航天发射技术的“明日之箭”
[ 编辑:桑科资讯 | 时间:2019-11-11 18:43:38 | 浏览:2062次 ]

还记得法国作家儒勒·凡尔纳长篇科幻小说《从地球到月球》中著名的实验吗?三名战士去月球探险。他们乘坐一枚由枪发射的空心炸弹飞入太空,在太空中看到了许多壮观的景象。虽然后来证实,人类无法承受火炮发射时瞬间产生的巨大加速度,但“火炮入轨”的“非传统入轨”方法为空间发射技术进步提供了想象空间。

非传统的空间发射方法不同于其他火箭发射的空间发射技术,目前主要包括火炮发射、电磁发射、离心发射等。由于其低成本和快速入轨的显著优势,它将取代传统的航天发射方式,对未来人类航天事业产生革命性的影响。

非传统空间发射模式“更加经济”

用火箭发射一颗卫星要花多少钱?

不同的火箭有不同的价格。欧洲的“外星5号”运载火箭每次发射成本约为1.65亿美元,每公斤10,313美元。美国德尔塔iv中型火箭每次发射的平均成本为1.64亿美元。俄罗斯的主要运载火箭联盟-fg每次发射成本约为5000万美元,每公斤7,246美元……不难发现,尽管运载火箭已经成为发射人造地球卫星的常见方式,但每次发射的成本仍然极高。

因此,如果各国想要实现发展并在空间技术领域占有一席之地,成本是必须考虑的一个因素。换句话说,谁能更快掌握低成本卫星发射技术,谁就能在空间技术领域处于领先地位,并在国际空间发射市场上获得优势。

与传统的火箭发射空间发射方法相比,以火炮发射和电磁发射为代表的非传统空间发射方法大大降低了成本,在“低成本快速入轨”日益成为航天工业未来发展趋势的今天,具有巨大的发展潜力。

为了节约成本,传统的火箭发射方法已经做出了很大的努力。1995年,美国、俄罗斯、乌克兰和挪威联合发射的“海上发射”项目采用了一种创新的移动式海上发射平台,并使用俄罗斯的“zenith -3sl”火箭执行发射任务。该项目选择海上发射的重要原因之一是,在海上发射时,火箭发射的纬度可以自由选择,而在赤道附近发射卫星时,地球的旋转力可以得到最大限度的利用,卫星的飞行速度和火箭运载能力可以得到提高,卫星的使用寿命可以延长,卫星运行和火箭发射成本可以大大降低。

然而,与火炮发射等非传统空间发射方式相比,选择海上发射的成本仍然很高。

20世纪60年代,用于测试“将卫星送入轨道”的harp项目开始启动。毕生致力于新型火炮和弹药设计的加拿大炮兵科学家吉拉德·伯尔(girard burr)来到加勒比海的巴巴多斯岛,开始了“太空火炮”的研发。他试图用火炮直接发射卫星,这不仅可以大大降低成本,而且可以在战争期间用这种技术向更远的地方发射炮弹,从而一举两得。虽然布尔死后,“火炮发射卫星”的研究计划被搁置,但它的火炮发射入轨理论被证明是可行的。

电磁发射卫星也为节约成本提供了新思路。据估计,与常规武器相比,发射药每焦耳能量需要10美元,电磁炮只需要0.1美元。电磁炮是由电磁发射技术制成的先进动能杀伤武器。与传统加农炮不同,传统加农炮向射弹施加火药和气体压力,电磁炮使用电磁系统中电磁场产生的安培力来加速金属射弹,从而获得打击目标所需的动能。电磁发射成本低,控制安全,适应性强,易于控制能量释放,可重复快速发射。一些专家说,电磁发射有许多优点,可以为快速和低成本地将小型卫星和材料送入太空提供新思路。

点燃非传统航天发射的“火花”

几十年来,有远见的人一直在寻找进入太空的方法。不仅依靠火箭的力量,在探索非传统的空间发射技术时,各种发射方法也开始出现。

巴巴多斯巨炮是最早的做法。为实施高空飞行研究计划而制造的加拿大巴巴多斯巨炮是人类历史上射程最远的火炮。它是由两根406毫米的枪管焊接而成,最后形成一把36米长的超大枪。这种枪不是普通的射弹,而是一种叫做“无脚鸟”的特殊射弹,配有火箭辅助射程延长装置。当巴巴多斯巨炮发射时,它可以以每秒2100米的初始速度将重约100公斤的物体送入180公里的空间。如果用传统的炮弹发射炮弹,射程可达4000公里,相当于中程弹道导弹的射程。如果火箭增加了一枚增程射弹,它还可以将214公斤的物体送入250公里的空间,这已经超过了卫星轨道的最低高度。高空飞行研究计划的最终目标是研制一种三级火箭推进火炮运载火箭,以真正实现“火炮发射卫星”。

另一种发射方法是空对地发射。其高科技私人航天发射公司envisager计划使用一架超大型飞机作为火箭发射平台,其翼展为117米,飞行高度为数万米。这架飞机的功能类似于航天飞机。它可以把一枚小火箭带到高空,然后发射到空中,而不是像普通火箭一样发射到地面。公司创始人艾伦告诉《连线》杂志:“当你看到那架巨型飞机时,你会觉得有点疯狂。除非你是认真的,否则你不会建造它。因为你不仅想看到飞机飞入天空,还想看到它完成将太空工具送入轨道的任务。”

还有一个非传统的空间发射项目,称为“架空发射管”。项目发起人詹姆斯·鲍威尔早在20世纪60年代就进行了相关研究。作为超导磁悬浮领域的早期研究人员之一,他主张建立一条足够长的真空管道,其开口与天空对齐,利用超导磁悬浮的能量像炮弹一样向太空发射火箭。他设想建立两条磁悬浮真空管道,一条用于运送人员,另一条用于运送货物。该管道预计每年运输10万吨货物,其容量将是火箭的几倍。一旦这个想法实现,人类将很容易把材料送入太空。

不可否认的是,一些非传统的空间发射技术仍处于技术构思阶段,普遍存在一些困难,例如发射器的寿命、发射载荷的抗过载以及技术的其他方面急需解决。然而,这并不妨碍这些发射方法成为这一领域的“火花”,吸引更多人探索非传统的空间发射技术。

“明日之箭”展现了广阔的发展前景。

在挑战者号和哥伦比亚号两次重大空难后,美国航天飞机时代随着亚特兰蒂斯号航天飞机在2011年的最后一次飞行而结束。然而,美国不遗余力地尝试其他太空发射。

今年6月,加州长滩的自旋发射公司(Spin Launch Company)宣布,在国防创新署安排的一项交易中,它收到了美国国防部的“初步发射合同。该公司计划明年初从新墨西哥州的美国太空港进行首次试飞,在不使用传统发射台的情况下将卫星“发射”到太空。这一消息很快引起了人们对非传统航天发射技术的关注。

这是一种非传统空间发射方法中的“离心发射”——一种类似离心机的装置被用来在加速后像锤子一样将发射的物体“抛出”。该公司的目标是开发一个低成本的发射系统。目前正在开发的“基于动能的发射系统”可以利用地面上的旋转系统将携带小载荷的化学火箭加速到高超音速。然后安装在看似离心机旋转臂上的火箭将点燃,有效载荷将被送入轨道。

自旋发射公司(Spin Launch Company)表示,在明年完成一系列试飞后,他们打算在2022年开始商业发射业务。该公司还表示,他们可以以最低的成本提供高频专用发射。这将真正成为新兴商业空间产业的一个极具破坏性的驱动因素,预计将引发市场对低地球轨道星座的需求急剧增加,低地球轨道星座由廉价的小型卫星网络建造,用于灾害监测、天气、侦察、通信和其他服务。

自旋发射公司率先大胆尝试商业应用,但许多人也质疑非传统空间发射技术的应用。主要原因是尽管发射范围足够大,但卫星不能通过光发射到天空,进入轨道需要更高的加速度。针对这一问题,俄罗斯率先进行了实验。据俄罗斯报纸《视点》报道,俄罗斯科学院高温联合研究所的工程师们于2016年7月12日首次在莫斯科郊区测试了自主研发的轨道炮加速器,使射弹达到了第一宇宙速度。俄罗斯科学院的代表说,俄罗斯科学家成功地将磁轨炮中的“抛射体”加速到11公里/秒,这个速度足以克服地球引力。

一般来说,暂时的困难不会降低人们对非传统空间发射的热情。非传统空间发射技术具有广阔的发展前景,将成为空间发射的主力军。

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