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论如何不使用火箭优雅温和地突破卡门线

本文作者Riz Virk,翻译:张航悦。

第一章:引言

“太空探索等同于今天的火箭科学。”是这样吗?“

最近,人类成为太空文明这一想法引起了很多关注,尤其是像SpaceX的创始人Elon Musk、亚马逊的Jeff Bezos’s and Blue Origin、Richard Branson爵士的Virgin Galactic这样的亿万富翁。随着太空私有化发展趋势逐渐显现,我们基于太空的未来可能根本不依赖于政府,而依赖于私人公司。

这个新兴产业最常谈论的短期目标是更便宜地发射更小的卫星、太空旅游、到空间站的渡轮、到月球和绕月飞行的任务,以及最终在火星上定居。

自2011年航天飞机项目关闭以来,美国宇航局已经从发射火箭以将卫星送入轨道的行业中退出,它正在向波音和诺斯鲁普·格鲁曼等大型国防承包商,以及像SpaceX这样的小型公司提供猎鹰火箭服务,以及为其他刚刚成立的诸如火箭实验室(2018年首次商业发射)等一类初创公司签订使用合同。

太空旅游是一个非常有前途的领域,尽管目前只对超级富豪开放。它开始于百万富翁们花2000万美元乘坐俄罗斯火箭和联盟号太空舱到米尔空间站待一段时间。在太空旅游方面,维珍银河公司因搭乘“宇宙飞船一”号飞船前往太空边缘的可重复使用交通工具而获得X大奖,并且目前正以每次250000美元的价格吸引游客进入。不幸的是,2014年的失败延误了他们的进展。SpaceX现在正在推销一种载人飞船,这种飞船将使用可重复使用的火箭将其第一批乘客送入月球周围(乘客为日本亿万富翁,Yusaku Maezawa,他已经下了“大笔保险”),日期则与所有的火箭发射一样,还不确定。

这让我们想到所有这些私人航天公司(或者政府)计划所依赖的一件事:火箭发射。

任何看过火箭发射的人都知道这是危险的、不可靠的、非常有限的把物体和人送入太空的方法。例如土星五号火箭,这是迄今为止建造的最大的火箭,它服务了阿波罗登月任务,但是95%的燃料是在上升段被耗尽。

今天的太空科技依赖于更强大的火箭,意味着我们需要更大推力的火箭,并且祈祷着我们不会失败。

航天飞机升空也需要依靠大推力火箭。事实上,正是这些助推火箭之一的失败导致了1986年的挑战者号爆炸,使航天飞机停飞两年。

然后SpaceX和BlueOrigin以及其它公司正在致力于发展可重复使用的火箭,这些技术仍然是来源于50年代至60年代由NASA及苏联发展的技术。50年后,有可能我们会设计出替代的方法。

基于像罗伯特·戈达德和沃纳·冯·布劳恩这样的先驱们的工作,火箭(不管是使用液体燃料还是固体燃料)总体上有效载荷占总重量的百分比都不高。土星五号为4%,航天飞机仅仅1%。这是因为火箭过时的技术导致了发动机需要大量的燃料。

第二章:通过第一个百公里

到目前为止,成为行星际物种最困难的部分就是离开地球,进入轨道,我们称之为“第一英里”问题。实际上,由于被广泛接受的空间分界线是距离地表100公里(62英里)的卡门线,所以这确实是第一个“100公里”问题(尽管最近有一些建议说空间实际上更低,大约为40英里)。

一旦我们进入太空,到达太阳系的其余地方,甚至可以通过各种推进技术和宇宙飞船到达银河系。

但是,由于我们依赖火箭,火箭具有爆炸性(字面上)、不可靠和有限的能力,要将大量的人(或大量的设备)送离地面将是非常困难的。

第一个百公里是成为太空物种的瓶颈。那我们怎么到达这里呢?

有时候(实际上,经常)科幻小说可以为未来科学指明方向,太空旅行也不例外。为了避免我们忽视这一点,科幻作家阿瑟·C·克拉克被公认为是提出在轨道上布置通信卫星的想法的第一人。

       在科幻小说中,像《2001年发现:太空漫游》这样的飞船总是在太空中组装的。

2001年:《太空漫游》,也是由克拉克写的,星际飞船“发现”号在轨道上组装,其部件是从地球上发射的,不需要火箭。为行星际和(将来)星际任务组装大型飞船是有意义的,因为各种原因,就像在月球上和周围建立基地一样。

大多数科幻小说都掩盖了用未来主义尚未发明的技术进入轨道的技术,比如航天飞机,它可以像飞机一样使用尚未发明的反重力装置飞行,然后飞向母舰。在上世纪60年代的《星际迷航》系列中,宇航员们使用隐形传送来避开进入和离开轨道的费用(和所需的时间)。当然,在《星际迷航》中,为了效率而采用了隐形传送方案,拍摄航天飞机上下飞行的场景会太昂贵。

运输机在最初的《星际迷航》中被发明,以帮助解决“第一百公里”问题。

事实上,这对我们作为太空物种的未来是一个很好的比喻。如果我们没有想出一种更便宜、更可靠、破坏性更小的方法来绕过“第一个100公里问题”,我们未来的“星际旅行”将只限于极少数人。

我认为,投入太空研究的数亿美元(如果不是数十亿美元)应该投入到发射的非火箭替代方案中。这包括(主要是)从地球上发射,但也可能包括将来从月球或火星发射,这些发射具有较低的重力,所以我们可以在这里工作的任何东西可能在其他天体上工作。

那么,对于进入轨道的直升火箭,还有什么替代方案呢?

下面是一些最受讨论的替代方案,从简单到困难,以及一些正在探索这些替代方案的初创公司或项目。我按照从简单到深奥的顺序列出它们:

第三章:气球和混合解决方案。

气球为到达亚轨道高度提供了一种有趣且被证明有效的方法,并且有利于我们进入太空。

2009年,当我参观史密森航空航天博物馆时,一本书吸引了我的注意,它展示了一个V形的飞行器漂浮在地球上。它不是UFO,而是JP Aerospace的创始人约翰·鲍威尔(John Powell)的想法,他提出了一个有趣的三阶段方法,以实现让人类(和设备)运送至低轨道,并最终进入轨道,在前两个阶段都使用了气球。V形飞船是一个巨大的气球平台,如同天空中一个具有2英里长的气球浮动城市。它将在110000英尺高,足以看到头顶上漆黑的宇宙和下面的地球曲率。

The Darkstar suborbital station concept from JP Aerospace is a two mile balloon city at 100,000 feet up

此外,与太空舱或火箭运送方案的拥挤不同,这将是一次舒适、缓慢的旅行,也许是游客从太空边缘观看地球的理想方式。JP Aerospace仍然存在,鲍威尔已经为三个阶段中的每个阶段建立了原型。那么第三阶段是什么?这是一艘利用化学和电力推进从气球平台进入低地球轨道的飞船。

World view通过仅75000美元的气球将太空旅游带给大众。

最近成立的另一家气球公司叫World View,是一家位于亚利桑那州图斯康市的公司,它发展能使气球利用平流层中不同的主流风力保持在理想的位置的技术。他们宣传只要花75000美元,游客就可以漂浮到100000英尺,并且可以在外太空呆上两个小时,一边舒服地啜饮香槟,一边欣赏地球的曲率,欣赏外面的世界风光。

他们还在试验用小型火箭发射卫星,将火箭吊到发射高度。除了设计复合飞行器发射火箭外(诸如维珍银河飞船),美国宇航局还尝试了混合性方法实现火箭发射。西班牙一家名为Blooster的公司正在研制一种气球/火箭混合动力平台以发射小型卫星。这些混合动力方法虽然发射高度提高了,减少了所需的燃料,但其仍然依赖于火箭,使得这种方案具有一定危险性。

第四章:自旋弹弓方案

现在我们摆脱已成熟的技术去探索真正的新概念,这需要更好地理解自然的原理和建立创新的解决方案来驾驭这种力量。

2007年,德里克·A·蒂德曼发表了《Slingatron——一个机械式超高速质量加速器》一书,提出了利用向心运动将物体“投”入太空而不需要火箭的想法。在概念上,它被描述为类似于通过前后摇动酒杯使得酒洒出。他有一些关于这个想法实现起来可能的图片。

速度会超过1公里/秒,并且有20000G(每个G相当于地球重力)。虽然这样可以把某些类型的物体发射到太空,但显然不能用于运送人类。

Slingatron概念图

这真的可以实现吗?2013年,一家名为Hyper V Technologies的公司在Kickstarter(一个专为具有创意方案的企业筹资的众筹网站平台)平台上集资以制作一个弹弓加速器的比例模型。但它并没有筹集到需要的25万美元。最近,就在2018年,硅谷初创公司Spinlaunch从像Kleiner Perkins、空中客车公司(Airbus.s)等这样的顶级风投公司筹集到了4000万美元来建造“太空弹射器”。该公司一直对可重复使用的发射装置的详细信息进行保密,据称,他们能将小型卫星的发射成本降到每次发射仅需50万美元,这将大大减小目前的成本。

这些利用几何学的创新解决方案也许可以解决“卫星”发射问题,也许一些创新者会想出如何以这种方式来发射人类。

第五章:电磁发射器

电磁发射器的想法是使用超导磁铁在轨道上加速发射运载火箭。磁悬浮爱好者会喜欢这种方式,它类似于磁悬浮列车轨道,只是它是向上爬升的。利用“飞行器”和轨道上的磁铁的反极性,车辆通过交替的排斥力和吸引力被加速到下一个磁铁。

电磁发射器也分为几类,包括质量驱动器、轨道枪、线圈枪。质量驱动器指的是通过长曲线轨道加速以获得较大电磁加速度升空,由亚瑟C.克拉克在1950年提出。之后由杰拉德·K·奥尼尔进一步开发,这个概念通常用于从月球或其他低重力环境下发射物体。

       月球电磁发射器的概念

这到底能做吗?有些科学家是这么认为的。它的缺陷在于为了达到所需的速度,轨道必须很长(科学家估计轨道起码超过100英里)。实际上,具有讽刺意味的是,发射人类则需要一条更长的轨道,这样加速度对于乘客来说才不会太大。但是有可能建造一条较短的轨道以较大加速度将卫星送入轨道。

1994年,美国宇航局高级概念研究部经理,约翰·C·曼金斯,他提出了MagLifter概念,这一种将物体发射到太空的磁悬浮轨道。之后,在一个名为StarTram的项目中,根据MagLifter的概念,将问题分成了几个阶段,第一代升降机(用于卫星和对象),第二代升降机(用于人类),将包括一个更长的轨道,该轨道将悬浮到天空中,就像实际的火车进入大气层。还有一个1.5代,它是二者的结合,具有中等大小的轨道。研究小组估计,他们用第二代发射器每年可以送400万人进入太空!

据估计,建造这些设施的成本高达数十亿美元。截至目前,我不知道有任何初创公司被资助来探索这个概念。一种改进是使用超级回路(基本上是真空中的磁浮)来作为电磁发射器。创新型初创企业或许可以找到改善这些早期评估和概念的方法,而这些评估和概念正期待着政府的资助。

       超环式电磁发射器的概念

第六章:太空塔和电梯。

在他1979年的小说《天堂的喷泉》中,亚瑟·C·克拉克详述了22世纪建造太空电梯的过程。由于这种电梯最理想的地方是赤道附近,克拉克下半生都住在斯里兰卡,所以这部关于建造人类历史上最大的建筑工程的小说就发生在那里。选择的地点是亚当峰,斯里兰卡最高的山和宗教场所。[顺便说一句,如果你是克拉克的粉丝,你可能会喜欢我在斯里兰卡亚瑟·C·克拉克的书架上找到的东西]。

1895年,俄罗斯作家K.E.Tsiolkovsky在他的《关于地球和天空以及Vesta的设想》中首次描述了这个概念,他还提出了地球静止卫星的概念。这个概念被称作空间塔,一种从地面开始建造的塔。随着时间的流逝,科学家们逐渐意识到,要建造一座真正的直塔需要很大的塔底而且不实用,所以克拉克以及更多现代信徒们将塔底改为超强绳索,这种绳索将从空间站下来,就像电梯一样。

空间塔概念图

这样的电梯可以建造吗?直到最近,还没有任何具有如此高抗拉强度的物质来作为电梯的“系绳”。最近,碳纳米管基纤维被认为具有所需拉伸强度的材料。

据太空网站显示,日本公司Obayashi Corp.在2012年宣布,它计划在2050年之前建造一台太空电梯。最近,来自静冈大学的一个研究小组在2018年9月推出了小型立方体,该小组打算在强张力绳索上做一些实验,看看它们是否可以在太空电梯上工作。2018年初,来自北京清华大学的一个中国研究小组说,他们已经研制出一种坚固的纤维材料,也许可以用于太空电梯。

天堂喷泉讲述了有史以来最大的人类建筑工程——太空电梯的故事!

虽然太空升降机看起来像是科幻小说,也可能是“替代”方法中最昂贵的(它可能需要巨额预算,可能与阿波罗任务的数量级相当),但私营公司的创新者有希望找到资金来探索这个想法。一旦建造完毕,太空升降机就可以把物体和人们运送到地球同步轨道上的一个空间站(或者沿途运送到中间的“基地”)。虽然与火箭相比,它需要几个小时或更长的时间才能到达目的地,但是它是100%可重复使用的,并且每天(或者如果技术足够好,每小时)上下行程的想法最终可能成为现实。

第七章:量子隐形传输。

这是一个遥远的想法,只是最近才受到一些关注。我们提到了《星际迷航》的隐形传送方法。这真的能够实现吗?最近,在2017年,中国一个研究小组首次将粒子(光子)从地面量子隐形传入地球轨道。英国广播公司的头条新闻是“首次从地球传送到轨道”。

当它确实发生时,真正发生的是光子的“状态”,或者它的量子信息被传送。粒子本身被传送了吗?对于光子来说,这可能是一个哲学问题,因为一个与另一个几乎相同。如果我们能够传送其他原子或亚原子粒子,电子最初(至少是量子态)意味着什么,但是质子和中子呢?毕竟,在《星际迷航》中麦考伊博士不想使用传送器的原因是因为他担心他的“原子散布在整个银河系”!

这引发了关于什么是物质的严肃讨论,它是固体或是物质的,还是能量,甚至只是简单的信息?

第八章:反重力和电重力学。

我们最后讨论一个更发散的话题,但我认为它值得被认真考虑。不像太空电梯,没有人见过工作电梯,成千上万的人却声称看到过使用无声反重力推进器的物体。它们被称为UFO,并且通常发出某种颜色,形状为圆形(广为人知的“飞碟形状”),并且无声,通常有一些飞碟还在在旋转,并且似乎能够违背惯性定律实现急停和瞬间加速到较高速度。

不管你是相信有外星人存在还是秘密的政府计划,某些事物产生了这些在世界各地都有被报道的UFO目击现象。

在你下结论之前,目击者包括军用飞行员,他们在天空中看到过物理飞行器飞行,盘旋,并加速到很高的速度,并且声称这些神秘飞船能够突破惯性定律约束,因此被称为“反重力”。

保罗·希尔是美国宇航局的工程师,他认真对待了这些现象及特点,写了一本名为《非常规飞行物体:科学分析》的书。希尔不是个怪人,他不仅拥有工程学学位,在加入NASA之前,他还是奥克兰的航空学教授。他在书中的结论是,飞船以某种方式利用等离子体和旋转场来加速和减速,并且它们发出的颜色与等离子体颜色一致。对那些感兴趣的人来说,这本书值得一读。

对这个课题的很多兴趣是在电引力学研究领域,由T.汤森布朗开创,他发现通过在碟形物体的边缘上施加高电压电力时,可以得到电磁推进和升力。这种电力和重力之间的关系,被称为比菲尔德-布朗效应,或更为通俗的“反重力”效应。布朗也不是车库发明家,他是一名为海军工作的工程师,从事过许多机密项目,并试图像该领域的其他投资者一样,去获得资金以进行反重力实验。

在20世纪50年代,主流航空航天工业中有许多关于反重力的说法,声称这些装置将“在几年内准备好”。但是,在20世纪50年代的某个时候,这些声明突然从所有主流的航空航天出版物中消失了。这与20世纪40年代初曼哈顿计划开始时关于核裂变的论文没有什么不同,这使得许多人相信这项工作已经保密。例如,我们知道静电荷可以用在隐形战斗机上。

即使你不相信外星人,也没有理由不去调查这些神秘的反重力装置。事实上,如果它们是讳莫如深的秘密政府项目,如洛克希德臭鼬工厂前负责人本·里奇所宣称的,那么就有科学是“禁忌”的,并且不被今天大多数科学家所知晓。最令人难以置信的理论可能是,训练有素的军用飞行员实际上只是看到了“沼泽气体”(误认为是飞船)!

事实上,作为蓝皮书计划的一部分,最初提出这个理论的科学家J.艾伦·海尼克(芝加哥东北部的一位受人尊敬的天文学教授)也开始相信这些飞船是真的,需要对它们进行研究。他和他的助手雅克·瓦利(他在1963年为美国宇航局制作了第一张火星电脑地图)后来成为了风险投资家,被认为是斯皮尔伯格的《第三类近距离接触》影片中法国科学家的灵感来源。

J. Allen Hynek and Jacques Vallee

事实上,大多数主流科学家,甚至那些认为是政府研制的飞行器被误认为UFO的科学家,都不愿意提起不明飞行物或反重力的话题。他们应该被问一个问题:“是什么使这些飞行器如此怪异?”“。现在我们知道,五角大楼想要揭穿UFO目击事件,这样他们就不必遮遮掩掩。我们也知道,1969年之后,虽然国防部声称已经“停止调查UFO”,但他们继续秘密调查这些异常物体。这足以让人们怀疑:有人有意不让这些领域被严谨地进行科学研究吗??

第九章:结论

总之,对于如何实现非燃烧运载火箭技术以更好达到太空文明,你们已经有了一些短期和长期的想法。

就像电动汽车花了很多年才超越“内燃机”一样,我们也需要一段时间才能超越可燃火箭并且成为进入轨道的主要方法。然而,从长远来看,无论从成本(例如,可重复性)还是危险性,还是从我们可以运载的有效载荷来看,这都是值得的。

想象一下,如果我们因为一些迫在眉睫的灾难而需要大量撤离地球,然而世界上的火箭并没有足够能力去运送这么多人。这时候就不仅仅是成本的问题,而是火箭容量的问题。

像SpaceX这样的公司依赖于亿万富翁艾伦·马斯克自己的一亿美元资金(当然,Tesla也是这样)。虽然我们已经从政府融资转向私人融资,但仍然没有足够的风险投资基金或其他人愿意在这些新发射技术上冒险。

应该通过各种大奖来鼓励创业者建立新火箭学及非燃运载火箭技术。事实上,安萨里大奖正是鼓励维珍一号去发展太空船一号的一个因素。

虽然空客和克莱纳·珀金斯为Spinlaunch提供资金是难得可贵的,但是这些合资企业所需要的资金将会是数亿或数十亿美元,并且目前无论是在天使轮(100万或200万美元启动资金),还是在A轮或B轮(3000万美元以上)的投资上,都没有足够的风险保证基金。

今天的火箭解决方案就像是到西部旅行的马车,这只适合于小部分愿意冒险的人,但是西部的发展是需要建立在铁路这样能够可靠、正规及安全地运送大量居民的基础上的。

对于外太空探索也是如此,但更好的运送方案还没有被创造出来。但愿有亿万富翁能读到这篇文章并且希望我们成为拥有新航天技术的太空物种,我们需要无畏的人,他们不仅愿意为过去技术的改进提供资金,而且愿意真正地创造未来!

END


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