還記得法國作家儒勒·凡爾納創(chuàng)作的長篇科幻小說《從地球到月球》中的著名實驗嗎？三個勇士要到月球去探險，乘坐由一門火炮發(fā)射的空心彈飛上了太空，看到了太空里許多壯觀景象。雖然后來證實，人類無法承受火炮發(fā)射時瞬間所產(chǎn)生的巨大加速度，但“炮射入軌”這種“非傳統(tǒng)入軌”方式給航天發(fā)射技術(shù)進步提供了想象空間。

非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式，是有別于火箭發(fā)射的其他航天發(fā)射技術(shù)，目前主要包括火炮發(fā)射、電磁發(fā)射、離心發(fā)射等。由于其擁有低成本快速入軌的顯著優(yōu)點，或?qū)⑻娲鷤鹘y(tǒng)航天發(fā)射方式，并對未來人類航天事業(yè)產(chǎn)生革命性影響。

非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式“更加經(jīng)濟”

借助火箭發(fā)射一次衛(wèi)星要花多少錢？

不同的火箭有不同的價格。歐洲“阿利安5號”運載火箭每次發(fā)射費用約為1.65億美元，每公斤發(fā)射費用約為10313美元；美國德爾塔IV型中型火箭平均每次發(fā)射費用為1.64億美元；俄羅斯主力運載火箭——聯(lián)盟-FG運載火箭每次發(fā)射費用大約為5000萬美元，每公斤發(fā)射費用為7246美元……我們不難發(fā)現(xiàn)，盡管運載火箭已經(jīng)成為發(fā)射人造地球衛(wèi)星的普遍方式，但每次發(fā)射所耗費的成本仍然極高。

因此，各國若想在航天技術(shù)領(lǐng)域取得發(fā)展并占有一席之地，成本是不得不考慮的因素。換句話說，誰能更快掌握低成本發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)，誰就能在航天技術(shù)領(lǐng)域先人一步，在國際航天發(fā)射市場占據(jù)優(yōu)勢。

與火箭發(fā)射這種傳統(tǒng)航天發(fā)射方式相比，以火炮發(fā)射、電磁發(fā)射為代表的非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式，成本大大降低，在“低成本快速入軌”越來越成為太空產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展潮流的今天，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

為了節(jié)省成本，傳統(tǒng)火箭發(fā)射方式作了很大努力。1995年，由美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威共同發(fā)起的“海上發(fā)射”項目，采用創(chuàng)新性的移動式海上發(fā)射平臺，使用俄羅斯的“天頂-3SL”火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。這個項目之所以選擇海上發(fā)射，一個重要原因就是，在海上發(fā)射，火箭發(fā)射的緯度位置可以自由選擇，而選擇臨近赤道的地方發(fā)射衛(wèi)星，可最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)力，提高衛(wèi)星的飛行速度和火箭運載能力，延長衛(wèi)星運行壽命，大大降低衛(wèi)星運營和火箭發(fā)射成本。

但與火炮發(fā)射等非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式相比，選擇海上發(fā)射的成本還是很高的。

20世紀(jì)60年代，用于試驗“將衛(wèi)星打入軌道”的HARP工程開始啟動，一生致力于新型火炮和彈藥設(shè)計的加拿大火炮科學(xué)家吉拉德·布爾，來到位于加勒比海的巴巴多斯島上，開始了“太空炮”的研發(fā)工作。他試圖用大炮直接發(fā)射衛(wèi)星，這樣做不但能大大降低成本，在戰(zhàn)爭時運用此項技術(shù)還能向更遠的地方發(fā)射炮彈，可謂一舉兩得。雖然“大炮發(fā)射衛(wèi)星”研究計劃隨著布爾去世被擱置，但其大炮發(fā)射入軌的理論被證明是可行的。

電磁發(fā)射衛(wèi)星也為節(jié)省成本提供了新思路。據(jù)估算，與常規(guī)武器相比，火炮發(fā)射藥產(chǎn)生每焦耳能量需要10美元，而電磁炮只需0.1美元。電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統(tǒng)大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的安培力來對金屬炮彈進行加速，使其具備打擊目標(biāo)所需的動能。電磁發(fā)射成本低、操控安全、適應(yīng)性強，能量釋放易于控制，可重復(fù)快速發(fā)射。有專家表示，電磁發(fā)射具有眾多優(yōu)點，可為快速、低成本地向太空投送小衛(wèi)星和物資提供新思路。

點亮非傳統(tǒng)航天發(fā)射“星星之火”

幾十年來，有遠見的人一直在尋找進入太空的方法。不光是依靠火箭的力量，在對非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)的探索中，已經(jīng)開始出現(xiàn)多種發(fā)射方式。

巴巴多斯巨炮是最早的實踐。為實施高空飛行研究計劃而制造的加拿大巴巴多斯巨炮，是人類有史以來射程最遠的火炮。它由兩門406毫米口徑炮管焊接而成，最終組成了一門炮膛長達36米的超級巨炮。這門火炮發(fā)射的也并非普通炮彈，而是一種被稱為“無足鳥”的加裝了火箭助推增程裝置的特質(zhì)彈丸。巴巴多斯巨炮在發(fā)射時，能將100公斤左右重量的物體以每秒2100米的初速，送到180千米的太空。如果采用傳統(tǒng)火炮拋射的方式發(fā)射炮彈，則可達到4000千米遠的射程，堪比中程彈道導(dǎo)彈的射程。如果給火箭增程彈加成，它還能將214公斤重的物體送上250千米的太空，而這已經(jīng)超過最低的衛(wèi)星軌道高度。高空飛行研究計劃的最終目標(biāo)，是研制一種三級火箭推進的炮射運載工具，真正實現(xiàn)“大炮發(fā)射衛(wèi)星”。

另外一種發(fā)射方法，即空對軌發(fā)射。它的設(shè)想者——一家高科技私人太空發(fā)射公司計劃將一架超大飛機作為火箭的發(fā)射平臺，飛機翼展達117米，飛行高度可達上萬米。這架飛機的作用類似于航天飛機，可帶著小型火箭飛往高空，然后在空中完成發(fā)射，而不是像普通火箭一樣在地面發(fā)射。公司創(chuàng)始人艾倫在接受《連線》雜志記者采訪時說：“當(dāng)你看到那架巨型飛機時，你會覺得這有點瘋狂。除非你是認(rèn)真的，否則你是不會建造它的。因為你不僅僅想看到飛機飛上長空，而且還想看到它完成它的使命——將航天工具送入軌道。”

還有一個叫做“高架發(fā)射管”的非傳統(tǒng)航天發(fā)射項目。項目提出者詹姆士·鮑威爾早在20世紀(jì)60年代，就進行了相關(guān)研究。作為超導(dǎo)磁懸浮領(lǐng)域的早期研究者之一，他主張創(chuàng)建一條足夠長的真空管道，管道的開口對準(zhǔn)天空，利用超導(dǎo)磁懸浮的動力，將火箭像炮彈一樣發(fā)射到太空。他設(shè)想創(chuàng)建兩條磁懸浮真空管道，一條用來運送人員，另一條用來運輸貨物。管道預(yù)計每年可運輸10萬噸的貨物，它的運力將是火箭的數(shù)倍。這個設(shè)想一旦實現(xiàn)，人類向太空運送物資或?qū)⒆兊幂p而易舉。

不能否認(rèn)，目前非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)有的還處于技術(shù)構(gòu)想階段，普遍性地存在一些難點，如在發(fā)射器壽命、發(fā)射載荷抗過載等方面的技術(shù)亟需攻關(guān)。但并不妨礙這幾種發(fā)射方式成為這一領(lǐng)域的“星星之火”，吸引更多人對非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)進行探索。

“明日之箭”已展現(xiàn)出廣闊發(fā)展前景

先后經(jīng)歷“挑戰(zhàn)者”號和“哥倫比亞”號兩次重大空難，隨著2011年“阿特蘭蒂斯”號航天飛機的最后一次飛行，美國的航天飛機時代已宣告終結(jié)。但美國在嘗試其他航天發(fā)射方式上始終不遺余力。

今年6月，位于美國加州長灘的自旋發(fā)射公司宣布，在由國防創(chuàng)新機構(gòu)安排的一項交易中，其拿到了美國國防部的一份“發(fā)射初樣合同”。該公司打算在明年初從新墨西哥州美洲航天港進行首批試驗飛行，在不用傳統(tǒng)發(fā)射臺的情況下把衛(wèi)星“拋”往太空。該消息迅速引發(fā)了人們對于非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)的關(guān)注。

這是非傳統(tǒng)航天發(fā)射方式中的“離心發(fā)射”——采用類似于離心機的裝置，將被發(fā)射的物體加速后，如同鏈球一般“扔”出去。該公司目標(biāo)是研發(fā)一款低成本發(fā)射系統(tǒng)，目前正在研制的一款“基于動能的發(fā)射系統(tǒng)”，能利用地面上的一個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，把載有小型有效載荷的化學(xué)火箭加速到高超音速，隨后被安裝在一臺看似離心機旋臂上的火箭將會點火工作，有效載荷隨之送入軌道。

自旋發(fā)射公司表示，在明年完成一系列試飛后，他們打算在2022年啟動商業(yè)發(fā)射業(yè)務(wù)。公司還表示，他們能用最低的費用提供高頻度專享入軌發(fā)射。這將真正成為新興商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的一個頗具顛覆性的推動因素，有望引發(fā)由廉價小衛(wèi)星組網(wǎng)，用于災(zāi)害監(jiān)測、天氣、偵察、通信和其他服務(wù)的低軌星座市場需求的激增。

自旋發(fā)射公司率先在商業(yè)應(yīng)用上大膽嘗試，但也有不少人對非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用提出質(zhì)疑。主要是因為：雖然發(fā)射射程夠了，但衛(wèi)星光送上天不行，還需要更高水平的加速度才能進入軌道。著眼這一問題，俄羅斯率先試驗。據(jù)俄羅斯《觀點報》報道，俄羅斯科學(xué)院高溫聯(lián)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(fā)的電磁軌道炮加速器，讓彈丸達到了第一宇宙速度。俄科學(xué)院代表稱，俄羅斯科學(xué)家成功將磁軌炮中的“彈丸”加速至11千米/秒，這樣的速度足以克服地球引力。

總體來看，暫時的困難并不會削減人們對非傳統(tǒng)航天發(fā)射領(lǐng)域的熱情。非傳統(tǒng)航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展前景廣闊，或?qū)⒊蔀楹教彀l(fā)射的主力。

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