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不为人熟知的火箭知识
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你可能喜欢人类的哪些科技已经接近瓶颈，很久没有重大突破了？ - 知乎<strong class="NumberBoard-itemValue" title="1被浏览<strong class="NumberBoard-itemValue" title=",363,799分享邀请回答2.2K333 条评论分享收藏感谢收起259125 条评论分享收藏感谢收起中国将在4年内，建成地面弹射火箭卫星上天的电磁发射系统
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　　　　侯知健军事点评 第04期　　根据《国防科技工业》中航天科工集团文章的披露；他们将在2020年完成地面大型电磁弹射系统的演示系统建设和原理验证试验，整套系统的最终目标是从地面发射火箭，携带卫星等载荷进入太空轨道。　　针对这个新闻，可以提出几个方面的问题：电磁弹射火箭上天在原理和工程技术上是否可行？将来电磁弹射火箭能取代今天化学能火箭的主流地位？　　　　图：电磁弹射飞机不仅应用在航母上，目前也有将其扩大到民用商业飞机的起降上的深入研究　　第一个问题的答案是，电磁弹射的原理是相通的，而且理论上的发射重量和体积适应能力极好，从直径几毫米的小球，到几百吨的大型火箭，都可以采用电磁弹射原理进行加速。所以在原理上，运用电磁弹射，对火箭进行加速，让它获得一个非常大的向上的飞行速度是没有问题的。　　　　图：国外艺术家假想的圆形电磁轨道发射航天器图像——但实际上这么做是不行的。越到轨道末端，速度越高，运动方向改变导致的过载就越大。这种曲率均匀的环轨、特别是最末端的上翘，要进行航天发射级别的加速，唯一的结局就是火箭折断爆炸，轨道全部损毁。　　但是在实现的工程技术上，只能说在限定任务用途和环境条件的情况下，电磁弹射火箭才能做出来。比如以目前来说，载人航天使用电磁弹射就是不可行的——因为人的身体结构很脆弱，不能耐受过于急剧的加速。和化学能火箭有巨大的高度进行持续和缓的加速不同，电磁火箭要在有限长度的轨道上完成特别大的末端速度，这个加速度远超人类生理的极限承受能力。　　　　图：人体不能承受长时间的高倍重力加速，这是制约电磁加速进行载人航天发射的最大问题　　在现代战斗机上，一般说优秀的战斗机飞行员可以在沿着脊椎、从头到屁股的方向上，耐受9倍重力的加速度；但这个时间是很有限的，视辅助的装备和训练水平，绝大多数都在10-15秒之间。而在火箭上的初段加速时间比较长，目前航天理论中，出现长时间加速的情况下，加速需要控制在3倍重力左右。　　　　图：迫击炮出膛　　因此在电磁发射火箭的时候，如果是发射不带人的任务载荷；通过加大火箭和卫星的结构强度、刚度，使之更加难以变形和破坏，耐加速冲击的能力只需要达到接近迫击炮弹发射的水平，那么就能在5公里轨道内完成从静止到第一宇宙速度的加速。　　以人类现有的能力来说，将整个火箭/卫星加固到这个地步，非常困难，代价非常大，但还是能做到；不过如果是要带人的话，就要造足足1000公里的加速轨道，这是完全不可行的。　　当然在电磁火箭发射的前期，可以不用、也不会做到这么猛的地步；只要能打到比较高的高空，然后再点火入轨，节省掉第一级火箭和助推器的费用就好；但是即便这样，人体耐受能力对轨道的长度要求依旧是不可接受的。　　第二个问题的答案，未来或许有其它原理的火箭能取代今天的化学能火箭地位；但是电磁火箭则不可能成为全世界范围内的主流形式，而且这还不是因为技术水平的原因。除了不能执行载人航天发射任务以外，它对于发射场地的要求太高了，而且带来的附加成本也极高。　　　　图：美国航天局假想的月球电磁发射基地　　发射场地的要求差异，依旧出现在加速方式的差异上。地球的低空和高空，空气密度差异非常大；到2.5公里高度左右，空气密度已经只有海平面的1/40；而空气密度导致的飞行阻力、高压、急剧的气动摩擦发热，最严重的也都在低空区域。这也是为什么三四代战斗机在二十公里高度附近，飞行速度可以达到公里/小时，而到了低空就只能飞到1400公里/小时左右——哪怕是动力还够都不行，再快飞机都要解体。　　　　图：地面电磁加速飞行器的想法也有，主要用于节省助推火箭，使冲压发动机的飞行器能在地面就达到发动机启动所需要的速度　　而对于电磁火箭来说——工程技术极限和成本控制，都要求它必须把整个轨道控制在数公里长度内。因此实用化的电磁航天发射系统——而不是现在的原理演示和技术验证系统，是一定要建立在海拔尽可能高的地区的。　　因此目前看来，唯一可行的方法就是将轨道的出口设置在高海拔的高山顶峰处，尽可能减小轨道末端的空气密度，削弱空气阻力。对于那些境内就没有这样地形条件基础的国家，电磁发射火箭是完全不具备实际操作性的发展方向。　　另一方面，要在高海拔高山地区，建立起挖空山体填平山谷的庞大电磁发射系统——特别是数公里长极高精度的垂直高速轨道，需要极高的成本——实际上光是每次把火箭和卫星运到高海拔地区，都要花不少钱。　　因此虽然电磁发射理论上的单次发射成本远远低于化学能火箭，但是前期的投入代价极其巨大。特别是超导磁场和超导电流技术、电磁发射超长轨道等方面还存在大量的现阶段水平限制——不止是中国，而是整个人类的科技水平。　　　　图：化学能火箭的主流地位目前看无法被电磁火箭取代　　这样的工程有很多地方都存在巨大的技术空白区域和瓶颈区域；要达到成熟可用的地步，目前没有人能说得清还要花多少钱和时间。而即使是电磁发射系统本身的研制能以100%的效率推进，如果没有稳定而数量非常巨大的卫星发射需求，则最终电磁火箭发射工程不能省钱一样会成为烧钱无底洞的可能性极高。　　但是不论如何，一类技术可以因为经济成本等方面的问题选择不推广应用，但一个大国也必须拥有相关的储备力量；在现在的原理演示和技术验证阶段，中国进行航天器电磁弹射的尝试是绝对值得支持的。
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