斷累積加速度的設備可以發射衛星或太空船進入近地太空軌道。若將這電磁加速軌道拉長到10公里或更遠的距離，或者製造一個在封閉空間內的超級環形軌道，內部抽成真空，然後將出口設置在青藏高原某個高峰頂。發射時將載荷導入軌道後在環形軌道內不斷加速，一直到4-5千米/秒後再導出進入直線軌道，從青藏高原的某個峰頂飛向太空，飛出到一定距離後再點燃三級火箭發動機，直接將載荷送入近地軌道。這種狀態下只需要少量的火箭燃料即可將載荷送入太空，發射的成本將大幅降低，而且使用的只是廉價的電能而已，可以利用可再生能源的太陽能、風力發電產生的電能進入近地軌道。 

   電磁發射的基本原理就是通電的導體在磁場中會產生運動即物理中的法拉第定律，和普通的電動機差不多但是結構有差異，主要有(1)軌道發射技術(2)線圈發射技術(3)重接發射技術。三種發射技術中軌道發射技術結構最簡單，但實用是最難的，線圈發射技術次之，但要達到超高速很難。而重接發射技術難度就比前兩者都要高一些，但在重載發射能力上它是最強大的。圖2是軌道彈射的原理，導軌就是電極，電流方向由正極流向負極，發射彈頭有一個導電的電樞，通電時電流從導軌穿過電樞從另一條導軌回到電源構成一個迴路，根據物理上安培右手定則，電流通過導體會產生環形磁場，根據法拉第左手定則，這個磁場將驅動電樞上通過的電流，推動電樞往右方前進，在小電流下這個驅動力並不明顯，但在百萬安倍的電流下就會變成巨大的推動力，將電樞加速到數千米/秒。但是軌道發射不僅要有超級電源，還要有防燒蝕的導軌技術。線圈炮的原理則是利用線圈產生的磁場吸引中間的“彈丸”，將其持續加速，並且可以通過多級將其不斷加速，達到比較高的速度。但這個線圈發射原理有個缺點是中間的鐵磁物體磁通容易飽和，阻礙了速度的進一步提高。重接發射原理有點像線圈炮，不過線圈炮是線圈中心通過發射物，而重接炮則是線圈的中軸線垂直方向發射，兩個線圈的磁場通過導線將磁場“重新連接”起來，所以被稱為是“重接炮”。重接發射有一個優勢，可以用多個線圈並聯加速，簡單了說就是可以將發射物體的重量加大，可以發射高速重載的物體，比如電磁彈射就是屬於重接發射原理的一種，它能將30~40噸的物體在2-3秒內加速到飛機的起飛速度。從公佈的央視視頻中可以發現發射的電磁軌道是雙排的，表示兩條軌道同時加速的。電磁彈射其實非常複雜，因為涉及到儲能以及超高功率的強迫儲能與輸出發電系統、彈射導軌及其冷卻系統、超高功率的變頻器與控制系統、電磁干擾屏蔽系統等。 

三、中國朝著科技強國邁進 

   近年來，中國科技突飛猛進，一流的新科技產出不斷井噴，在最近二十大報告中，國家政策要實施科教興國戰略，堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開闢發展新領域，不斷塑造發展新動能新優勢做到科技強國，加快實現高水準科技自立自強，以國家戰略需求為導向，加快實施一批具有戰略性全域性前瞻性的國家重大科技專案，增強自主創新能力。中國大陸重視研發，研發投入經費從2012年的1.03萬億元增長到2021年的2.79萬億元，中國政府2021年的科技創新支出超過1.07萬億元，比2012年增長92.2%；全球創新指數排名中，中國從2012年的第34位上升到2022年的第11位。近年來，中國在一大批核心技術上紛紛取得突破，重大科技成果競相湧現，法國《世界報》稱，中國已躋身世界科學大國行列。歐洲《現代外交》網站關注中國人工智能的創新發展發展。中國企業抓住新科技革命的歷史機遇，大力發展人工智能產業。可以預見，智慧技術和產業將為中國經濟新常態注入新動力。 

   日本《產經新聞》報導，中國正在加快推進本國工業的“核心技術”自主進程。中國領導人強調健全關鍵核心技術攻關新型舉國體制，強化對重大科技創新的領導，在中國的“十四五”規劃中，重點提到了人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、空天科技等“事關國家安全和發展全局的基礎核心領域”。過去10年，中國政府和產業界都格外注重創新發展，以科技創新作為可持續增長的引擎。在向創新驅動型發展轉變的背景下，中國產業升級取得重大進展：從以輕工業為主的出口導向型產業向資本密集型、自主創新型產業轉變。這種轉變啟動了新的增長引擎，開啟了新的業務形式。科技創新，關鍵在人才。近年來，中國極大激發各類創新主體和科研人員的積極性創造性，培養了一大批本土科技人才，引發海外外媒高度關注。統計數據顯示，中國每萬名就業人員中研發人員數量，由2012年的42.6人年提高到2021年的75.3人年日本《日經亞洲》指出，目前，中國的科研論文數量及被引用次數均居世界首位，有助於增強中國未來產業競爭力。中國高鐵技術再創第一，被稱為“電磁雪橇”的高速電磁彈射裝置比上海高速磁懸浮列車快 2.4 倍，發展前途看好。