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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“