存在廉价发射方式之电磁炮(组图) |
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| http://www.sina.com.cn 2004年09月21日 17:36 解放军出版社 | |
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电磁炮原理示意图 点击此处查看全部科技图片 用电磁炮发射宇宙飞船的设想图 点击此处查看全部科技图片 空天飞机耗资巨大，而且是首先为了军事目的开发的，“太空电梯”则连材料问题都还没有完全解决，其它如模仿飞碟之类根本连原理都不清楚的设想就更没希望了，难道在现有技术框架内真的找不到廉价的太空发射手段吗？答案是否定的。其实多年前人们就已能在实验室里把宏观物体加速到第一宇宙速度以上，他们靠的是大炮，但不是儒勒·凡尔纳的“巴尔的摩大炮”，而是另外一种新式武器——电磁炮。 电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。正是根据这一定律人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，或者说，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。 那么如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，使它获得前进的动力呢？一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。在1980年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。它把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千米。如果是在真空中，这个速度还可提高到每秒8~10千米，这已经超过了第一宇宙速度，具备了作为一种新型航天发射装置的理论资格。 将这一理论上的可能变为实际，还需要解决以下几个问题：首先，那台实验电磁炮的加速度太大，人无法承受。这个问题只有一个解决方法，那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3 倍重力加速度的长时间加速，满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算，为达到第一宇宙速度，约需1000千米！)在技术上难以实现，看来我们暂时只能考虑专作货运发射的了，这样在加速度方面的要求就可大大放宽。 第二，如果把电磁炮水平安装在地面上，飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速，难以顺利达到环绕地球轨道，为此，用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅，海拔8848米的珠穆朗玛峰自然是首选地点，当然旅游业和环保组织肯定会反对，如何同他们交涉，就看宇航局的实力和有关人员的口才了。 第三，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度，约-269°C)才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，但作为固定使用的航天发射装置，基本上可以不必考虑这些，而且如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。 关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关，因为在磁场不够强的情况下，要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要，因为作为武器的电磁炮得严格限制长度，而作为发射工具，几千米甚至十几千米的炮身并不算问题，只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。
此外，延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算，用5 千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了，可人显然还是无法忍受，而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造，因此用电磁炮发射人的想法还是放弃算了。 最后，有人觉得建造公里级长度，配备强磁场的加速轨道可能会有技术困难，但这只是不了解人类现有技术水平的臆测，实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米，甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了对环道施工的精度要求极高外，各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。换句话说，在建造宇宙电磁炮的基本技术方面，人们早已充分掌握了，仅仅是所用领域不同而已。真正的困难倒是，从来没谁把超级加速器放在高寒山区，而且青藏高原的交通条件目前也不大好，但这个投资大可从别处募集，无须开在宇航局的账上。 至于电磁炮的发射成本，如果不考虑产生强磁场的低温液体费用，仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已，日常维护成本也大概和同长度的高速地铁相仿，最多开口处一小段需要要配备专职扫雪人员，要么加个活动盖子，也就都解决了。 |
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