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火炮方式-以火炮发射、电磁发射为代表的非传统航天发射方式

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非傳統航天發射方式,是有別於火箭發射的其他航天發射技術,目前主要包括火炮發射、電磁發射、離心發射等。由於其擁有低成本快速入軌的顯著優點,或將替代傳統航天發射方式,並對未來人類航天事業產生革命性影響。

今年6月,位於美國加州長灘的自旋發射公司宣佈,在由國防創新機構安排的一項交易中,其拿到了美國國防部的一份“發射初樣合同”。該公司打算在明年初從新墨西哥州美洲航天港進行首批試驗飛行,在不用傳統發射台的情況下把衛星“拋”往太空。該消息迅速引發了人們對於非傳統航天發射技術的關註。

但與火炮發射等非傳統航天發射方式相比,選擇海上發射的成本還是很高的。

這是非傳統航天發射方式中的“離心發射”——採用類似於離心機的裝置,將被髮射的物體加速後,如同鏈球一般“扔”出去。該公司目標是研發一款低成本發射系統,目前正在研製的一款“基於動能的發射系統”,能利用地面上的一個旋轉系統,把載有小型有效載荷的化學火箭加速到高超音速,隨後被安裝在一臺看似離心機旋臂上的火箭將會點火工作,有效載荷隨之送入軌道。

“明日之箭”已展現出廣闊發展前景

為了節省成本,傳統火箭發射方式作了很大努力。1995年,由美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威共同發起的“海上發射”項目,採用創新性的移動式海上發射平臺,使用俄羅斯的“天頂-3SL”火箭執行發射任務。這個項目之所以選擇海上發射,一個重要原因就是,在海上發射,火箭發射的緯度位置可以自由選擇,而選擇臨近赤道的地方發射衛星,可最大限度地利用地球自轉力,提高衛星的飛行速度和火箭運載能力,延長衛星運行壽命,大大降低衛星運營和火箭發射成本。

還有一個叫做“高架發射管”的非傳統航天發射項目。項目提出者詹姆士·鮑威爾早在20世紀60年代,就進行了相關研究。作為超導磁懸浮領域的早期研究者之一,他主張創建一條足夠長的真空管道,管道的開口對準天空,利用超導磁懸浮的動力,將火箭像炮彈一樣發射到太空。他設想創建兩條磁懸浮真空管道,一條用來運送人員,另一條用來運輸貨物。管道預計每年可運輸10萬噸的貨物,它的運力將是火箭的數倍。這個設想一旦實現,人類向太空運送物資或將變得輕而易舉。

因此,各國若想在航天技術領域取得發展並占有一席之地,成本是不得不考慮的因素。換句話說,誰能更快掌握低成本發射衛星技術,誰就能在航天技術領域先人一步,在國際航天發射市場占據優勢。

不同的火箭有不同的價格。歐洲“阿利安5號”運載火箭每次發射費用約為1.65億美元,每公斤發射費用約為10313美元;美國德爾塔IV型中型火箭平均每次發射費用為1.64億美元;俄羅斯主力運載火箭——聯盟-FG運載火箭每次發射費用大約為5000萬美元,每公斤發射費用為7246美元……我們不難發現,儘管運載火箭已經成為發射人造地球衛星的普遍方式,但每次發射所耗費的成本仍然極高。

先後經歷“挑戰者”號和“哥倫比亞”號兩次重大空難,隨著2011年“阿特蘭蒂斯”號航天飛機的最後一次飛行,美國的航天飛機時代已宣告終結。但美國在嘗試其他航天發射方式上始終不遺餘力。

還記得法國作家儒勒·凡爾納創作的長篇科幻小說《從地球到月球》中的著名實驗嗎?三個勇士要到月球去探險,乘坐由一門火炮發射的空心彈飛上了太空,看到了太空里許多壯觀景象。雖然後來證實,人類無法承受火炮發射時瞬間所產生的巨大加速度,但“炮射入軌”這種“非傳統入軌”方式給航天發射技術進步提供了想象空間。

與火箭發射這種傳統航天發射方式相比,以火炮發射、電磁發射為代表的非傳統航天發射方式,成本大大降低,在“低成本快速入軌”越來越成為太空產業未來發展潮流的今天,具有巨大的發展潛力。

自旋發射公司表示,在明年完成一系列試飛後,他們打算在2022年啟動商業發射業務。公司還表示,他們能用最低的費用提供高頻度專享入軌發射。這將真正成為新興商業航天產業的一個頗具顛覆性的推動因素,有望引發由廉價小衛星組網,用於災害監測、天氣、偵察、通信和其他服務的低軌星座市場需求的激增。

另外一種發射方法,即空對軌發射。它的設想者——一家高科技私人太空發射公司計劃將一架超大飛機作為火箭的發射平臺,飛機翼展達117米,飛行高度可達上萬米。這架飛機的作用類似於航天飛機,可帶著小型火箭飛往高空,然後在空中完成發射,而不是像普通火箭一樣在地面發射。公司創始人艾倫在接受《連線》雜誌記者採訪時說:“當你看到那架巨型飛機時,你會覺得這有點瘋狂。除非你是認真的,否則你是不會建造它的。因為你不僅僅想看到飛機飛上長空,而且還想看到它完成它的使命——將航天工具送入軌道。”

自旋發射公司率先在商業應用上大膽嘗試,但也有不少人對非傳統航天發射技術的應用提出質疑。主要是因為:雖然發射射程夠了,但衛星光送上天不行,還需要更高水平的加速度才能進入軌道。著眼這一問題,俄羅斯率先試驗。據俄羅斯《觀點報》報道,俄羅斯科學院高溫聯合研究所工程師2016年7月12日在莫斯科郊外,首次試驗自行研發的電磁軌道炮加速器,讓彈丸達到了第一宇宙速度。俄科學院代表稱,俄羅斯科學家成功將磁軌炮中的“彈丸”加速至11千米/秒,這樣的速度足以剋服地球引力。

總體來看,暫時的困難並不會削減人們對非傳統航天發射領域的熱情。非傳統航天發射技術發展前景廣闊,或將成為航天發射的主力。

電磁發射衛星也為節省成本提供了新思路。據估算,與常規武器相比,火炮發射藥產生每焦耳能量需要10美元,而電磁炮只需0.1美元。電磁炮是利用電磁發射技術製成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大炮將火藥燃氣壓力作用於彈丸不同,電磁炮是利用電磁系統中電磁場產生的安培力來對金屬炮彈進行加速,使其具備打擊目標所需的動能。電磁發射成本低、操控安全、適應性強,能量釋放易於控制,可重覆快速發射。有專家表示,電磁發射具有眾多優點,可為快速、低成本地向太空投送小衛星和物資提供新思路。

20世紀60年代,用於試驗“將衛星打入軌道”的HARP工程開始啟動,一生致力於新型火炮和彈葯設計的加拿大火炮科學家吉拉德·布爾,來到位於加勒比海的巴巴多斯島上,開始了“太空炮”的研發工作。他試圖用大炮直接發射衛星,這樣做不但能大大降低成本,在戰爭時運用此項技術還能向更遠的地方發射炮彈,可謂一舉兩得。雖然“大炮發射衛星”研究計劃隨著布爾去世被擱置,但其大炮發射入軌的理論被證明是可行的。

巴巴多斯巨炮是最早的實踐。為實施高空飛行研究計劃而製造的加拿大巴巴多斯巨炮,是人類有史以來射程最遠的火炮。它由兩門406毫米口徑炮管焊接而成,最終組成了一門炮膛長達36米的超級巨炮。這門火炮發射的也並非普通炮彈,而是一種被稱為“無足鳥”的加裝了火箭助推增程裝置的特質彈丸。巴巴多斯巨炮在發射時,能將100公斤左右重量的物體以每秒2100米的初速,送到180千米的太空。如果採用傳統火炮拋射的方式發射炮彈,則可達到4000千米遠的射程,堪比中程彈道導彈的射程。如果給火箭增程彈加成,它還能將214公斤重的物體送上250千米的太空,而這已經超過最低的衛星軌道高度。高空飛行研究計劃的最終目標,是研製一種三級火箭推進的炮射運載工具,真正實現“大炮發射衛星”。

點亮非傳統航天發射“星星之火”幾十年來,有遠見的人一直在尋找進入太空的方法。不光是依靠火箭的力量,在對非傳統航天發射技術的探索中,已經開始出現多種發射方式。

非傳統航天發射方式“更加經濟”借助火箭發射一次衛星要花多少錢?

不能否認,目前非傳統航天發射技術有的還處於技術構想階段,普遍性地存在一些難點,如在發射器壽命、發射載荷抗過載等方面的技術亟需攻關。但並不妨礙這幾種發射方式成為這一領域的“星星之火”,吸引更多人對非傳統航天發射技術進行探索。