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用离心机发射卫星,比猎鹰火箭便宜120倍,马斯克要被淘汰?

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老粥科普 2021-05-16 21:34

谁也不能否认,美国是一个经常诞生奇迹的地方

经常,会有那么一帮科技“狂人”展开他们硕大无比的脑洞,将一些奇奇怪怪的念头画成PPT,然后拿到华尔街去游说圈钱,搞到钱之后再请来科学家、工程师和画匠,将PPT一部分变成现实,一部分变成更加漂亮的PPT。你还别说,他们中的一部分还真成了,比如说埃隆·马斯克。

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埃隆·马斯克

2015年,美国硅谷又诞生了一家名为Spinlaunch的公司,其创始人声称他要造一台巨大的离心机,用它来把卫星甩上天。与传统的火箭发射方式不同,Spinlaunch的离心机能一天发射5次,并且每次的发射成本仅有50万美元!

50万美元是个什么概念?要知道马斯克如日中天的猎鹰9号火箭每次发射收费6200万美元,他已经声称这是“全世界”最便宜的火箭了(当然了,美国人的世界不包括咱们),即便猎鹰在太空中撒土豆,它也比50万美元贵许多。

猎鹰9号称全球最便宜的火箭

有如此低的发射成本,Spinlaunch公司似乎前景光明,赚大钱那是迟早的事。

离心机发射卫星既然如此便宜,它是否符合科学原理呢?

离心运动的科学

学过高中物理的同学多半会告诉你:“离心力”这个说法是错误的,没有离心力,只有离心运动和向心力。

在生活中我们经常会用到离心运动。洗衣机利用它来脱水;水泵利用它来抽水;孩子们爱吃的棉花糖就是拿离心机做的;科学家则利用高速离心机来提纯铀;运动员利用它将链球扔到很远的地方......甚至青藏高原放牛娃的抛石绳也是利用离心运动的原理来扔石头驱赶远处的牛群。

运动会上的投石比赛运用的就是离心运动原理

在物理学中,“离心力”指的是一种惯性力,在旋转参考系中它是一个明显向外的伪力(虚拟力),而如果你用惯性参考系来描述一个系统时,它又只是旋转所产生的惯性效应。

与“离心力”相反,向心力是维持物体保持旋转运动轨迹的一种力,它的方向始终指向旋转参考系的中心,力的大小与惯性力相等方向相反。

离心力是一种虚拟力

链球运动员要想将链球扔到足够远,他得使球旋转起来。链球围绕着运动员越转越快,运动员拉扯链子的力也越来越大,这个力就是向心力,向心力F 的大小与球的质量m、铁链(加手臂)的长度r 以及旋转的角速度ω 有关,以公式表述为:

F = mω(^2)r

这意味着球越重、铁链越长,运动员需要的拉力越大,而旋转的速度则决定了奖牌的归属。

链球运动员旋转的速度决定其成绩

当然了,以上只是简便的分析,目的在于让你更直观地理解离心运动。实际上链球运动员要考虑的还有很多,她不仅要使身体尽量快地旋转,还需要考虑出手时机以及出手时的角度等等。

Spinlaunch公司在它的PPT里重点考虑的是速度,因为只有让航天器超过7.9km/s的第一宇宙速度才有可能让它逃脱地球的引力进入太空。

Spinlaunch公司是怎么做的呢?

从Spinlaunch公开的资料看,他们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,为了克服空气阻力,航天器将制成长长的箭形。

当旋臂在离心机中一点点加速,航天器的切线速度将超过音速,而在其速度超过23倍音速时与旋臂脱离,使其从一个发射口射出去,从而飞向太空。

Spinlaunch公司的宣传图片

当链球运动员大吼一声将铁球投掷出去时,一切都显得很完美。Spinlaunch公司也似乎只需要静静等待飞船进入太空就完事了。然而事情真的如想象一般简单吗?

回答是:No !

Spinlaunch公司显然需要解决许多常识性的问题。

问题一:Spinlaunch的离心发射器如何才能克服空气阻力?

我们生活在地球上,空气是我们周围不可或缺又无处不在的东西。从数学的角度,你确实能以7.9公里/秒的速度将卫星扔到近地轨道上去;但在物理角度这不可能实现,因为粘稠的空气会与卫星表面摩擦,将其势能转化为热能,要不了几秒钟它就变成一团隆隆作响的火球坠落在地面上。

离心机的旋臂同样需要克服强大的空气阻力,没有一种材料可以在23倍音速的空气摩擦中长时间幸存,更不要谈“一天发射5次”了。如果为了减少空气阻力将离心机抽成真空,航天器在发射隧道打开的瞬间也将面临灾难,因为这与撞到水泥墙并没有什么区别。

Spinlaunch关于离心发射系统的设想

问题二:航天器如何克服强大的过载?

好吧,Spinlaunch说他们抽真空,我们不考虑离心机里的空气阻力。

假设离心机最终发射速度为8km/s,旋臂长度为100米(图片中是50米),航天器需要承受多少个G的加速度?

先求角速度 :

ω = v / r = 8000 ÷ 100 = 80 rad/s ;

1 rad ≈ 57.3° ;

因此离心机旋臂的转速应该大于12.73圈/秒。

假设一个质量为100千克的航天器将从离心机里发射,它要承受的G力大约相当于旋臂对它的拉力:

F = mω(^2)r = 6400000 N

也就是说,这个航天器在离心机里将要承受超过其自身重量64万倍的侧向过载。

你知道有哪个电子产品可以承受如此巨大的过载吗?没有。更何况这么大的过载是作用于航天器的侧向而不是纵向,它早就被挤扁了。

问题三:航天器如何克服音爆?

我们知道当飞机跨音速飞行时,它会压缩前方的空气,空气激波会产生音爆现象。飞行员一般不被允许在低空做超音速飞行,它会震碎沿途的窗户玻璃,还有可能损害人们的听力。

你能想象一个巨大的旋臂带着飞船在一个封闭狭窄的离心机里超音速旋转时的振动波吗?它所引发的强大声波会摧毁离心机里的一切,甚至包括离心机本身。

诸如此类的问题还有很多,比如航天器的轨道控制如何实现等等,限于篇幅就不一一赘述了。

Spinlaunch破土动工

科学来不得半点忽悠

迈克·沃尔在Space.com网站的一篇文章标题直接揭示了问题的本质:《鬼鬼祟祟的太空创业公司SpinLaunch又从投资者那里骗到了3500万美元》。

建成后的Spinlaunch总部

从目前已知的科学常识来看,SpinLaunch将卫星“甩”上太空是一个不可能实现的幻想。不要说他们几乎不可能将一个航天器通过离心机加速到第一宇宙速度,即便是达到这个速度,航天器也将在稠密的空气中迅速减速、发热并烧毁;如果离心机只是将运载火箭加速到音速再将其扔到高空点火发射,他们也需要考虑为火箭专门设计一套极其坚固可靠的发动机和燃料箱,其成本也远不只是50万美元了。

不过用离心运动的原理发射炮弹或别的什么东西或许值得试一试,SpinLaunch已经获得了几家企业8000万美元的投资,他们想到的应该比科学更多吧?

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