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通往月球之路——电磁大炮
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人类对于太空的好奇已经有数不清多少年的历史了,然而自从上世纪人类登月达到了巅峰时期之后,人类对于太空的探索似乎陷入了一个窘境。显然我们的太空旅行现况离科幻小说差的太远,我们不仅仅这么多年了连火星都没有登上,甚至月球都已经几十年没有再上去过,甚至航天飞机都已经被叫停。到底是什么事情阻碍了人类通往太空的步伐?答案非常简单:钱。持续10多年的登月计划整个耗资上百亿美元,这种量级的花费,任何一个政府都需要慎之又慎地考虑要不要做。也许,人类的太空之旅,必须经过一个大的变革才能圆梦了。

通往太空的必经之路——月球

人类若是想要探索太空,那么在月球上建立基地将是一个必经之路。为什么呢?显然,从地面上直接往外太空发射卫星是一个很糟糕的选择,原因有是地球的重力非常大,而且地球的大气层较密,有着很大的空气阻力。如果是在地球卫星轨道上建立空间站并且作为基地,也不是最佳选择,它有至少两个缺点:

  1. 外太空没有保护,精密仪器很容易受到太空辐射或者太空垃圾的撞击而毁坏;
  2. 卫星轨道上并没有任何建筑材料,所有建设基地的物资必须靠地球来运输。

月球则是一个非常良好的太空基地选址,它的优点非常多,可以说是正好是弥补了前面提到所有缺点:

  1. 月球的重力只有地球的1/6,便于向外发射卫星;
  2. 月球几乎没有大气层,空气阻力比地球小得多;
  3. 如果在月球表面挖一个洞并且在里面建立基地,则月球的地面就是一个极其良好的防辐射、防撞击的保护层,不必担心仪器损坏;
  4. 月球上也有丰富的资源,建立基地所需的资源可以就地挖掘。

因此,为了将来探索太空,我们必须先踏上月球,在月球上建立基地。可是,现在的关键问题是,如何向月球发射大量的物资,同时其经济代价又不像现有火箭运输方式那么高。注意,为了使得建立基地变得可行,第一步是运输大量物资,暂时先不考虑运输人类(人类将来可能仍要通过火箭的方式运送),因此可以让运输过程的加速度很大而不必担心里面东西被压坏。

火箭的缺点

传统的火箭运输方法有许多固有的缺点。

首先,火箭运输有一个固有的问题,它必须一路上不停地燃烧燃料进行加速,而这就导致一开始的时候其实大部分燃料是去加速燃料去了,真正加速了最后想抛出去的卫星的燃料比例很低。因此导致每次发射卫星都会消耗大量的燃料,而它的价钱是昂贵的。其次,火箭发射的安全性并不高。虽然我们一直在努力地控制安全,可是火箭发射总是有那么1%量级的事故率降不下来。再次,火箭运输每次运输的质量只能很小,若要运输大质量物资到太空,这个途径并不是个好的选择。

我们的方案——电磁加速

为了向月球运输大量物资,用电磁加速装置取代传统的火箭运输,或许是一种可行的大大降低发射费用的根本性方法。

简单介绍一下我们小组(北京大学物理学院的一个本科生科研课题小组)的电磁大炮方案。我们采取的是coilgun的加速方式,下面的动态图是一个简单的示意。

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在一个很长的轨道上,排布着很多级的线圈,一个内部安装着永磁体的抛射体就在这些线圈中前行,前进的动力靠外部线圈产生的磁场推拉而成。我们的方案里,只考虑4个线圈对永磁体的作用:其前面的两个产生吸力,后面两个产生推力。每个线圈由大电容放电产生电流,其放电时间和周期是经过计算去严格控制的,以保证抛射物临近的4个线圈对抛射物任何时刻受的力都是前进的力。整个轨道为一个真空管道,所以加速时可以不需要考虑阻力问题。

在降落到月球上时,需要减速才能着陆。减速的方法有很多种,如果继续秉持这不携带燃料的思想,可以想到这样一种方案:让抛射物飞到月球上时是沿着月球表面的切线飞行的,在沿途扬起密度分布精确控制的尘埃,其密度分布满足让抛射体受力为恒力,并且此力的大小在其承受范围之内。这种方案需要在基地建成以后才能实现,在这之前最可靠的降落方式应当还是携带燃料减速。

补充:我们的方案主要目的是让被发射物体不以化学燃料为主要动力,抛射物并不是要完全不携带燃料,它需要携带少量燃料进行航向的细微调整。

可行性分析

不要觉得这是科幻,经过我们的计算,用以上方案发射物体到月球上,是现有技术基本可以达到的。

首先我们计算了要想把物体抛到月球上,需要的相对地面的最小速度是多少。用数值计算得方法,采用限制性三体问题模型、圆轨道近似,考虑了地球自转、空气阻力等因素,最终算出来的相对地面最小速度约为10km/s。只要达到这一速度,在地球上特定位置、特定时间向一个特定角度发射即可把物体打到月球上。

然后就是计算利用现有技术可达到的最大加速度有多大。我们的计算中取该磁场为20T(此前我们认为现有永磁体最大可产生的磁场是97.4T,但实际上97.4T的并不是永磁体而是电磁铁的脉冲磁场,感谢网友samlinlin指正)。而电容放电产生的磁场最大也可以到10T量级,维持时间为秒的量级。我们的计算中认为该磁场可以达到5T,只需维持秒的量级即可。设定一些典型参数,例如抛射体质量为10吨、线圈间距为1m等,则可以计算出此时的加速度可以达到约为9.7km/s²。

由最终的速度和加速度,就可以确定出我们要建的轨道的长度:约为5000米。这确实是一个很长很长的距离,但是并不是不可行的,只要依靠高山而斜向建立即可,必要的时候需要向地下凿洞。而且,只要磁场或者电容放电电流再变大为2倍,或者载重变为原来的一半,此距离就可以缩短为一半,目前的计算仅为保守估计。

以上计算虽然和实际还是稍有出入,但是计算已经表明,电磁加速发射物资到月球已经没有根本性的困难。

技术仍然在不断进步,如果这个方案初步可行,那么将航天事业的投资的一部分去研究怎样更经济地产生更强的磁场,前景将会更好。

经济性

当然,建造这条轨道是需要巨资的,但是这属于一劳永逸的项目,一旦建好,日后的发射成本就非常低了,而且可以发射频率非常高。每次发射的成本,无非就是电容放电消耗的电能,以及被抛射的永磁体的制作费用。电能的钱完全可以忽略不计,永磁体的成本还是个未知数,但是如果将来能大量生产,其成本也会下降。

另外,为了更加节约成本,被抛射的永磁体也可以替换为超导线圈,这样产生的磁感应强度也可以足够大,现有托克马克装置的磁场就是超导线圈产生的,其强度最大可达10T量级。因为发射时间很短,因此不必太担心液氦或者液氮的维持问题。而超导线圈的技术现在已经成熟,其成本显然远小于每次发射火箭的成本。

建造轨道的成本其实可以参考修建地铁的成本,对于我们万能的中国来说,修建一条5000米长的地铁,应当不是一件困难的事情。

仍需考虑的问题

以上的计算分析只是很理论的分析,真正的可行性还需要就整套方案的所有细节进行工程上的可行性分析。经济性仍然需要做比较详细的评估,建造轨道及每次发射的费用还需要进行调查。另外,对于如此超高速的物体在大气阻力中究竟如何行为,仍需研究。

结论

用电磁大炮的方式往月球上运输物资,虽然现阶段还属于一种天马行空的畅想,但是也许不久的将来,这样一条轨道就真的可以被建造出来了,我期待着这一天的到来。

科幻小说中曾经屡次出现电磁大炮之类的事情,比如凡尔纳的《从地球到月球》、刘慈欣的《地球大炮》,然而,这个方案已经不仅仅是科幻了,而是一种接近可行的方案。
The End

发布于2011-10-31, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳。 如在其他平台看到此文章被盗用,请告诉我们(文章版权保护服务由维权骑士提供)

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