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用离心机把卫星“扔”进太空

时间:2022-05-23 21:57  作者:admin  来源:未知  查看:  
内容摘要:华南江南降水继续 北方有大范围沙尘 ,人类利用离心力投掷物体并用于军事行动的历史非常悠久,从古罗马时期的抛石机到第一次世界大战期间的掷弹装置。进入21世纪,随着探索太空的步伐加快,一个大胆的想法诞生了利用巨型离心机将卫星等载荷抛向宇宙,大幅削...

  华南江南降水继续 北方有大范围沙尘,人类利用离心力投掷物体并用于军事行动的历史非常悠久,从古罗马时期的抛石机到第一次世界大战期间的掷弹装置。进入21世纪,随着探索太空的步伐加快,一个大胆的想法诞生了——利用巨型离心机将卫星等载荷抛向宇宙,大幅削减航天发射的成本。

  不久前,这种听起来如同科幻的想法被美国一家初创公司变成了现实。今年10月底,总部设在加利福尼亚州的SpinLaunch公司,在位于新墨西哥的试验场首次测试了其“亚轨道加速器”的原型机。从演示视频看,这个装置的外形酷似钟表盘,内部装有处于真空中、由电力驱动的离心机。需要发射升空的物体被固定在“钟表指针”上,一直加速旋转到数倍音速,另有一个平衡器反向旋转。达到设定速度后,运载器冲破发射筒顶部的薄膜,在不到1毫秒的时间内被抛向高空。此后,火箭发动机启动,继续向预定轨道前进,直至释放卫星。

  成立于2014年的SpinLaunch公司此前鲜为人知。该公司首席执行官乔纳森·亚尼称,这套装置“是使用地面系统将运载火箭加速到高超音速的截然不同的方式”。他说,SpinLaunch在第一次测试中使用的离心加速器的尺寸只有最终版本的1/3,但仍然高达近百米;被抛射到高空的亚轨道运载器长度约3米,将它加速到每小时3000英里(约4828公里),只消耗了约20%的加速器功率。

  这次测试旨在验证空气动力学和释放机制方面的基本概念。运载器升空后被回收,因为“可重复使用”是SpinLaunch公司计划中最关键的部分之一。回收系统会增加运载器的体积和复杂性,但也能证明其价值——运载器用特殊材料制成,足以承受高速和与空气摩擦产生的热量。

  下一步,该公司打算在运载器内安装火箭发动机,以实现更持久的轨道飞行能力。这台发动机在运载器上升到高空后才会开始工作。根据SpinLaunch公司的说法,火箭在约6.1万米的高度点燃之前,运载器会在无动力状态下滑行约1分钟。

  用离心机发射的载荷无需额外动力就可以冲出大气层,今后,这类技术能够以“零排放”发射卫星和其他航天器。后续测试很快就会开始,该公司计划在未来6个月到8个月内进行约30次亚轨道试飞。SpinLaunch公司表示,它正在进行风险控制研究,努力完善设计,产品正式定型后的名称是“L100轨道质量加速器”。

  用离心机产生的动能进行航天发射,听起来匪夷所思,如果这种技术完全成熟,将比传统的太空发射系统更具优势。时至今日,运载火箭携带的燃料占了相当大的比重,有效载荷的尺寸和重量因此被压缩。相比之下,SpinLaunch公司的方案使用小得多的运载器,燃料负荷减少,有效载荷占比相应增加。按该公司的计算,现有技术可将重约180公斤的有效载荷送入轨道。

  SpinLaunch公司已从各路投资者手中筹集了1.1亿美元,目标是进军商业航天发射市场。这个项目中的成熟技术同样具有军事潜力。据美国“太空”网站报道,五角大楼已对这家公司的技术产生兴趣。

  这套系统在投掷重量上依然存在局限性,无法将更大更重的有效载荷送入轨道,而传统的运载火箭的投送重量以吨为单位。不过,SpinLaunch仍能满足美国空军及太空部队和导弹防御局的部分要求,这些部门越来越需要将小型卫星送入太空。

  更重要的是,快速将航天器发射升空对军事行动具有特殊意义。现在,各国军方面临这样的现实:中大型卫星目标明显,易受动能武器、空间碎片的威胁。如果现有的卫星受损而停止运行,SpinLaunch公司的方案可能是在短时间内将小型卫星发射上天的理想方式。战时,成群结队的小卫星组成的“星座”完全可以像大型卫星一样覆盖全球。

  相关概念的应用场景不限于太空发射。美国“slashgear”网站分析认为,发展超远程打击能力,也就是在短时间内从远处轰炸目标的能力,是美军当前的首要任务之一。用离心加速器在大气层内远距离投掷弹头的场面不难想象。尽管SpinLaunch公司的系统最初并不是为了进攻性任务设计的,但它在武器化应用方面的潜力似乎对军方具有更强的吸引力。

  SpinLaunch并不是唯一一家致力于降低航天发射成本的初创公司。去年,美国Aevum公司展示了Ravn-X自主运载火箭,它类似可重复使用的无人机,下方吊挂一枚运载火箭,可将卫星等有效载荷发射到低轨道。Aevum公司声称它提供了比传统火箭更简单、更便宜和更灵活的解决方案。今年夏天,GreenLaunch公司在美国陆军位于亚利桑那州的尤马试验场进行了相关测试。

  此外,竞争对手还有诺斯罗普·格鲁曼公司的“观星者”系统和维珍公司的“轨道发射器一号”,它们使用改装的客机发射火箭,快速将卫星送入轨道。“观星者”拿到了军方的测试性订单。

  相比之下,SpinLaunch公司基于离心机的发射系统涉及固定基础设施,如传统发射台,欠缺机动性和灵活性。SpinLaunch表示,预计将在2024年年底执行首次商业发射任务。首席执行官亚尼称,离心加速器可以将进入轨道所需的燃料减少75%,成本降低90%。一旦最终版系统就绪,该公司将在沿海地区寻找能够支持每天数十次发射的设施。在不动用大型火箭的前提下,如此之高的发射频率会进一步拉低将有效载荷送入太空的成本。

  人类利用离心力投掷物体并用于军事行动的历史非常悠久,从古罗马时期的抛石机到第一次世界大战期间的掷弹装置。进入21世纪,随着探索太空的步伐加快,一个大胆的想法诞生了——利用巨型离心机将卫星等载荷抛向宇宙,大幅削减航天发射的成本。

  不久前,这种听起来如同科幻的想法被美国一家初创公司变成了现实。今年10月底,总部设在加利福尼亚州的SpinLaunch公司,在位于新墨西哥的试验场首次测试了其“亚轨道加速器”的原型机。从演示视频看,这个装置的外形酷似钟表盘,内部装有处于真空中、由电力驱动的离心机。需要发射升空的物体被固定在“钟表指针”上,一直加速旋转到数倍音速,另有一个平衡器反向旋转。达到设定速度后,运载器冲破发射筒顶部的薄膜,在不到1毫秒的时间内被抛向高空。此后,火箭发动机启动,继续向预定轨道前进,直至释放卫星。

  成立于2014年的SpinLaunch公司此前鲜为人知。该公司首席执行官乔纳森·亚尼称,这套装置“是使用地面系统将运载火箭加速到高超音速的截然不同的方式”。他说,SpinLaunch在第一次测试中使用的离心加速器的尺寸只有最终版本的1/3,但仍然高达近百米;被抛射到高空的亚轨道运载器长度约3米,将它加速到每小时3000英里(约4828公里),只消耗了约20%的加速器功率。

  这次测试旨在验证空气动力学和释放机制方面的基本概念。运载器升空后被回收,因为“可重复使用”是SpinLaunch公司计划中最关键的部分之一。回收系统会增加运载器的体积和复杂性,但也能证明其价值——运载器用特殊材料制成,足以承受高速和与空气摩擦产生的热量。

  下一步,该公司打算在运载器内安装火箭发动机,以实现更持久的轨道飞行能力。这台发动机在运载器上升到高空后才会开始工作。根据SpinLaunch公司的说法,火箭在约6.1万米的高度点燃之前,运载器会在无动力状态下滑行约1分钟。

  用离心机发射的载荷无需额外动力就可以冲出大气层,今后,这类技术能够以“零排放”发射卫星和其他航天器。后续测试很快就会开始,该公司计划在未来6个月到8个月内进行约30次亚轨道试飞。SpinLaunch公司表示,它正在进行风险控制研究,努力完善设计,产品正式定型后的名称是“L100轨道质量加速器”。

  用离心机产生的动能进行航天发射,听起来匪夷所思,如果这种技术完全成熟,将比传统的太空发射系统更具优势。时至今日,运载火箭携带的燃料占了相当大的比重,有效载荷的尺寸和重量因此被压缩。相比之下,SpinLaunch公司的方案使用小得多的运载器,燃料负荷减少,有效载荷占比相应增加。按该公司的计算,现有技术可将重约180公斤的有效载荷送入轨道。

  SpinLaunch公司已从各路投资者手中筹集了1.1亿美元,目标是进军商业航天发射市场。这个项目中的成熟技术同样具有军事潜力。据美国“太空”网站报道,五角大楼已对这家公司的技术产生兴趣。

  这套系统在投掷重量上依然存在局限性,无法将更大更重的有效载荷送入轨道,而传统的运载火箭的投送重量以吨为单位。不过,SpinLaunch仍能满足美国空军及太空部队和导弹防御局的部分要求,这些部门越来越需要将小型卫星送入太空。

  更重要的是,快速将航天器发射升空对军事行动具有特殊意义。现在,各国军方面临这样的现实:中大型卫星目标明显,易受动能武器、空间碎片的威胁。如果现有的卫星受损而停止运行,SpinLaunch公司的方案可能是在短时间内将小型卫星发射上天的理想方式。战时,成群结队的小卫星组成的“星座”完全可以像大型卫星一样覆盖全球。

  相关概念的应用场景不限于太空发射。美国“slashgear”网站分析认为,发展超远程打击能力,也就是在短时间内从远处轰炸目标的能力,是美军当前的首要任务之一。用离心加速器在大气层内远距离投掷弹头的场面不难想象。尽管SpinLaunch公司的系统最初并不是为了进攻性任务设计的,但它在武器化应用方面的潜力似乎对军方具有更强的吸引力。

  SpinLaunch并不是唯一一家致力于降低航天发射成本的初创公司。去年,美国Aevum公司展示了Ravn-X自主运载火箭,它类似可重复使用的无人机,下方吊挂一枚运载火箭,可将卫星等有效载荷发射到低轨道。Aevum公司声称它提供了比传统火箭更简单、更便宜和更灵活的解决方案。今年夏天,GreenLaunch公司在美国陆军位于亚利桑那州的尤马试验场进行了相关测试。

  此外,竞争对手还有诺斯罗普·格鲁曼公司的“观星者”系统和维珍公司的“轨道发射器一号”,它们使用改装的客机发射火箭,快速将卫星送入轨道。“观星者”拿到了军方的测试性订单。

  相比之下,SpinLaunch公司基于离心机的发射系统涉及固定基础设施,如传统发射台,欠缺机动性和灵活性。SpinLaunch表示,预计将在2024年年底执行首次商业发射任务。首席执行官亚尼称,离心加速器可以将进入轨道所需的燃料减少75%,成本降低90%。一旦最终版系统就绪,该公司将在沿海地区寻找能够支持每天数十次发射的设施。在不动用大型火箭的前提下,如此之高的发射频率会进一步拉低将有效载荷送入太空的成本。

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