进入太空不一定靠火箭——非传统航天发射技术逐步兴起

　　出品：科普中国

　　作者：兰顺正

　　策划：宋雅娟

　　监制：光明网科普事业部

　　自旋发射公司发布的效果图

　　近日，位于美国加州长滩的自旋发射公司（SpinLaunch）宣布，在由国防创新机构（DIU）安排的一项交易下，它拿到了美国国防部的一份“发射初样合同”。该公司打算在明年初从新墨西哥州美洲航天港进行首批试验飞行，在不用传统发射台的情况下把卫星“抛”往太空。无疑，该消息引发了人们对于非传统航天发射技术的关注。

　　众所周知，自从人类进入航天时代以后，火箭成为了当之无愧的发射主力，其巨大的应用价值获得了世界的公认，各国对各类运载火箭的研发都是不遗余力。但传统火箭发射的长时间准备过程以及巨大的耗资也一直为人所诟病，所以现在“低成本快速入轨”可谓太空产业的潮流之一。这使得各方在对传统火箭发射方式进行改良的同时，也让一些非传统航天发射方式看到了机会。

　　《从地球到月球》插画

　　大炮航天早已有之

　　在非传统航天发射方式中，首先要提的就是火炮发射。其实通过火炮进行太空旅行的想法早已有之，如在法国作家儒勒•凡尔纳创作的长篇科幻小说《从地球到月球》中，三位冒险家就乘坐空心炮弹被大炮射向月球。但后来证明人体无法承受火炮发射一瞬间巨大的加速度，所以能逐渐加速的火箭才大行其道。不过后来“炮射入轨”曾再次被提起。在上世纪60年代，美国的布尔博士在加勒比海的巴巴多斯岛建造了一门大炮，以试验能否用其发射卫星。这门大炮由美国海军的两门16英寸战列舰主炮头尾对焊制造而成的，长达36米，而且为了增加射程还设计了专用的火箭助推增程弹丸。在实验中，大炮成功将一颗 90公斤重的炮弹发射到180 千米高的太空，这项世界记录至今没有被打破。虽然该项目没有后续，但大炮发射入轨的理论被验证是可行的。

美军电磁炮

　　电磁推进更上层楼

　　随着技术的发展，用电磁炮实施入轨发射的理论开始流行。电磁炮是利用电磁力发射高速弹丸的武器。主要由电源、脉冲形成网络、电发射器等组成。电磁炮又可分为电磁轨道炮和电磁线圈炮两种。电磁轨道炮发射时，电源产生100万~200万安培的强电流脉冲进入炮管尾部轨道，由金属轨道经过已注入炮膛的弹丸后方电枢，再由金属轨道返回脉冲形成网络，电枢电流与轨道电流形成的强磁场相互作用，产生强大的电磁力，驱动弹丸沿金属轨道和绝缘体构成的炮管向前加速运动并发射出去。电磁线圈炮利用静止线圈的磁场同被发射物体线圈中电流的相互作用，产生逐级增大的电磁力推动被发射物体向前运动，并发射出去。

　　电磁炮的巨大军事应用潜力使其近年来发展的很快。美国海军2001年开始对电磁导轨跑的可行性进行研究。2005年启动了“电磁导轨炮创新性海军样机”第一阶段，2013年6月第二阶段正式启动，开发可供重复发射的脉冲电源、自动装填系统和热管理系统，2017年完成第二阶段研制工作。2018年8月末，美国披露了自身电磁炮研究的最新进展，据悉其电磁炮实现了身管寿命的关键技术突破，“身管寿命已经做到比常规火炮还好”。由于电磁发射成本低、操控安全、适应性强、能量释放易于控制、可重复快速发射等优点，所以为快速、低成本地向太空投送小卫星和物资提供了可行之路。

　　离心链球甩入太空

　　而在非传统航天发射方式中，还有一种“离心发射”——就是采用类似于离心机的装置将被发射的物体加速后“扔”出去，如同链球一般。该发射理念已经被美国军火研制专家、领袖推力系统公司的查理斯•圣乔治应用在其发明的新式武器“恐怖者”（DREAD）中。按照设想，钢珠存放在一排排的狭窄枪膛里，在中间枪膛里经过强力旋转达到极高的速度后从枪膛里射出。此次文章开头提到的自旋发射公司，应该使用的就是“离心发射”方式，据称其正在研制一款“基于动能的发射系统”，能利用地面上的一个旋转系统把载有小型有效载荷的化学火箭加速到高超音速，火箭随后将会点火工作，把有效载荷送入轨道。从该公司同时发布的效果图上看，火箭被安装在看似一台离心机的旋臂上。

　　综上，非传统发射技术可用作运载火箭的第一级，既能发射卫星，还可以用来发射洲际弹道导弹等武器，这不但降低了发射成本，而且减少了复杂性，缩短了发射进程，因此未来不论在军用还是民用领域都会大有可为。