通往月球之路——電磁大炮_風聞

通往月球之路——電磁大炮physixfan

人類對於太空的好奇已經有數不清多少年的歷史了，然而自從上世紀人類登月達到了巔峯時期之後，人類對於太空的探索似乎陷入了一個窘境。顯然我們的太空旅行現況離科幻小説差的太遠，我們不僅僅這麼多年了連火星都沒有登上，甚至月球都已經幾十年沒有再上去過，甚至航天飛機都已經被叫停。到底是什麼事情阻礙了人類通往太空的步伐？答案非常簡單：錢。持續10多年的登月計劃整個耗資上百億美元，這種量級的花費，任何一個政府都需要慎之又慎地考慮要不要做。也許，人類的太空之旅，必須經過一個大的變革才能圓夢了。

通往太空的必經之路——月球人類若是想要探索太空，那麼在月球上建立基地將是一個必經之路。為什麼呢？顯然，從地面上直接往外太空發射衞星是一個很糟糕的選擇，原因有是地球的重力非常大，而且地球的大氣層較密，有着很大的空氣阻力。如果是在地球衞星軌道上建立空間站並且作為基地，也不是最佳選擇，它有至少兩個缺點：

外太空沒有保護，精密儀器很容易受到太空輻射或者太空垃圾的撞擊而毀壞；衞星軌道上並沒有任何建築材料，所有建設基地的物資必須靠地球來運輸。月球則是一個非常良好的太空基地選址，它的優點非常多，可以説是正好是彌補了前面提到所有缺點：

月球的重力只有地球的1/6，便於向外發射衞星；月球幾乎沒有大氣層，空氣阻力比地球小得多；如果在月球表面挖一個洞並且在裏面建立基地，則月球的地面就是一個極其良好的防輻射、防撞擊的保護層，不必擔心儀器損壞；月球上也有豐富的資源，建立基地所需的資源可以就地挖掘。因此，為了將來探索太空，我們必須先踏上月球，在月球上建立基地。可是，現在的關鍵問題是，如何向月球發射大量的物資，同時其經濟代價又不像現有火箭運輸方式那麼高。注意，為了使得建立基地變得可行，第一步是運輸大量物資，暫時先不考慮運輸人類（人類將來可能仍要通過火箭的方式運送），因此可以讓運輸過程的加速度很大而不必擔心裏面東西被壓壞。

火箭的缺點傳統的火箭運輸方法有許多固有的缺點。

首先，火箭運輸有一個固有的問題，它必須一路上不停地燃燒燃料進行加速，而這就導致一開始的時候其實大部分燃料是去加速燃料去了，真正加速了最後想拋出去的衞星的燃料比例很低。因此導致每次發射衞星都會消耗大量的燃料，而它的價錢是昂貴的。其次，火箭發射的安全性並不高。雖然我們一直在努力地控制安全，可是火箭發射總是有那麼1%量級的事故率降不下來。再次，火箭運輸每次運輸的質量只能很小，若要運輸大質量物資到太空，這個途徑並不是個好的選擇。

我們的方案——電磁加速為了向月球運輸大量物資，用電磁加速裝置取代傳統的火箭運輸，或許是一種可行的大大降低發射費用的根本性方法。

簡單介紹一下我們小組（北京大學物理學院的一個本科生科研課題小組）的電磁大炮方案。我們採取的是coilgun的加速方式，下面的動態圖是一個簡單的示意。

在一個很長的軌道上，排布着很多級的線圈，一個內部安裝着永磁體的拋射體就在這些線圈中前行，前進的動力靠外部線圈產生的磁場推拉而成。我們的方案裏，只考慮4個線圈對永磁體的作用：其前面的兩個產生吸力，後面兩個產生推力。每個線圈由大電容放電產生電流，其放電時間和週期是經過計算去嚴格控制的，以保證拋射物臨近的4個線圈對拋射物任何時刻受的力都是前進的力。整個軌道為一個真空管道，所以加速時可以不需要考慮阻力問題。

在降落到月球上時，需要減速才能着陸。減速的方法有很多種，如果繼續秉持這不攜帶燃料的思想，可以想到這樣一種方案：讓拋射物飛到月球上時是沿着月球表面的切線飛行的，在沿途揚起密度分佈精確控制的塵埃，其密度分佈滿足讓拋射體受力為恆力，並且此力的大小在其承受範圍之內。這種方案需要在基地建成以後才能實現，在這之前最可靠的降落方式應當還是攜帶燃料減速。

補充：我們的方案主要目的是讓被髮射物體不以化學燃料為主要動力，拋射物並不是要完全不攜帶燃料，它需要攜帶少量燃料進行航向的細微調整。

可行性分析不要覺得這是科幻，經過我們的計算，用以上方案發射物體到月球上，是現有技術基本可以達到的。

首先我們計算了要想把物體拋到月球上，需要的相對地面的最小速度是多少。用數值計算得方法，採用限制性三體問題模型、圓軌道近似，考慮了地球自轉、空氣阻力等因素，最終算出來的相對地面最小速度約為10km/s。只要達到這一速度，在地球上特定位置、特定時間向一個特定角度發射即可把物體打到月球上。

然後就是計算利用現有技術可達到的最大加速度有多大。我們的計算中取該磁場為20T（此前我們認為現有永磁體最大可產生的磁場是97.4T，但實際上97.4T的並不是永磁體而是電磁鐵的脈衝磁場，感謝網友samlinlin指正）。而電容放電產生的磁場最大也可以到10T量級，維持時間為秒的量級。我們的計算中認為該磁場可以達到5T，只需維持秒的量級即可。設定一些典型參數，例如拋射體質量為10噸、線圈間距為1m等，則可以計算出此時的加速度可以達到約為9.7km/s²。

由最終的速度和加速度，就可以確定出我們要建的軌道的長度：約為5000米。這確實是一個很長很長的距離，但是並不是不可行的，只要依靠高山而斜向建立即可，必要的時候需要向地下鑿洞。而且，只要磁場或者電容放電電流再變大為2倍，或者載重變為原來的一半，此距離就可以縮短為一半，目前的計算僅為保守估計。

以上計算雖然和實際還是稍有出入，但是計算已經表明，電磁加速發射物資到月球已經沒有根本性的困難。

技術仍然在不斷進步，如果這個方案初步可行，那麼將航天事業的投資的一部分去研究怎樣更經濟地產生更強的磁場，前景將會更好。

經濟性當然，建造這條軌道是需要巨資的，但是這屬於一勞永逸的項目，一旦建好，日後的發射成本就非常低了，而且可以發射頻率非常高。每次發射的成本，無非就是電容放電消耗的電能，以及被拋射的永磁體的製作費用。電能的錢完全可以忽略不計，永磁體的成本還是個未知數，但是如果將來能大量生產，其成本也會下降。

另外，為了更加節約成本，被拋射的永磁體也可以替換為超導線圈，這樣產生的磁感應強度也可以足夠大，現有托克馬克裝置的磁場就是超導線圈產生的，其強度最大可達10T量級。因為發射時間很短，因此不必太擔心液氦或者液氮的維持問題。而超導線圈的技術現在已經成熟，其成本顯然遠小於每次發射火箭的成本。

建造軌道的成本其實可以參考修建地鐵的成本，對於我們萬能的中國來説，修建一條5000米長的地鐵，應當不是一件困難的事情。

仍需考慮的問題以上的計算分析只是很理論的分析，真正的可行性還需要就整套方案的所有細節進行工程上的可行性分析。經濟性仍然需要做比較詳細的評估，建造軌道及每次發射的費用還需要進行調查。另外，對於如此超高速的物體在大氣阻力中究竟如何行為，仍需研究。

結論用電磁大炮的方式往月球上運輸物資，雖然現階段還屬於一種天馬行空的暢想，但是也許不久的將來，這樣一條軌道就真的可以被建造出來了，我期待着這一天的到來。