炮射卫星的传奇和未来

　　近日一则我国科技人员正在研发用电磁炮发射卫星的消息引起了大家的注意，这是什么样的黑科技？
　　这则消息来自于2016年10月号的《国防科技工业》中国航天科工集团副总经理刘石泉撰写的文章。这篇文章除了提到已经发射过的“快舟”和“开拓”系列固体燃料轻型运载火箭发射系统，还披露了“平流层飞艇”——巧舟和用“地面大型电磁弹射系统”发射的“电推火箭”——羽舟和“液体运载火箭”——轻舟。先不管“轻舟”这个名称会让已经用Skiff命名了俄罗斯新一代潜射液体弹道导弹R-29RMU的外国友人如何抓狂，这“电磁弹射”+“火箭”确实有点让人科幻了一把。
　　其实“电磁弹射系统”≈航母电磁弹射器≈磁浮列车≈电磁轨道炮。它们的原理是一样的，都是把电能转换成动能的简单装置，只不过加速的物体不一样，速度也有高低。说它们“简单”，是因为原理用中学物理电学就能解释清楚，一张图示。

　　当然，工程实现起来难度各种大。
　　早在人们认识电磁能之前，很多人已经开始幻想轰一炮把东西打上天了。这个“上天”是真正的上天，也就是起码进入地球轨道，不再掉下来。牛顿是研究“上天”的祖师爷，他著名的思想实验“牛顿大炮”就简单推算了第一宇宙速度。

这张出现在《自然哲学的数学原理》中的插图随着旅行者号已经飞到太阳系边缘了

　　牛顿那个时代的枪炮技术离着打炮上天还远着呢，所以只是思想实验。两百多年后，工业革命催生了坚船利炮，儒勒凡尔纳和乔治梅里埃们就可以放胆描述细节了。有趣的是，不管是凡尔纳的《从地球到月球》还是梅里埃的《月球之旅》，里面的有些细节还是很经得起推敲的。

凡尔纳大炮发射

梅里埃的月球大炮

　　差不多同时代的人类宇航事业奠基人之一——火箭之父俄国人齐奥尔科夫斯基验算过凡尔纳大炮之后认为那东西不可能实现。因为要在炮管内加速到可以逃逸地球引力的速度，炮弹，也就是宇宙飞船要承受几万g的加速度，别说是任何大型生物会瞬间被“炮决”，当时能制造出来的控制装置也架不住这一轰。齐奥尔科夫斯基用多级火箭逐渐加速宇宙飞行器的设想最终变成现实，让人类离开了地球家园。然而多级火箭也有自己的问题，它们过于复杂，可靠性不佳。而且为了最终把那点载荷接力推快，需要牺牲掉太多的能量。导致现在的航天发射的成本还是高的离谱。即便是现在大家都努力制造更可重复使用的火箭什么的，本质上还是没法解决原理上的障碍。而且又增加了系统的复杂性，可靠性更差了。
　　要是能干净利索的来一炮，那该多好。上世纪60年代的航天大跃进时期，有个疯子天才真这么干过。这个人就是杰拉德布尔（Gerald Bull）。1928年，杰拉德出生在加拿大安大略，他是爹妈的第九个孩子，第二年还将迎来第十个。杰拉德的母亲在他3岁的时候病逝，父亲遭受丧妻和大萧条的双重打击，开始酗酒。后来再婚，并抛弃了所有的孩子。杰拉德先是跟大姐生活，其后又被小舅一家收养。他的性格敏感乖张，但却非常聪慧。从教会学校毕业后，他进入多伦多大学，研究当时非常时髦的“宇航学”，很快成为多伦多大学最年轻的博士毕业生。
　　1961年，他被聘为加拿大麦吉尔大学（McGill)工程学教授，三年后成为该校宇宙研究所所长。在麦吉尔大学期间，他潜心研究“一炮入轨”，这个研究得到了加拿大军方和美国军方的资助。美国军方给他提供了实验材料——406毫米口径的Mk7型加农炮，就是装在衣阿华级战列舰上的那种巨炮，当时人类制造的威力最大的身管武器之一。

Mk7的怒吼，BB61艾奥瓦号的这张照片是大炮巨舰时代的晚钟

　　只需要轰的一声，它就可以把1225千克重的高爆弹头加速到每秒762米，炮口动能高达412兆焦耳。当然，每秒762米离着每秒7900米的第一宇宙速度还差得远。为了提高炮弹的速度，布尔一方面大幅度降低了炮弹的重量，他用了“次口径”方案，细长的弹丸用轻质材料制作的弹托裹住，这样既可以“享受”到大口径带来的大动能，又提高了速度。这一系列炮弹，或者说亚轨道飞行器，被命名为Martlet，传说中的无足鸟，其实是人们对雨燕一类鸟的错误观察，它们的小脚确实不太显眼。另外，Martlet是麦吉尔大学校徽上的吉祥物。

加拿大麦吉尔大学的校徽

Martlet弹丸的实物

　　第二处改进则更引人瞩目，看上面的图，气势磅礴的巨炮齐射，轰天的炮口火焰看上去煞是骇人。然而这巨大的炮口焰也说明了另外一个问题，那就是火药爆炸产生的高温高压气体并没有完全膨胀，并把能量传递给弹丸，很大一部分浪费掉了。如何减少浪费，最简单的做法就是——延——长——炮——管。让弹丸有足够的距离吃干净火药产生的能量。布尔的做法简单粗暴，那就是把两根Mk7的20米长的炮管焊在一起。

HARP大炮的现状，拍摄时间不详

　　第三处改进是每次发射前将炮管内吸真空，减少空气对内弹道的影响。

　　这一系列实验的代号是HARP（High>

向大西洋开火的巴巴多斯大炮

　　1966年，HARP计划最后版本的炮和弹来到了第三个试验场——美国亚利桑那州的尤马（Yuma）靶场，在这里，布尔把180千克重的炮弹打出了2100米/秒的高超音速，最大射高180千米，已经远高于100千米的卡门线，进入了外太空。当然，它还不是轨道飞行器，还会掉落回地面。

尤马时期的布尔大炮

　　就在这个实验之后不久，美加两国停止了对项目的资助，原因是已经踏进越战泥潭的美国军方看不到与当时蒸蒸日上的火箭相比，这种玩意的实际意义在哪里。另外，据说布尔阴晴不定的性格也让金主们很头疼。奇怪的是，这个被取消的项目被布尔成立的私人公司“太空研究所”继承了下来。
　　布尔的目标很明确，就是要炮打卫星一发入魂。
　　但是，没钱。
　　他这样的人不愁没钱。只需要把对准太空的炮口对准人类就行了。布尔研发了一款45倍径（身管长度和口径的比值）的155毫米加榴炮-GC45，这款火炮的内外弹道设计极其出色，引发了全球范围内的155毫米火炮换代大潮。而这款火炮的合作方包括：中国、伊朗、伊拉克、以色列、南非。你不必是国际问题专家就能感觉出来，这个人，在作死。不管你们有什么恩怨，给钱我就干。

科威特阅兵式上的中国造PLZ-45自行加榴炮，炮是布尔的作品

　　上世纪70、80年作为世界头号“民间”军火商，布尔在世界各个冲突地区游走，最终找到了一个肯支持他梦想的人物——萨达姆侯赛因。当然，萨达姆的志趣可能并不在仰望星空，西方情报机构从伊拉克的农药企业进口高精度大口径无缝钢管开始就盯上了布尔。其中一些钢管的直径甚至达到了1米。它们是“巴比伦大炮”的炮管。巴比伦计划开始于1988年，按照计划，它会分两步走：350毫米直径，46米长的“巴比伦婴儿”和1米直径，146米长的“大巴比伦”。除此之外，布尔还为伊拉克研制弹道导弹的再入弹头。

现存于英国朴茨茅斯皇家兵工博物馆的两截大巴比伦炮管

　　1990年3月20日，62岁的杰拉德布尔在比利时布鲁塞尔家门口被射杀，至今仍是悬案，人们猜测以色列和伊朗的特工应该脱不了干系。紧接着，海湾战争爆发，未完工的巴比伦大炮被联军缴获。理论上如果大巴比伦完工，布尔的梦想就可能实现。

麦吉尔大学期间的布尔（左一）

　　造超级大炮，利用化学能一炮入轨的难度，从布尔的一生坎坷就知道有多难，全世界除了他这个疯子没人再做尝试，除了萨达姆这样的疯子，再也没人支持这种疯狂设想。
　　美国军方在放弃布尔的大炮入轨之后，并未放弃对高边疆的争夺，相反，他们把宝押在了更现实的火箭技术和更具有前瞻性的其他技术手段上。其中之一就是电磁轨道炮。目前美国和英国联合研制的电磁轨道炮已经非常接近于实用。
　　同样原理的航母飞机电磁弹射器也已经装上了美国新一代的福特级航母。

福特级航母的电磁弹射器把一个实验滑车扔进了海里

　　2010年，NASA启动了一个项目，这个项目将结合电磁弹射器、超燃冲压飞行器和传统火箭，大幅度降低航天发射的成本。
　　火箭是自带氧化剂的，但是一次宇航发射中耗能最大的部分恰好是在大气层里，有氧不用纯属浪费。吸气的发动机里传统的涡轮发动机的工作速度太低，到三倍音速差不多就是极限了。而冲压发动机（Ramjet）则不一样，它无需借助涡轮压缩空气，只要自身速度够快，靠迎面空气的自动压缩就可以让进入燃烧室的空气剧烈压缩，使燃烧迅猛。特别是近些年取得突破的超燃冲压发动机解决了冲压发动机在高超音速时的工作难题，它们的理论飞行速度可达十倍音速左右，足以把飞行器加速到非常接近第一宇宙速度。这时候速度和高度都很接近宇宙飞行的目标飞行器再由火箭稍稍加速就可以突破窗户纸。问题是冲压发动机工作需要初始的高速。现在的解决方案是用火箭加速冲压发动机。

一个高超音速超燃冲压飞行器的示意图，我摸过非常类似它的东西，实物

　　本来就是要省掉火箭，现在不得不用火箭，真是纠结。

美国的X-51高超音速飞行器，由后面的火箭助推器把飞行器加速到冲压发动机启动速度

　　不用火箭，用电弹。NASA就是这么想的，先用大型的电磁弹射器把冲压飞行器加速到工作速度（音速两、三倍左右）——冲压飞行器起飞在大气层中充分加速，达到音速十倍左右——释放小火箭推动的任务载荷——载荷入轨，冲压飞行器降落。整个发射消耗的只是电能、冲压飞行器的燃料和一枚小火箭。

NASA的这个设想已经进入工程阶段了

　　根据“敌有我有，应有尽有”的原则，我们也有自己的电磁轨道炮和电磁弹射器。尤其是后者，最近已经露出了越来越多的真容。按照航天科工集团的介绍，它们的“轻舟”是电磁弹射器+化学火箭，那说明还不是一炮入轨，而是采用了美国同行近似的接力方案。
　　更有趣的则是“羽舟”，命名人一定是个拳击爱好者。职业拳击比赛分17个级别，轻量级是61公斤级，而羽量级则是57公斤级。不知道未来会不会出现雏舟、蝇舟、草舟什么的。反正这个名字意味着它是发射重量更小的发射系统。而羽舟系统的组成是电磁弹射器+电火箭。电火箭虽然工作稳定，可以反复点火，但是推力很小，仅能用来调整和维持航天器轨道，理论上根本无法推动航天器入轨。所以，这个方案，一定是一炮入轨的。当然，这也得益于微机电技术的进步，有功能的卫星越来越小，从微小卫星到纳星，甚至皮星。一颗卫星的重量低到不到一千克。
　　到那个时候，从牛顿到布尔，都可以瞑目了。
　　（本文来源：瘦驼的博文）

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