為什麼電磁炮不適合用來發射衛星?


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為什麼電磁炮不適合用來發射衛星?

自從1957年前蘇聯發射第一顆人造衛星“東方一號”以來,62年間世界各國向太空發射了數以千計的各類航天器,到目前為止圍繞著地球軌道運行的衛星數量超過2600顆,而這些航天器無一例外都是由火箭發射的。

長征五號發射升空

有沒有一種方便快捷又便宜的發射方式,可以將更多的衛星送上太空,去探索浩瀚宇宙,又能服務於人們的生產和生活呢?許多人為此薅光了頭髮,想破了腦袋。

隨著電磁推進技術的日漸成熟,它越來越快地走入我們的視野。

電磁推進是個好主意

1917年,法國發明家安德烈(一串很長的名字)最早提出電磁大砲的概念,他製作了一個小模型,後來因為一戰放棄了;二戰時,德國人開始對電磁炮感興趣,他們做了更詳細的研究,後來德國戰敗了;1980年開始,美國彈道研究實驗室開始研發電磁炮,其它幾個國家也跟進研究,儘管距離實用化還很遠,但大家都取得了不小的進展。我們國家在電磁炮的研究方面屬於第一梯隊,並且率先將電磁炮安裝到一艘登陸艦上拉去海上打靶。

我們的電磁炮

電磁推進技術在軍事領域的應用還體現在航空母艦上,目前美國已經在福特級航母上安裝了電磁彈射器。我們的電彈航母儘管還沒造出來,但陸地實驗進展很順利。

磁懸浮列車其實用的也是電磁推進,它可以實現600公里以上的時速,未來的前景一片光明。

於是有朋友說,我們可不可以造一個巨大的電磁炮,用它來發射衛星上天呢?如果能用這種便宜又環保的方式取代昂貴的運載火箭,豈不美哉!

電磁炮發射試驗

電磁炮真能將衛星送上天嗎?有哪些障礙需要克服?

你別說,用電磁炮發射衛星,麻煩還真不少。

麻煩一:不可承受的過載

一個物體從靜止達到一定的速度,它速度相對於時間的變化率就是加速度。物體都是有質量的,加速度的值越大,施加在物體上的慣性力就越大。一般來說,我們用地球上的重力加速度(g = 9.8m/s?)來衡量加速度的大小,如果你的速度變化率為19.6m/s?,我們就說你承受了2個g的過載。

人體能承受的加速度是有限的,當達到4個g時,許多人都受不了了;一個經過嚴格訓練的飛行員可以承受9~10個g過載,當然這是短時間的加速。

飛行員時常要承受幾個g的過載

同樣的,電子產品是由許多電子元器件組成,它們能承受更高一些的過載,但這同樣也有一個極限。如果你把一台電子設備放到高速離心機裡甩一甩,它可能會散架,更別說昂貴又嬌氣的人造衛星了。

電磁炮的加速度能達到多大呢?我們來舉個例子計算一下:

假設我們建設一條4千米長的電磁彈射軌道,為方便計算它是水平的;地球表面的逃逸速度約為7.9km/s,在不考慮空氣阻力的情況下我們至少需要將衛星均勻加速到8000m /s。衛星在加速的過程中將承受多少個g過載?

加速度計算涉及兩個公式:

s = (1/2)at?

v = 在

公式中t為時間,a為加速度,t為時間,s為距離,v是末速度(假設初速度為0)。

已知末速度v = 8000m/s,距離s = 4000m。

衛星在軌道上加速的時間t = 2s/v = 2 × 4000 ÷ 8000 = 1 (s)

衛星在軌道上平均加速度a = v/t = 8000 ÷ 1 = 8000 (m/s?)

也就是說衛星需要承受約900個g的過載!

實際上,為了發射衛星我們建設的軌道需要是垂直或傾斜的,這意味著軌道更短,為了克服空氣阻力的影響我們需要讓衛星的速度更快,衛星需要克服的過載要大得多。

衛星是一種嬌貴的電子設備

沒有一顆衛星能做到。

麻煩二:強大的摩擦力

電磁砲彈在軌道上運行,它需要與導軌緊密接觸,這樣電流才能順利通過進而形成迴路。當彈丸高速運動時,它與軌道間會形成非常大的摩擦力,摩擦力會產生熱量,熱量會傳遞給電磁軌道和彈丸本身。

因此,即便電磁炮在發射的過程中沒有火藥的參與,我們也能在電磁砲彈出膛的瞬間看到巨大的火光,這就是彈丸與軌道劇烈摩擦的結果。

劇烈摩擦導致電磁砲彈出膛時火光沖天

如果我們用電磁軌道推動衛星,它同樣要承受強大的摩擦力和由此帶來的高溫。而當衛星離開軌道飛行時,由於空氣阻力帶來的摩擦力也會產生極高的溫度,因此我們看到射出來的不是衛星,而是一團極明亮的火球,衛星將很快在幾千攝氏度的高溫中焚毀。

即便是我們發射一顆鐵疙瘩,由於空氣阻力的存在,它實際上也飛不了多遠。理論上電磁砲彈能擊中數百公里外的目標,但到目前為止美國的電磁炮試驗最大射程只有十幾公里,因為空氣阻力的大小與砲彈速度的平方成反比,你的速度越快,空氣阻力越大。

麻煩三:電磁場的破壞

要想將衛星發射上天,我們的電磁軌道需要在1秒鐘甚至更短的時間內消耗極大的電能,其瞬時用電量與一個中等規模城市相當。

電磁力產生強大電磁場

如此強大的電流將從包裹衛星的護套上流過,它一方面會產生熱,同時也會產生極高的電磁場。這個電磁場會毀壞衛星中的所有電子設備,使它變成一堆焦黑的電子垃圾。

總結

經過上面的分析,我們可以得出結論:儘管用電磁炮發射衛星的想法看起來很美好,但從科學的角度來分析,我們還面臨許多無法解決的問題。

衛星在電磁軌道上不僅要承受極高的過載,還要面對極高溫度、極強的電磁輻射,在可以預見的未來這些問題都難以克服。

儘管用火箭發射衛星很貴,偶爾還會因一些小故障星箭俱毀,但它確實是一種最安全最可靠的方式。

電磁炮發衛星?還是別去想了吧!