“螺旋發(fā)射”試驗成功，非傳統(tǒng)發(fā)射方式或受青睞

文/蘭順正

2021年11月10日，美國航天發(fā)射初創(chuàng)公司SpinLaunch宣布，該公司在新墨西哥州的美國太空港利用亞軌道加速器原型機成功發(fā)射了一枚無動力“拋射體”（projectile），此次試驗是“螺旋發(fā)射”概念的首次發(fā)射測試。據(jù)悉，“螺旋發(fā)射”概念基于真空密封的離心機，該離心機以數(shù)倍聲速旋轉(zhuǎn)無動力“拋射體”，然后在“不到1毫秒”的時間內(nèi)將其拋入高層大氣，最終進入軌道。此次發(fā)射成功，或許意味著非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式未來將受到更大的重視。

眾所周知，自從人類進入航天時代以來，火箭成為了當(dāng)之無愧的發(fā)射主力，其巨大的應(yīng)用價值獲得了世界的公認，各國對各類運載火箭的研發(fā)都是不遺余力。但傳統(tǒng)火箭發(fā)射的長時間準備過程以及巨大的耗資也一直為人所詬病，如歐洲阿里安5號運載火箭每次發(fā)射費用約為1.65億美元，每千克發(fā)射費用約為10313美元；美國德爾它Ⅳ型中型火箭平均每次發(fā)射費用為1.64億美元；俄羅斯聯(lián)盟-FG運載火箭每次發(fā)射費用大約為5000萬美元，每千克發(fā)射費用為7246美元。由于目前“低成本快速入軌”成為太空產(chǎn)業(yè)的潮流之一，使得各方在對傳統(tǒng)火箭發(fā)射方式進行改良的同時，也讓一些非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式看到了機會。

螺旋發(fā)射 “扔”進軌道

▲ SpinLaunch公司打造的亞軌道加速器原型機

▲ “拋射體”穿破發(fā)射筒頂部薄膜的瞬間

▲ 巨型離心機發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

此次試驗成功的SpinLaunch公司使用的是“螺旋發(fā)射”技術(shù)——就是采用類似于離心機的裝置將被發(fā)射的物體加速后“扔”出去，如同鏈球一般（在航天基本常識中在赤道附近建立火箭發(fā)射基地以利用地球自轉(zhuǎn)線速度節(jié)省燃料就是利用該原理）。該發(fā)射理念已經(jīng)被美國軍火研制專家、領(lǐng)袖推力系統(tǒng)公司的查理斯·圣喬治應(yīng)用在其發(fā)明的新式武器“恐怖者”（DREAD）中。

這種槍是根據(jù)滑膛槍的原理研制的，鋼珠存放在一排排的狹窄槍膛里，在中間槍膛里經(jīng)過強力旋轉(zhuǎn)達到極高的速度后從槍膛里射出。據(jù)稱射出的鋼珠飛行速度可以達到大約每秒300米，開發(fā)工作全部完成后的DREAD槍和傳統(tǒng)的槍相比，聲音小、故障少、安裝的子彈多，可以連續(xù)高速地射出子彈，從而可以釋放出巨大的火力對目標(biāo)造成極大破壞。而Spinlaunch公司誕生自2015年，目的是研制一款“基于動能的發(fā)射系統(tǒng)”，能利用地面上的一個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)把載有小型有效載荷的化學(xué)火箭加速到高超聲速，火箭隨后將會點火工作，把有效載荷送入軌道。

從早前發(fā)布的效果圖和其他資料上看，該公司計劃打算建造一臺巨大的離心機，離心機的中間有一條長達數(shù)十米的旋臂，旋臂的一端固定將要發(fā)射的航天器，當(dāng)旋臂在離心機中逐步加速，航天器的切線速度將超過聲速，而在其速度超過23馬赫時與旋臂脫離，使其從一個發(fā)射口射出去，從而飛向太空。

在此次試驗中，“拋射體”并沒有真正入軌，而是被推進到數(shù)萬英尺的高度。公司負責(zé)人表示，首次發(fā)射試驗中使用的亞軌道加速器是最終版本的三分之一，高約91米。使用的亞軌道拋射體長約3米，加速到“每小時數(shù)千英里”，僅使用了20%的加速器功率容量。此次亞軌道加速器測試，主要驗證空氣動力學(xué)和釋放機制方面的基本概念。未來該公司計劃在“拋射體”內(nèi)增加一個火箭發(fā)動機，在發(fā)射后“拋射體”將在無動力的情況下滑行大約1分鐘，然后在大約60千米的高度點燃發(fā)動機，以幫助其順利進入軌道。

▲ SpinLaunch公司計劃建造的直徑達100米的巨型離心機，旨在將200千克重的載荷送入軌道

該公司稱，“螺旋發(fā)射”顛覆了傳統(tǒng)火箭發(fā)射方式，動能發(fā)射的衛(wèi)星無需火箭就可以離開大氣層，因此航天器入軌對于火箭的依賴將會降低。“螺旋發(fā)射”概念將有望在未來實現(xiàn)發(fā)射衛(wèi)星群和空間有效載荷的零排放。目前，該公司已經(jīng)完成了大約90%的與全尺寸系統(tǒng)相關(guān)的風(fēng)險降低研究，正在加速完成設(shè)計。一旦軌道飛行器準備就緒，該公司將尋找一個合適的沿海太空發(fā)射基地，計劃在未來6～8個月內(nèi)進行約30次亞軌道試飛。

有分析指出，雖然這種投射系統(tǒng)的能力有限，很難將更大的有效載荷送入軌道，但是加速器驅(qū)動帶來的速度提升導(dǎo)致進入軌道所需的燃料減少了80%，成本降低了90%，因此可以將大量小衛(wèi)星快速送入太空。據(jù)該公司估計，離心機能一天發(fā)射5次，每次的發(fā)射成本僅有50萬美元。鑒于該發(fā)射理念的潛力，美國防創(chuàng)新部門已于2019年與該公司簽署了一份合同以支持項目發(fā)展，而未來該技術(shù)一旦成熟，美國太空軍和導(dǎo)彈防御局對于這種發(fā)射的需求顯然是不可低估的。

大炮旅行 早已有之

▲ 巨型離心機所發(fā)射“火箭”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式中，火炮發(fā)射也是重要的手段之一。其實通過火炮進行太空旅行的想法早已有之，如在法國作家儒勒·凡爾納創(chuàng)作的長篇科幻小說《從地球到月球》中，3位冒險家就乘坐空心炮彈被大炮射向月球。但后來證明人體無法承受火炮發(fā)射一瞬間巨大的加速度，所以逐漸加速的火箭才大行其道。

“炮射入軌”再次被提起，是在上世紀60年代。美國的吉拉德·布爾博士在加勒比海的巴巴多斯島建造了一門大炮，以試驗?zāi)芊裼闷浒l(fā)射衛(wèi)星。這門大炮由美國海軍的兩門16英寸戰(zhàn)列艦主炮頭尾對焊制造而成，長達36米，而且為了增加射程還設(shè)計了專用的火箭助推增程彈丸。在實驗中，大炮成功將一顆 90千克重的炮彈發(fā)射到180千米高的太空，這項世界記錄至今沒有被打破。雖然該項目沒有后續(xù)，但大炮發(fā)射入軌的理論被驗證是可行的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，用電磁炮實施入軌發(fā)射的理論開始流行。電磁炮是利用電磁力發(fā)射高速彈丸的武器，主要由電源、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)、電發(fā)射器等組成。

電磁炮又可分為電磁軌道炮和電磁線圈炮兩種。

▲ Spinlaunch公司的宣傳圖片

▲ 儒勒·凡爾納創(chuàng)作的長篇科幻小說《從地球到月球》

▲ 已經(jīng)廢棄的“巴巴多斯”大炮

電磁軌道炮發(fā)射時，電源產(chǎn)生100萬～200萬安培的強電流脈沖進入炮管尾部軌道，由金屬軌道經(jīng)過已注入炮膛的彈丸后方電樞，再由金屬軌道返回脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，電樞電流與軌道電流形成的強磁場相互作用，產(chǎn)生強大的電磁力，驅(qū)動彈丸沿金屬軌道和絕緣體構(gòu)成的炮管向前加速運動并發(fā)射出去。

電磁線圈炮利用靜止線圈的磁場同被發(fā)射物體線圈中電流的相互作用，產(chǎn)生逐級增大的電磁力推動被發(fā)射物體向前運動，并發(fā)射出去。

據(jù)估算，與常規(guī)武器相比，火炮發(fā)射藥產(chǎn)生每焦耳能量需要10美元，而電磁炮只需0.1美元。電磁發(fā)射具有成本低、操控安全、適應(yīng)性強、能量釋放易于控制、可重復(fù)快速發(fā)射等優(yōu)點，為快速、低成本地向太空投送小衛(wèi)星和物資提供了可行之路。

據(jù)俄羅斯媒體報道，俄羅斯科學(xué)院高溫聯(lián)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(fā)的電磁軌道炮加速器，讓彈丸達到了第一宇宙速度。俄科學(xué)院代表稱，俄羅斯科學(xué)家成功將磁軌炮中的“彈丸”加速至每秒11千米，這樣的速度足以克服地球引力。

非傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)可用作運載火箭的第一級，既能發(fā)射衛(wèi)星，還可以用來發(fā)射洲際彈道導(dǎo)彈等武器。在“螺旋發(fā)射”試驗成功后，就有美媒稱這一概念可以應(yīng)用到超遠程火炮上，以幫助在大氣層內(nèi)遠距離發(fā)射彈頭。未來，非傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)不論在軍用還是民用領(lǐng)域或許都會大有可為。

▲ 英國BAE系統(tǒng)公司為美國海軍研制的電磁炮