“螺旋发射”试验成功，非传统发射方式或受青睐

文/兰顺正

2021年11月10日，美国航天发射初创公司SpinLaunch宣布，该公司在新墨西哥州的美国太空港利用亚轨道加速器原型机成功发射了一枚无动力“抛射体”（projectile），此次试验是“螺旋发射”概念的首次发射测试。据悉，“螺旋发射”概念基于真空密封的离心机，该离心机以数倍声速旋转无动力“抛射体”，然后在“不到1毫秒”的时间内将其抛入高层大气，最终进入轨道。此次发射成功，或许意味着非传统航天发射方式未来将受到更大的重视。

众所周知，自从人类进入航天时代以来，火箭成为了当之无愧的发射主力，其巨大的应用价值获得了世界的公认，各国对各类运载火箭的研发都是不遗余力。但传统火箭发射的长时间准备过程以及巨大的耗资也一直为人所诟病，如欧洲阿里安5号运载火箭每次发射费用约为1.65亿美元，每千克发射费用约为10313美元；美国德尔它Ⅳ型中型火箭平均每次发射费用为1.64亿美元；俄罗斯联盟-FG运载火箭每次发射费用大约为5000万美元，每千克发射费用为7246美元。由于目前“低成本快速入轨”成为太空产业的潮流之一，使得各方在对传统火箭发射方式进行改良的同时，也让一些非传统航天发射方式看到了机会。

螺旋发射 “扔”进轨道

▲ SpinLaunch公司打造的亚轨道加速器原型机

▲ “抛射体”穿破发射筒顶部薄膜的瞬间

▲ 巨型离心机发射系统内部结构示意图

此次试验成功的SpinLaunch公司使用的是“螺旋发射”技术——就是采用类似于离心机的装置将被发射的物体加速后“扔”出去，如同链球一般（在航天基本常识中在赤道附近建立火箭发射基地以利用地球自转线速度节省燃料就是利用该原理）。该发射理念已经被美国军火研制专家、领袖推力系统公司的查理斯·圣乔治应用在其发明的新式武器“恐怖者”（DREAD）中。

这种枪是根据滑膛枪的原理研制的，钢珠存放在一排排的狭窄枪膛里，在中间枪膛里经过强力旋转达到极高的速度后从枪膛里射出。据称射出的钢珠飞行速度可以达到大约每秒300米，开发工作全部完成后的DREAD枪和传统的枪相比，声音小、故障少、安装的子弹多，可以连续高速地射出子弹，从而可以释放出巨大的火力对目标造成极大破坏。而Spinlaunch公司诞生自2015年，目的是研制一款“基于动能的发射系统”，能利用地面上的一个旋转系统把载有小型有效载荷的化学火箭加速到高超声速，火箭随后将会点火工作，把有效载荷送入轨道。

从早前发布的效果图和其他资料上看，该公司计划打算建造一台巨大的离心机，离心机的中间有一条长达数十米的旋臂，旋臂的一端固定将要发射的航天器，当旋臂在离心机中逐步加速，航天器的切线速度将超过声速，而在其速度超过23马赫时与旋臂脱离，使其从一个发射口射出去，从而飞向太空。

在此次试验中，“抛射体”并没有真正入轨，而是被推进到数万英尺的高度。公司负责人表示，首次发射试验中使用的亚轨道加速器是最终版本的三分之一，高约91米。使用的亚轨道抛射体长约3米，加速到“每小时数千英里”，仅使用了20%的加速器功率容量。此次亚轨道加速器测试，主要验证空气动力学和释放机制方面的基本概念。未来该公司计划在“抛射体”内增加一个火箭发动机，在发射后“抛射体”将在无动力的情况下滑行大约1分钟，然后在大约60千米的高度点燃发动机，以帮助其顺利进入轨道。

▲ SpinLaunch公司计划建造的直径达100米的巨型离心机，旨在将200千克重的载荷送入轨道

该公司称，“螺旋发射”颠覆了传统火箭发射方式，动能发射的卫星无需火箭就可以离开大气层，因此航天器入轨对于火箭的依赖将会降低。“螺旋发射”概念将有望在未来实现发射卫星群和空间有效载荷的零排放。目前，该公司已经完成了大约90%的与全尺寸系统相关的风险降低研究，正在加速完成设计。一旦轨道飞行器准备就绪，该公司将寻找一个合适的沿海太空发射基地，计划在未来6～8个月内进行约30次亚轨道试飞。

有分析指出，虽然这种投射系统的能力有限，很难将更大的有效载荷送入轨道，但是加速器驱动带来的速度提升导致进入轨道所需的燃料减少了80%，成本降低了90%，因此可以将大量小卫星快速送入太空。据该公司估计，离心机能一天发射5次，每次的发射成本仅有50万美元。鉴于该发射理念的潜力，美国防创新部门已于2019年与该公司签署了一份合同以支持项目发展，而未来该技术一旦成熟，美国太空军和导弹防御局对于这种发射的需求显然是不可低估的。

大炮旅行 早已有之

▲ 巨型离心机所发射“火箭”的内部结构示意图

在非传统航天发射方式中，火炮发射也是重要的手段之一。其实通过火炮进行太空旅行的想法早已有之，如在法国作家儒勒·凡尔纳创作的长篇科幻小说《从地球到月球》中，3位冒险家就乘坐空心炮弹被大炮射向月球。但后来证明人体无法承受火炮发射一瞬间巨大的加速度，所以逐渐加速的火箭才大行其道。

“炮射入轨”再次被提起，是在上世纪60年代。美国的吉拉德·布尔博士在加勒比海的巴巴多斯岛建造了一门大炮，以试验能否用其发射卫星。这门大炮由美国海军的两门16英寸战列舰主炮头尾对焊制造而成，长达36米，而且为了增加射程还设计了专用的火箭助推增程弹丸。在实验中，大炮成功将一颗 90千克重的炮弹发射到180千米高的太空，这项世界记录至今没有被打破。虽然该项目没有后续，但大炮发射入轨的理论被验证是可行的。

随着技术的发展，用电磁炮实施入轨发射的理论开始流行。电磁炮是利用电磁力发射高速弹丸的武器，主要由电源、脉冲形成网络、电发射器等组成。

电磁炮又可分为电磁轨道炮和电磁线圈炮两种。

▲ Spinlaunch公司的宣传图片

▲ 儒勒·凡尔纳创作的长篇科幻小说《从地球到月球》

▲ 已经废弃的“巴巴多斯”大炮

电磁轨道炮发射时，电源产生100万～200万安培的强电流脉冲进入炮管尾部轨道，由金属轨道经过已注入炮膛的弹丸后方电枢，再由金属轨道返回脉冲形成网络，电枢电流与轨道电流形成的强磁场相互作用，产生强大的电磁力，驱动弹丸沿金属轨道和绝缘体构成的炮管向前加速运动并发射出去。

电磁线圈炮利用静止线圈的磁场同被发射物体线圈中电流的相互作用，产生逐级增大的电磁力推动被发射物体向前运动，并发射出去。

据估算，与常规武器相比，火炮发射药产生每焦耳能量需要10美元，而电磁炮只需0.1美元。电磁发射具有成本低、操控安全、适应性强、能量释放易于控制、可重复快速发射等优点，为快速、低成本地向太空投送小卫星和物资提供了可行之路。

据俄罗斯媒体报道，俄罗斯科学院高温联合研究所工程师2016年7月12日在莫斯科郊外，首次试验自行研发的电磁轨道炮加速器，让弹丸达到了第一宇宙速度。俄科学院代表称，俄罗斯科学家成功将磁轨炮中的“弹丸”加速至每秒11千米，这样的速度足以克服地球引力。

非传统发射技术可用作运载火箭的第一级，既能发射卫星，还可以用来发射洲际弹道导弹等武器。在“螺旋发射”试验成功后，就有美媒称这一概念可以应用到超远程火炮上，以帮助在大气层内远距离发射弹头。未来，非传统发射技术不论在军用还是民用领域或许都会大有可为。

▲ 英国BAE系统公司为美国海军研制的电磁炮