能取代火箭发射?电磁弹射向太空发射有人宇宙飞船,行得通吗?

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  近些年电磁弹射火爆起来,人们在使用化学能发射千百年以来,首次掌握了另外一种发射方法,值得庆贺,但幻想广泛用电磁弹射取代火箭发射,向太空发射有人宇宙飞船,行得通吗?

  两个基本的地球现状和物理规律就足以决定其可行性。首先,我们看一个飞机的包线图

  

  飞行包线图

  这种包线图的纵轴是高度(单位是英尺),而横轴是速度,也就是马赫数。

  我们会发现,不管什么战斗机,其最大速度是2马赫还是2.5马赫还是更高,其在纵轴靠下的区域,飞机的最大速度都会降低到1.2马赫左右,很难再高多少,而事实上战斗机的试飞在低空区域都会面对最大气压对战斗机的严峻考验。如同 你站在快速行驶的车上感受到的空气压力一样,战斗机速度快到空气压力大于机体极限过载值时,就得散架。

  因为地球的大气是越靠近地表越稠密,越高空越稀薄,到了距离地表2、30公里大气层就只剩下地表大气的百分之一左右,所以那些战斗机的最大马赫数都是在高空飞出来的,到了低空必然因为受限于大气压力而只是勉强超过1马赫。

  

  电磁弹射试验

  而如果是电磁加速火箭呢?如果你想靠这个替代掉第一级火箭,那么就意味着当火箭和载荷从电磁发射装置飞出的一瞬间,就是第一级火箭能达到的最大速度,比如猎鹰9火箭的第一级就要达到约6马赫。

  那么以战斗机的机体强度才能勉强应对的1马赫左右的低空,你把一枚庞大脆弱的火箭第二级、整流罩及其内的精密卫星以6马赫的速度拍入稠密的大气层,会发生什么呢? 自然是粉身碎骨渣都不剩。很显然不要说6马赫,5马赫, 哪怕是战斗机可以承受的1马赫速度下造成的大气压力,你让运载火箭和卫星去承受都是不现实的。

  

  猎鹰9火箭回收

  其次一个问题,过载,我们知道火箭发射的重要载荷,如各种卫星,都是十分精密脆弱的设备,无法承受过大的发射过载。甚至我们所熟知的运载火箭都会尽量避免过大的推重比,因为高推重比对于卫星飞船的设计会提出过高的要求,大幅度增加成本,至于载人发射更是要避免高过载。

  所以火箭的发射是一个持续时间很长的加速过程,在这个过程中火箭要飞行到近200公里的高度,并飞出上千公里。而如果试图用电磁弹射装置来加速,这个装置得多长?长度越短则加速度越高, 我们知道电磁炮的炮弹在加装制导装置时,需要抗上万个G的加速度, 而像要发射卫星,这个过载恐怕要降低到个位数。

  当然,上述都只是很理论的探讨,

  现代卫星,功能强大一些的都个头不小,大型一些的有一个公交车那么大,发射它们的火箭哪怕只有第二级,整体体积如何塞入一个以百十公里级计的巨大装置? 总体来说,就是一个需要很多个梦支撑的梦想。

  

  未来的电磁弹射

  有些人可能会说我不需要加速那么多,不替代第一级火箭,我只加速到零点几马赫,行不?

  虽然难度确实降低了, 但这样的意义何在? 运载火箭需要的是把载荷发射到200公里以上并加速到20几马赫, 你就在地表提供了一点点速度,有什么意思呢? 连空射火箭的想法都不如。

  因此不要动辄就跳出来说我们有世界领先技术,可以搞高大上的电磁火箭发射云云,别扯那些没用,稍安勿躁,真正靠谱的低成本火箭发射路数就是马斯克的那套垂直发射和回收。在大气层之外的空间站好像采用电磁发射还靠谱一些。

  你如果看猎鹰9火箭的发射,会注意到一个MAX-Q时刻,也就是最大大气动压点, 大约是发生在加速到1马赫左右的速度,而此时的高度在9~10千米左右的高空,显然这个高度的大气已经相对稀薄,在这里火箭达到1马赫的速度,承受的动压就是其整个飞行过程中的最大值, 在更低的高度区间其速度还没上来,而再往上飞虽然速度在继续增加,但大气更加稀薄。我们可以想象一下低空达到1马赫,2马赫或更高速度时的强大动压。

  

  猎鹰9火箭的发射的MAX-Q时刻(右上有数据)

  当然,弄出一个大制导炮弹上电磁弹射也是可以的,但是增加的成本也是可观的,电磁发射代替火箭发射本来就是一个成本竞争的产物。而且有人是不行的,人上去只能是执行死刑。把电磁助推当做了超越现在化学火箭发射技术更先进的未来之路,这注定是走不通的歪路,不要再抱幻想了。

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