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坐大炮登月?是幻想吗?

2016年10月号的《国防科技工业》,登载了中国航天科工集团副总经理刘石泉撰写的一篇文章。这篇文章提到了用“地面大型电磁弹射系统”发射的“电推火箭”——“羽舟”,“电磁弹射”加上“火箭”,着实让人“科幻”了一把。

其实“电磁弹射系统”和航母电磁弹射器、磁浮列车、电磁轨道炮,基本原理都是一样的,都是把电能转换成动能的简单装置,只不过加速的物体不一样,速度也有高低。说它们“简单”,是因为它们的原理用中学物理电学就能解释清楚。

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当然,这些工程实现起来,难度还是很大的。

早在人们认识电磁能之前,很多人已经开始幻想轰一炮把东西打上天了。这个“上天”是真正的上天,也就是说,它的动能至少保证进入地球轨道,不再掉下来。牛顿是研究“上天”的祖师爷,他著名的思想实验“牛顿大炮”就简单推算了第一宇宙速度。

牛顿那个时代的枪炮技术,离打炮上天还远着呢,所以只是想象中的实验。两百多年后,工业革命催生了坚船利炮,科幻作家儒勒•凡尔纳(Jules Verne)和科幻电影导演乔治•梅里埃(Georges Méliès),就可以放胆描述“大炮送卫星”的故事细节了。有趣的是,不管是凡尔纳的《从地球到月球》还是梅里埃的《月球之旅》(Le Voyage dans la Lune),里面的有些细节,都是很经得起推敲的。

1902年拍摄的《月球之旅》是世界上第一部科幻电影,月亮被炮弹“打脸”的镜头,是最早的定格动画。图片来源:Wikimedia Commons

1902年拍摄的《月球之旅》是世界上第一部科幻电影,月亮被炮弹“打脸”的镜头,是最早的定格动画。图片来源:Wikimedia Commons

疯狂天才的创意

差不多同时代,人类宇航事业奠基人之一——“火箭之父”俄国人齐奥尔科夫斯基,验算过凡尔纳大炮之后,认为那东西不可能实现。因为要在炮管内加速到可以逃逸地球引力的速度,“炮弹”,也就是宇宙飞船要承受几万g的加速度,任何大型生物都会瞬间被“炮决”,当时能制造出来的控制装置,也架不住这一轰。齐奥尔科夫斯基用多级火箭逐渐加速宇宙飞行器的设想,最终变成现实,让人类离开了地球家园。

然而多级火箭也有自己的问题,它们过于复杂,可靠性不佳。而且为了把那点载荷“接力”达到最终的速度,需要牺牲太多的能量。导致现在航天发射的成本还是高得离谱。即便是现在,大家都在努力制造“可重复使用”的火箭,本质上还是没法解决原理上的障碍。而且增加了系统的复杂性,可靠性更差了。

要是能干净利索地来一“炮”,那该多好!上世纪60年代的航天大跃进时期,有个疯子天才真这么干过。

这个人就是杰拉德·布尔(Gerald Bull)。

他在多伦多大学博士毕业,研究当时非常时髦的“宇航学”。1961年,他被聘为加拿大麦吉尔大学(McGill University)工程学教授,三年后成为该校宇宙研究所所长。

在麦吉尔大学期间,他潜心研究“一炮入轨”,这个研究得到了加拿大军方和美国军方的资助。美国军方给他提供了实验材料——406毫米口径的Mk7型加农炮,就是装在衣阿华级战列舰上的那种巨炮,当时人类制造的威力最大的身管武器之一。

Mk7的怒吼,BB61艾奥瓦号的这张照片是大炮巨舰时代的晚钟。题图来源:imgur

Mk7的怒吼,BB61艾奥瓦号的这张照片是大炮巨舰时代的晚钟。题图来源:imgur

只需要“轰”一声,它就可以把1225千克重的高爆弹头加速到每秒762米,炮口动能高达412兆焦耳。当然,每秒762米离每秒7900米的第一宇宙速度还差得远。为了提高炮弹的速度,布尔大幅度降低了炮弹的重量,他采用了“次口径”方案,细长的弹丸用轻质材料制作的弹托裹住,这样既可以“享受”到大口径带来的大动能,又提高了速度。这一系列炮弹,或者说亚轨道飞行器,被命名为“圣马丁鸟”(Martlet),传说中,圣马丁鸟是无足之鸟,这其实源自人们对雨燕一类鸟的错误观察,它们的小脚确实不太显眼。

圣马丁鸟还是麦吉尔大学校徽的吉祥物。图片来源:麦吉尔大学官方网站

圣马丁鸟还是麦吉尔大学校徽的吉祥物。图片来源:麦吉尔大学官方网站

第二处改进更引人瞩目,上面的舰炮图中,我们能看到气势磅礴的炮口火焰。这巨大的炮口焰也导致了另外一个问题,那就是火药爆炸产生的高温高压气体,并没有完全膨胀把能量传递给弹丸,很大一部分浪费掉了。如何减少浪费,最简单的做法就是——延——长——炮——管。让弹丸有足够的距离“吃干净”火药产生的能量。布尔的做法简单粗暴,那就是把两根Mk7的20米长的炮管焊在一起。

第三处改进是每次发射前将炮管内吸真空,减少空气对内弹道的影响。

这一系列实验的代号是HARP(High Altitude Research Project),最初这个实验在加拿大魁北克的一处靶场进行,后来发现靶场实在不够大。后来美军又提供了一个更好的试验场地——位于中美洲巴巴多斯(Barbados)的一处美军基地。巴巴多斯大炮就此得名。每次发射,整个巴巴多斯都可以听见炮声。

巴巴多斯大炮。图片来源:reddit

巴巴多斯大炮。图片来源:reddit

1966年,HARP计划“最终版”的大炮和炮弹,来到了第三个试验场——美国亚利桑那州的尤马(Yuma)靶场,在这里,布尔把180千克重的炮弹打出了2100米/秒的惊人速度,超过了音速,最大射高180千米,已经远高于100千米的卡门线(Kármán line),卡门线是国际航空联合会接受的,外太空和大气层的界限,也就是说,这个炮弹进入了外太空。因为它还不是轨道飞行器,最后还是会掉回地面的。

就在这个实验之后不久,美加两国停止了对项目的资助,原因是已经踏进越战泥潭的美国军方,看不到与当时蒸蒸日上的火箭相比,这种玩意的实际意义在哪里。另外,据说布尔阴晴不定的性格也让金主们很头疼。奇怪的是,这个被取消的项目,被布尔成立的私人公司“太空研究所”继承了下来。

巴比伦婴儿的“流产”,天才陨落

布尔的目标很明确,就是要炮打卫星一发入魂。

但是,没钱。

他这样的人不愁没钱。只需要把对准太空的炮口对准人类就行了。布尔研发了一款45倍径(身管长度和口径的比值)的155毫米加榴炮:GC-45,这款火炮的内外弹道设计极其出色,引发了全球范围内的155毫米火炮换代大潮。而这款火炮的合作方包括:中国、伊朗、伊拉克、以色列、南非。你不必是国际问题专家,就能感觉出来,这个人,在作死。不管你们有什么恩怨,给钱我就干。

科威特阅兵式上的中国造PLZ-45自行加榴炮,就是布尔的作品。图片来源:搜狐军事

科威特阅兵式上的中国造PLZ-45自行加榴炮,就是布尔的作品。图片来源:搜狐军事

上世纪70、80年代,作为世界头号“民间”军火商,布尔在世界各个冲突地区游走,最终找到了一个肯支持他梦想的人物——萨达姆•侯赛因。当然,萨达姆的志趣不在仰望星空,西方情报机构发现伊拉克的农药企业,进口了许多高精度大口径无缝钢管,从而发现了布尔的计划。其中一些钢管的直径甚至达到了1米。它们是“巴比伦大炮”的炮管。巴比伦计划开始于1988年,按照计划,它会分两步走:350毫米直径,46米长的“巴比伦婴儿”和1米直径,146米长的“大巴比伦”。除此之外,布尔还为伊拉克研制过弹道导弹的再入弹头。

现存于英国朴茨茅斯皇家兵工博物馆的两截大巴比伦炮管。图片来源:网络

现存于英国朴茨茅斯皇家兵工博物馆的两截大巴比伦炮管。图片来源:网络

1990年3月20日,62岁的杰拉德•布尔在比利时布鲁塞尔家门口被射杀,至今仍是悬案,人们猜测,以色列和伊朗的特工应该脱不了干系。紧接着,海湾战争爆发,未完工的巴比伦大炮被联军缴获。理论上如果大巴比伦完工,布尔的梦想就可能实现。

布尔存世的照片不多,这是最著名的一张,左一就是还在麦吉尔大学当教授的他。图片来源:alchetron.com

布尔存世的照片不多,这是最著名的一张,左一就是还在麦吉尔大学当教授的他。图片来源:alchetron.com

“超电磁炮”继任“大炮上天梦”

制造超级大炮,利用化学能“一炮入轨”的难度,从布尔的一生坎坷就知道有多难,除了他这个疯子,没人做过这种尝试,除了萨达姆这样的疯子,也没人支持这种疯狂设想。

美国军方在放弃布尔的“大炮入轨”之后,并未放弃对高边疆的争夺,相反,他们把宝押在了更现实的火箭技术和更具有前瞻性的其他技术手段上。其中之一就是电磁轨道炮。

目前美国和英国联合研制的电磁轨道炮,已经非常接近于实用。图片来源: U.S. NAVY,拍摄者:JOHN F. WILLIAMS

目前美国和英国联合研制的电磁轨道炮,已经非常接近于实用。图片来源: U.S. NAVY,拍摄者:JOHN F. WILLIAMS

同样原理的航母飞机电磁弹射器,也已经装上了美国新一代的福特级航母。

福特级航母的电磁弹射器测试,一台滑车被扔进了海里,甲板上再也看不见以前蒸汽弹射器的滚滚白汽了。图片来源:搜狐军事

福特级航母的电磁弹射器测试,一台滑车被扔进了海里,甲板上再也看不见以前蒸汽弹射器的滚滚白汽了。图片来源:搜狐军事

2010年,NASA启动了一个项目,这个项目将结合电磁弹射器、超燃冲压飞行器和传统火箭,大幅度降低航天发射的成本。

火箭是自带氧化剂的,但在一次宇航发射中,耗能最大的部分恰恰是在大气层里,有氧不用纯属浪费。吸气的发动机里,传统的涡轮发动机的工作速度太低,到三倍音速差不多就是极限了。而冲压发动机(Ramjet)不一样,它无需借助涡轮压缩空气,只要自身速度够快,靠迎面空气的自动压缩就可以让进入燃烧室的空气剧烈压缩,使燃烧迅猛。近些年取得突破的超燃冲压发动机,解决了冲压发动机在高超音速时的工作难题,它们的理论飞行速度可达十倍音速左右,足以把飞行器加速到非常接近第一宇宙速度。这时候,速度和高度都很接近“宇宙飞行”的目标,飞行器再由火箭稍稍加速就可以突破“窗户纸”。问题是,冲压发动机工作需要初始达到一个高速度。现在的解决方案是用火箭加速冲压发动机。

高超音速超燃冲压飞行器的示意图,本文作者瘦驼摸过非常类似它的东西,实物。图片来源:网络

高超音速超燃冲压飞行器的示意图,本文作者瘦驼摸过非常类似它的东西,实物。图片来源:网络

美国的X-51高超音速飞行器,由后面的火箭助推器把飞行器加速到冲压发动机启动速度。图片来源:新华网

美国的X-51高超音速飞行器,由后面的火箭助推器把飞行器加速到冲压发动机启动速度。图片来源:新华网

本来就是要省掉火箭,现在不得不用火箭,真是纠结。

不用火箭,用电弹!图片来源:网络

不用火箭,用电弹!图片来源:网络

NASA就是这么想的,先用大型的电磁弹射器把冲压飞行器加速到工作速度(音速两、三倍左右)——冲压飞行器起飞,在大气层中充分加速,达到音速十倍左右——释放小火箭推动的任务载荷——载荷入轨,冲压飞行器降落。整个发射消耗的只是电能、冲压飞行器的燃料和一枚小火箭。

根据“敌有我有,应有尽有”的原则,我们也有自己的电磁轨道炮和电磁弹射器。尤其是后者,近期,它的“真容”已经露出了一些。

按照航天科工集团的介绍,它们的“轻舟”是电磁弹射器加化学火箭,那说明,我们的技术还不是“一炮入轨”,而是采用了美国同行近似的接力方案。

“羽舟”这一系列名字的命名者,一定是个拳击迷。职业拳击比赛分17个级别,轻量级是61公斤级,而羽量级则是57公斤级。不知道未来会不会出现雏舟、蝇舟、草舟?这个名字意味着,“羽舟”是发射重量更小的发射系统。

“羽舟”系统的组成是电磁弹射器加电火箭。电火箭虽然工作稳定,可以反复点火,但是推力很小,仅能用来调整和维持航天器轨道,理论上根本无法推动航天器入轨。所以,这个方案,一定是依赖电磁弹射器的力量,“一炮入轨”的。当然,这也得益于微机电技术的进步,有功能的卫星越来越小,从微小卫星到纳星,甚至皮星。一颗卫星的重量可以低到1千克以下。

NASA的这个设想已经进入工程阶段了。图片来源:航天爱好者网

NASA的这个设想已经进入工程阶段了。图片来源:航天爱好者网

到那个时候,从牛顿到布尔,都可以瞑目了。

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10 Responses to “一发入魂!用大炮送卫星上天!”

  1. 匿名说道:

    先让美帝 花钱 进行 可行性实验。 成了,咱们山寨

  2. 匿名说道:

    不管后面如何,电磁弹射起步都是很大的进步。

  3. hzh说道:

    PLZ-45当年不是说自主研发的吗?

  4. 呵呵说道:

    就像一楼说的,米国做好咱们山寨。依托中国强大的山寨技术把它搞到手!

  5. 风羽说道:

    我看到了炮姐

  6. 老鼠说道:

    大炮发射无动力飞行器是不可能的,没有自带发动机,不进行变轨的话只能把卫星射入亚轨道,或者速度足够快直接进入逃逸轨道。但永远不能进入环绕地球的椭圆轨道。

  7. 匿名说道:

    你指尖跳动的电光,是我永恒不变的信仰$$≧▽≦)/

  8. 杨博说道:

    可不可以用超音速飞机挂载羽舟火箭?这样就不需要在地面上的电磁弹射了。

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