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为什么电磁炮不适合用来发射卫星?

自从1957年前苏联发射第一颗人造卫星“东方一号”以来,62年间世界各国向太空发射了数以千计的各类航天器,到目前为止围绕着地球轨道运行的卫星数量超过2600颗,而这些航天器无一例外都是由火箭发射的。

长征五号发射升空

有没有一种方便快捷又便宜的发射方式,可以将更多的卫星送上太空,去探索浩瀚宇宙,又能服务于人们的生产和生活呢?许多人为此薅光了头发,想破了脑袋。

随着电磁推进技术的日渐成熟,它越来越快地走入我们的视野。

电磁推进是个好主意

1917年,法国发明家安德烈(一串很长的名字)最早提出电磁大炮的概念,他制作了一个小模型,后来因为一战放弃了;二战时,德国人开始对电磁炮感兴趣,他们做了更详细的研究,后来德国战败了;1980年开始,美国弹道研究实验室开始研发电磁炮,其它几个国家也跟进研究,尽管距离实用化还很远,但大家都取得了不小的进展。我们国家在电磁炮的研究方面属于第一梯队,并且率先将电磁炮安装到一艘登陆舰上拉去海上打靶。

我们的电磁炮

电磁推进技术在军事领域的应用还体现在航空母舰上,目前美国已经在福特级航母上安装了电磁弹射器。我们的电弹航母尽管还没造出来,但陆地实验进展很顺利。

磁悬浮列车其实用的也是电磁推进,它可以实现600公里以上的时速,未来的前景一片光明。

于是有朋友说,我们可不可以造一个巨大的电磁炮,用它来发射卫星上天呢?如果能用这种便宜又环保的方式取代昂贵的运载火箭,岂不美哉!

电磁炮发射试验

电磁炮真能将卫星送上天吗?有哪些障碍需要克服?

你别说,用电磁炮发射卫星,麻烦还真不少。

麻烦一:不可承受的过载

一个物体从静止达到一定的速度,它速度相对于时间的变化率就是加速度。物体都是有质量的,加速度的值越大,施加在物体上的惯性力就越大。一般来说,我们用地球上的重力加速度(g = 9.8m/s?)来衡量加速度的大小,如果你的速度变化率为19.6m/s?,我们就说你承受了2个g的过载。

人体能承受的加速度是有限的,当达到4个g时,许多人都受不了了;一个经过严格训练的飞行员可以承受9~10个g过载,当然这是短时间的加速。

飞行员时常要承受几个g的过载

同样的,电子产品是由许多电子元器件组成,它们能承受更高一些的过载,但这同样也有一个极限。如果你把一台电子设备放到高速离心机里甩一甩,它可能会散架,更别说昂贵又娇气的人造卫星了。

电磁炮的加速度能达到多大呢?我们来举个例子计算一下:

假设我们建设一条4千米长的电磁弹射轨道,为方便计算它是水平的;地球表面的逃逸速度约为7.9km/s,在不考虑空气阻力的情况下我们至少需要将卫星均匀加速到8000m/s。卫星在加速的过程中将承受多少个g过载?

加速度计算涉及两个公式:

s = (1/2)at?

v = at

公式中t为时间,a为加速度,t为时间,s为距离,v是末速度(假设初速度为0)。

已知末速度v = 8000m/s,距离s = 4000m。

卫星在轨道上加速的时间 t = 2s/v = 2 × 4000 ÷ 8000 = 1 (s)

卫星在轨道上平均加速度 a = v/t = 8000 ÷ 1 = 8000 (m/s?)

也就是说卫星需要承受约900个g的过载!

实际上,为了发射卫星我们建设的轨道需要是垂直或倾斜的,这意味着轨道更短,为了克服空气阻力的影响我们需要让卫星的速度更快,卫星需要克服的过载要大得多。

卫星是一种娇贵的电子设备

没有一颗卫星能做到。

麻烦二:强大的摩擦力

电磁炮弹在轨道上运行,它需要与导轨紧密接触,这样电流才能顺利通过进而形成回路。当弹丸高速运动时,它与轨道间会形成非常大的摩擦力,摩擦力会产生热量,热量会传递给电磁轨道和弹丸本身。

因此,即便电磁炮在发射的过程中没有火药的参与,我们也能在电磁炮弹出膛的瞬间看到巨大的火光,这就是弹丸与轨道剧烈摩擦的结果。

剧烈摩擦导致电磁炮弹出膛时火光冲天

如果我们用电磁轨道推动卫星,它同样要承受强大的摩擦力和由此带来的高温。而当卫星离开轨道飞行时,由于空气阻力带来的摩擦力也会产生极高的温度,因此我们看到射出来的不是卫星,而是一团极明亮的火球,卫星将很快在几千摄氏度的高温中焚毁。

即便是我们发射一颗铁疙瘩,由于空气阻力的存在,它实际上也飞不了多远。理论上电磁炮弹能击中数百公里外的目标,但到目前为止美国的电磁炮试验最大射程只有十几公里,因为空气阻力的大小与炮弹速度的平方成反比,你的速度越快,空气阻力越大。

麻烦三:电磁场的破坏

要想将卫星发射上天,我们的电磁轨道需要在1秒钟甚至更短的时间内消耗极大的电能,其瞬时用电量与一个中等规模城市相当。

电磁力产生强大电磁场

如此强大的电流将从包裹卫星的护套上流过,它一方面会产生热,同时也会产生极高的电磁场。这个电磁场会毁坏卫星中的所有电子设备,使它变成一堆焦黑的电子垃圾。

总结

经过上面的分析,我们可以得出结论:尽管用电磁炮发射卫星的想法看起来很美好,但从科学的角度来分析,我们还面临许多无法解决的问题。

卫星在电磁轨道上不仅要承受极高的过载,还要面对极高温度、极强的电磁辐射,在可以预见的未来这些问题都难以克服。

尽管用火箭发射卫星很贵,偶尔还会因一些小故障星箭俱毁,但它确实是一种最安全最可靠的方式。

电磁炮发卫星?还是别去想了吧!