“螺旋發射”試驗成功，非傳統發射方式或受青睞

文/蘭順正

2021年11月10日，美國航天發射初創公司SpinLaunch宣布，該公司在新墨西哥州的美國太空港利用亞軌道加速器原型機成功發射了一枚無動力“拋射體”（projectile），此次試驗是“螺旋發射”概念的首次發射測試。據悉，“螺旋發射”概念基于真空密封的離心機，該離心機以數倍聲速旋轉無動力“拋射體”，然后在“不到1毫秒”的時間內將其拋入高層大氣，最終進入軌道。此次發射成功，或許意味著非傳統航天發射方式未來將受到更大的重視。

眾所周知，自從人類進入航天時代以來，火箭成為了當之無愧的發射主力，其巨大的應用價值獲得了世界的公認，各國對各類運載火箭的研發都是不遺余力。但傳統火箭發射的長時間準備過程以及巨大的耗資也一直為人所詬病，如歐洲阿里安5號運載火箭每次發射費用約為1.65億美元，每千克發射費用約為10313美元；美國德爾它Ⅳ型中型火箭平均每次發射費用為1.64億美元；俄羅斯聯盟-FG運載火箭每次發射費用大約為5000萬美元，每千克發射費用為7246美元。由于目前“低成本快速入軌”成為太空產業的潮流之一，使得各方在對傳統火箭發射方式進行改良的同時，也讓一些非傳統航天發射方式看到了機會。

螺旋發射 “扔”進軌道

▲ SpinLaunch公司打造的亞軌道加速器原型機

▲ “拋射體”穿破發射筒頂部薄膜的瞬間

▲ 巨型離心機發射系統內部結構示意圖

此次試驗成功的SpinLaunch公司使用的是“螺旋發射”技術——就是采用類似于離心機的裝置將被發射的物體加速后“扔”出去，如同鏈球一般（在航天基本常識中在赤道附近建立火箭發射基地以利用地球自轉線速度節省燃料就是利用該原理）。該發射理念已經被美國軍火研制專家、領袖推力系統公司的查理斯·圣喬治應用在其發明的新式武器“恐怖者”（DREAD）中。

這種槍是根據滑膛槍的原理研制的，鋼珠存放在一排排的狹窄槍膛里，在中間槍膛里經過強力旋轉達到極高的速度后從槍膛里射出。據稱射出的鋼珠飛行速度可以達到大約每秒300米，開發工作全部完成后的DREAD槍和傳統的槍相比，聲音小、故障少、安裝的子彈多，可以連續高速地射出子彈，從而可以釋放出巨大的火力對目標造成極大破壞。而Spinlaunch公司誕生自2015年，目的是研制一款“基于動能的發射系統”，能利用地面上的一個旋轉系統把載有小型有效載荷的化學火箭加速到高超聲速，火箭隨后將會點火工作，把有效載荷送入軌道。

從早前發布的效果圖和其他資料上看，該公司計劃打算建造一臺巨大的離心機，離心機的中間有一條長達數十米的旋臂，旋臂的一端固定將要發射的航天器，當旋臂在離心機中逐步加速，航天器的切線速度將超過聲速，而在其速度超過23馬赫時與旋臂脫離，使其從一個發射口射出去，從而飛向太空。

在此次試驗中，“拋射體”并沒有真正入軌，而是被推進到數萬英尺的高度。公司負責人表示，首次發射試驗中使用的亞軌道加速器是最終版本的三分之一，高約91米。使用的亞軌道拋射體長約3米，加速到“每小時數千英里”，僅使用了20%的加速器功率容量。此次亞軌道加速器測試，主要驗證空氣動力學和釋放機制方面的基本概念。未來該公司計劃在“拋射體”內增加一個火箭發動機，在發射后“拋射體”將在無動力的情況下滑行大約1分鐘，然后在大約60千米的高度點燃發動機，以幫助其順利進入軌道。

▲ SpinLaunch公司計劃建造的直徑達100米的巨型離心機，旨在將200千克重的載荷送入軌道

該公司稱，“螺旋發射”顛覆了傳統火箭發射方式，動能發射的衛星無需火箭就可以離開大氣層，因此航天器入軌對于火箭的依賴將會降低。“螺旋發射”概念將有望在未來實現發射衛星群和空間有效載荷的零排放。目前，該公司已經完成了大約90%的與全尺寸系統相關的風險降低研究，正在加速完成設計。一旦軌道飛行器準備就緒，該公司將尋找一個合適的沿海太空發射基地，計劃在未來6～8個月內進行約30次亞軌道試飛。

有分析指出，雖然這種投射系統的能力有限，很難將更大的有效載荷送入軌道，但是加速器驅動帶來的速度提升導致進入軌道所需的燃料減少了80%，成本降低了90%，因此可以將大量小衛星快速送入太空。據該公司估計，離心機能一天發射5次，每次的發射成本僅有50萬美元。鑒于該發射理念的潛力，美國防創新部門已于2019年與該公司簽署了一份合同以支持項目發展，而未來該技術一旦成熟，美國太空軍和導彈防御局對于這種發射的需求顯然是不可低估的。

大炮旅行 早已有之

▲ 巨型離心機所發射“火箭”的內部結構示意圖

在非傳統航天發射方式中，火炮發射也是重要的手段之一。其實通過火炮進行太空旅行的想法早已有之，如在法國作家儒勒·凡爾納創作的長篇科幻小說《從地球到月球》中，3位冒險家就乘坐空心炮彈被大炮射向月球。但后來證明人體無法承受火炮發射一瞬間巨大的加速度，所以逐漸加速的火箭才大行其道。

“炮射入軌”再次被提起，是在上世紀60年代。美國的吉拉德·布爾博士在加勒比海的巴巴多斯島建造了一門大炮，以試驗能否用其發射衛星。這門大炮由美國海軍的兩門16英寸戰列艦主炮頭尾對焊制造而成，長達36米，而且為了增加射程還設計了專用的火箭助推增程彈丸。在實驗中，大炮成功將一顆 90千克重的炮彈發射到180千米高的太空，這項世界記錄至今沒有被打破。雖然該項目沒有后續，但大炮發射入軌的理論被驗證是可行的。

隨著技術的發展，用電磁炮實施入軌發射的理論開始流行。電磁炮是利用電磁力發射高速彈丸的武器，主要由電源、脈沖形成網絡、電發射器等組成。

電磁炮又可分為電磁軌道炮和電磁線圈炮兩種。

▲ Spinlaunch公司的宣傳圖片

▲ 儒勒·凡爾納創作的長篇科幻小說《從地球到月球》

▲ 已經廢棄的“巴巴多斯”大炮

電磁軌道炮發射時，電源產生100萬～200萬安培的強電流脈沖進入炮管尾部軌道，由金屬軌道經過已注入炮膛的彈丸后方電樞，再由金屬軌道返回脈沖形成網絡，電樞電流與軌道電流形成的強磁場相互作用，產生強大的電磁力，驅動彈丸沿金屬軌道和絕緣體構成的炮管向前加速運動并發射出去。

電磁線圈炮利用靜止線圈的磁場同被發射物體線圈中電流的相互作用，產生逐級增大的電磁力推動被發射物體向前運動，并發射出去。

據估算，與常規武器相比，火炮發射藥產生每焦耳能量需要10美元，而電磁炮只需0.1美元。電磁發射具有成本低、操控安全、適應性強、能量釋放易于控制、可重復快速發射等優點，為快速、低成本地向太空投送小衛星和物資提供了可行之路。

據俄羅斯媒體報道，俄羅斯科學院高溫聯合研究所工程師2016年7月12日在莫斯科郊外，首次試驗自行研發的電磁軌道炮加速器，讓彈丸達到了第一宇宙速度。俄科學院代表稱，俄羅斯科學家成功將磁軌炮中的“彈丸”加速至每秒11千米，這樣的速度足以克服地球引力。

非傳統發射技術可用作運載火箭的第一級，既能發射衛星，還可以用來發射洲際彈道導彈等武器。在“螺旋發射”試驗成功后，就有美媒稱這一概念可以應用到超遠程火炮上，以幫助在大氣層內遠距離發射彈頭。未來，非傳統發射技術不論在軍用還是民用領域或許都會大有可為。

▲ 英國BAE系統公司為美國海軍研制的電磁炮