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電磁炮的臆想
2010/10/26 12:55
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前言

民國 99 年10月1日 18 時 59 分 57 秒老共成功發射嫦娥二號探月衛星,由於這次發射應用很多新的技術,著實讓中國人臉上增色不少,在此大隻熊不免俗套要額手稱慶一番。不過就在大家將注意放在變軌、進月制動、推進軌跡是否像導彈軌跡的時候,大隻熊已經偷偷將目光放到月球土壤中的『氦-3』之上,而這種在地球上很難得到的物質是清潔、安全和高效的核聚變發電燃料,可提供便宜、無毒、無放射性的能源,被科學界稱為『完美能源』

據俄羅斯專家估算,在10~15平方公里範圍,深度為 3 米的月壤,即可獲得約 1 噸氦-3,足以保證一個功率為1000萬千瓦的發電機組工作 1 年。而 100 噸的氦-3 就可以滿足地球上 1 整年的能源需求,所以即使月球蘊藏氦-3 約為 100 萬噸,就可滿足全球數千年的電力需要。而美國航天專家指出,用航天飛機往返運輸,一次可運回 20 噸液化氦-3,可供美國一年的電力。這太划的來了。

但是,前期建設月球上的基地的材料還是需要由地球運過去吧!以目前各國火箭的酬載能力來看,我想應該沒有那一國可以負擔得起那麼大量的運輸!?況且火箭燃料又是那麼有劇毒,多射幾次,我看整個地球都會被污染了!?所以我想起了電磁炮,如果這家伙確實可運行,發射成本就會降低,而且又沒污染,那麼建立月球基地就有指望了!

靈感來源

巴巴多斯大炮

『巴巴多斯』大砲於 1963 年(距今 47 年前)由布爾博士在加勒比海的巴巴多斯島上建成,大炮在隨後進行的射擊中,大炮成功地將 90 公斤重的炮彈拋射到 180 公里高的太空。後來的模擬計算表明,這門火炮理論上能夠將 100 公斤重的炮彈發射到 4000 公里遠的地方,發射 214 公斤重的火箭增程彈時射程達到 2570 公里。重量稍輕一些的載體則可以垂直發射送到 250 公里以上的太空!而 1970 日本首次發射成功的 Ohsumi 衛星全重只有 24 公斤,1958 年美國第一次進入軌道的 Xplorer 1 衛星,本身僅重 4.76 公斤而已。歐洲環境衛星是一枚由歐洲空間局建造的地球觀測衛星,原名為「Envisat」,是由「Environmental Satellite」(環境衛星)組成的複合字。這枚衛星在 2002 年 5 月 1 日由亞利安娜5型火箭搭載,發射至太陽同步兩極軌道上790公里(±10公里)的高空。至於低空衛星的高度是 184 公里。

下表是各國火箭的酬載能力的比較,我們可以看到最大的酬載能力不過 20 噸左右,但火箭本身質量卻是酬載重量的 6 ~ 10 倍。這是一個很沒經濟效率的作法。如果可以用大炮的方式,作為投射工具,其報酬率可謂相當驚人。

火箭酬載比較表

戰神1號(美)戰神5號(美)聯合號(俄)質子M號(俄)亞力安 5號(歐)長征3號丙(中)長征2號 F(中)H2 B(日)PSLV(印)米諾陶-4(Minotaur IV)(美)長征 5 號(中)
首發時間98年107年55年90年97年97年88年98年90年99年104年
尺寸高 94 米
直徑5.5米
高106米高 45.6 米
直徑10.3米
高 53 米高59 米
直徑5.4米
高54.8 米
直徑3.35米
高62米
直徑3.35米
高56 米高49 米
直徑2.8米

節數222423333
質量308噸12.8噸777噸345噸48噸551噸402噸
運載能力近地軌道 25 噸近地軌道188噸

近地軌道 2.1 噸

地球轉移軌道5.5噸

地球同步軌道3.2噸

近地軌道 21噸

地球同步軌道10.5噸

地球同步軌道3.8噸

近地軌道 7.8 噸近地軌道 8 噸

近地軌道 5 噸

地球同步軌道2.5噸

近地軌道 25 噸

地球同步軌道14噸

發射紀錄測試 1 次

30 次發射

28 次成功

43 次發射

34 次成功

4 次發射

4 次成功

7 次發射

7 次成功

1 次發射

1 次成功

5 次發射

3 次成功

備註大氫氧發動機或液氧煤油發動機第一級固體火箭助推器,二級為氫氧發動機火神大氫氧發動機或液氧煤油發動機一、二級YF-22發動機,燃料採四氧化二氮/偏二甲肼,三級則採用液氫/液氧發動機。YF-22發動機,燃料採四氧化二氮/偏二甲肼  大氫氧發動機或液氧煤油發動機。四級推進方式,前三級為固體燃料推進火箭,第四級(後期推進載具)使用可儲式液體燃料自燃推進系統。120噸液氧煤油發動機和50噸氫氧發動機,無毒、無污染、高性能、低成本和大推力。

電磁炮的結構和原理

從上面的『巴巴多斯』大砲的資料來看,早在 47 年前,大砲就具有發射衛星的能力。但是後來為何沒有發展下去?我估計與衛星變軌、防震材料、大砲炮身的冶金技術(耐磨、耐高溫)有絕對的關係。然而在 47 年後,一個新型態的大砲不但解決了高溫、耐磨的問題,同時彈丸的初速要比『巴巴多斯』大砲高上許多,那就是『電磁炮』。

電磁炮的工作原理
magnetic field=磁場
driving current=驅動電流
positive conducting rail=引導正軌道
armature=電樞(就是機器部件外殼)
projectile=發射彈頭
armature current=電樞電流
armature magnetic field=電樞磁場
negative conducting rail=引導負軌道

美國海軍電磁炮發射瞬間,這是一種有火藥助推的電磁炮。

電磁炮它主要由電源、高速開關、加速裝置和炮彈四部分組成。根據結構和原理的不同,可分為以下幾種類型:

(一)線圈炮:線圈炮又稱交流同軸線圈炮.它是電磁炮的最早形式,由加速線圈和彈丸線圈構成.根據通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的.加速線圈固定在炮管中,當它通入交變電流時,產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流.感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用,產生洛侖茲力,使彈丸加速運動並發射出去。

(二)軌道炮:軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去.它由兩條平行的長直導軌組成,導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸.當兩軌接人電源時,強大的電流從一導軌流入,經滑塊從另一導軌流回時,在兩導軌平面間產生強磁場,通電流的滑塊在安培力的作用下,彈丸會以很大的速度射出,這就是軌道炮的發射原理。

(三)電熱炮:電熱炮的原理完全不同於上述兩種電磁炮,其結構也有多種形式.最簡單的一種是採用一般的炮管,管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極,燃燒器安裝在炮後膛的末端.當等離子體燃燒器兩極間加上高壓時,會產生一道電弧,使放在兩極間的等離子體生成材料(如聚乙烯)蒸發.蒸發後的材料變成過熱的高壓等離子體,從而使彈丸加速。

(四)重接炮:重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發射裝置,沒有炮管,但要求彈丸在進入重接炮之前應有一定的初速度.其結構和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置,之間有間隙.長方形的「炮彈」在兩個矩形線圈產生的磁場中受到強磁場力的作用,穿過間隙在其中加速前進.重接炮是電磁炮的最新發展形式。

但是電磁炮有一個問題,那就是在已知的資料裡,似乎砲彈的質量都不高,我不知道是否是因為是要設計成武器的緣故,必須考慮可攜帶性進而影響到砲管長度,也就是加速時間?還是材料上無法解決掉大電流的問題?總之我認為電磁炮至少要能一次載運至少 8 噸物資到低空軌道,這樣才比較具有意義。

真空管道磁懸浮列車

我在電磁炮資料搜尋中,我感覺到一些挫折,似乎以大砲取代火箭作為太空運載的方式並不可行!?但是當我搜尋到『真空管道磁懸浮列車』的時候,我看到一線署光,根據維基百科的介紹,這種真空磁浮列車至少有 4000 公里/小時的運行速度,理論值甚至可到達 20,000 公里/小時的速度,基本上已經達到第一宇宙速度。而且重點是早在 2001 年大陸已經開始著手研究,估計在 2020 年實現營運。如果成功?乖乖隆滴冬這將會一項了不起的成就。

真空管道磁懸浮構想圖

想想如果我們在平均海拔在 4260 米的西藏高原,以 10 公里為半徑,建設一個類似歐洲大型強子對撞機的環形軌道。然後磁浮列車在裡面開始加速,等到到達足夠速度的時候,再將列車引導到 5000 米以上的高度發射出去。此時不管是空氣壓力、或者密度只有海平面的一半,我估計成功的機會是非常大!?而且一次可以發射多節列車的量。

這個意義實在太重大了,而且中國是完全掌握相關的重要技術的,比方說藏青鐵路的完工與營運,說明了中國已攻克在高原施工的困難點。嫦娥 2 號發射成功,說明中國已完全掌握衛星變軌的全部技術。至於磁浮列車技術上那就更不成問題,而且從造價上來看,目前普通鐵路造價每公里 1.5 億,其隧道斷面大概在 6 米到 8 米之間,而真空磁懸浮管道斷面只有 4 米到 5 米之間,可省去很多鋼材費用,所以費用比普通鐵路更便宜。

結論

我在之前的文章中說過,現在的世界是一個高耗能的世界,所以今後的世紀,誰能掌握能源,誰就能掌控全世界。但是中國目前來說能夠掌握多少能源呢?很不幸的截至 2010 年,中國所需的原油有 50% 還是必須仰賴進口,而且未來還有增加的趨勢。這是一個很嚴重的問題,這不光是牽扯到經濟問題,更攸關到國防問題!?所以當網路上有人動不動鼓吹『中美博奕』中,中美必有一場大戰時,我就非常擔心,萬一一旦開戰,中國的石油管道被老美掐斷時,中國區域優勢還能維持多久?

不過有一個好消息是,很快我們就不用考慮石油的問題,根據科學家的估計大約在西元 2048 年(距今約 38 年後)左右石油的世界蘊藏就用完了,到時候就必須使用新的能源來取代石油。38 年說長,不長。說短,也不短。但足以讓人類科技翻新一個世代。所以中國當務之急,就是趕快佔領月球吧!雖然 1967 年聯合國的『外太空公約』中有規定,任何國家都不能將太空的任何部分佔為己有。但是,由於老共在 1971 年 11 月才加入聯合國的,所以可以不承認這個公約。況且國際社會本來誰的拳頭大,誰就是真理。

電影『遠離家園』劇情中最精彩的一段是,湯姆漢克斯與尼可基曼騎快馬為了搶插旗爭地的那一段,充滿了浪漫、冒險、以及未知的憧憬等。我一直以為今生沒機會體驗像電影那樣的情節了,但現在看來還是有機會到月球去插旗了,不管是在夢裡還是現實!?

遠離家園

後記

網友『中州楚佩』在回應文中提到,真空磁浮列車在出隧道口的時候會有一個反向氣壓問題(銘謝中州楚佩的熱情回應),於是我提出一個相應的解決方案,那就是在出隧道口之前,預留一段空氣加壓的隧道,並且注入比方是約 0.01 個大氣壓的空氣。列車在環形管道加速之時,這個隧道是密閉的,等到加速到發射速度時再進入這個隧道,此時利用列車本身的體積與動能對加壓隧道裡的空氣進行加壓,最後加壓到大於或等於隧道口外界自然氣壓時,列車出隧道口時就沒有所謂反向氣壓的問題。

其實當初我在撰寫本文的時候考慮的是另外的問題。還記得我在螺旋槳飛機的臆想(續)一文中所提到跳水問題嗎?當物體從一個介質(或者真空)以高速撞向另一個介質(空氣或水)的時候,除了有撞擊與振動的問題之外,還有一個就是方向會偏折的問題?我不知道這個問題會不會很嚴重(因為考慮中國已經掌握衛星變軌技術)?但是上面所描述的方法應該可以順帶解決這個問題。

至於環形軌道的工程問題,如果考慮只送到 150 公里的低空軌道,根據斜拋運動的飛行高度公式 H = (V0 * Sinq)2/2g  = 150000 取垂直角度 90 度,則初速為 1715 公尺/秒,然後根據向心力公式 F = mV2/R = (8000 公斤)*(1715 公尺/秒)2/ (10000 公尺)=  2,352,980 公斤重 = 2,353 公噸重。嗯~~我不是學土木工程的,但是我想可能一般鋼筋水泥無法承受吧!?不過沒關係,我們再把 8 的物資平均分散到環形軌道的 8 個點,則每一個點受力 294 噸,我想這在土木工程上應該就沒有問題了吧!如果還不行就把環形軌道建在山體或地底,或者加大環形軌道半徑。當然這只是我個人的臆想而已,至於是不是異想天開,就留給科學家去驗證吧!

參考連結

?基百科 -- 宇宙速度
人類何時能用上月球能源 專家稱十年內難指望
美國電磁炮試驗視頻曝光
不用火藥的電磁炮:美海軍未來戰艦的主力武器
遠離家園 (電影)
嫦娥二號
終極絕唱:用超級大炮發射衛星
人造衛星是怎樣發射的?
真空管道磁懸浮列車
大推力火箭之夢
火箭核能熱力推進系統
中國航天在全球太空競賽中的最真實水平和位置【一】
存在廉價發射方式之電磁炮
維基百科 -- 電磁炮
電磁炮擁有諸多優勢 將成21世紀的戰場利劍
中國大陸能源安全政策與戰略目標
世界石油分佈(組圖)
石油問題
石油危機,你該如何應變?
國際太空法
七大最有前途技術 從噴氣背包到壁虎腳粘力
太空電梯
什麼是?『氦3』??
第一宇宙速度
基於卡爾曼濾波的彈道軌跡修正研究
衛星的飛行原理和軌道
中華二號衛星在中繼軌道(Parking Orbit)運行時高空大氣閃電影像儀的觀測區域軌跡模擬
強行斷電拚節能 柴油荒 二千家加油站缺油停業

參考資料(甲)

  1. 第一宇宙速度,為地球環繞速度,必需在150千米的飛行高度上,環繞速度為 7.8公里/秒。計算公式:(V1 = gR)0.5 其中 g 取 9.8 m/sec2,R (地球半徑)約為 6370 公里。
  2. 第二宇宙速度,亦即地球的逃逸速度,在該軌道加速,約為 10.9 公里/秒。
  3. 第三宇宙速度,亦即太陽的逃逸速度,要脫離太陽引力所需的初始速度為 42.1 公里/秒,但地球繞太陽公轉時令地面所有物體已具有 29.8 公里/秒的初始速度,故此若沿地球公轉方向發射,只需在脫離地球引力以外額外再加上12.3千米/秒的速度。
  4. 第四宇宙速度是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛,飛出銀河系所需的最小初始速度。但由於人們尚未知道銀河系的準確大小與質量,因此只能粗略估算,其數值在110~120 公里/秒之間。

根據牛頓萬有引律定律,物體離地球表面越高,地球對其引力越小,物體所需的第一、第二宇宙速度也必然減小。據計算,在離地面36,000公里的高空,物體的環繞速度為 3 公里/秒,而離地面 38 萬公里高的月球,它的環繞速度只有 1 公里/秒。但需要說明的是,雖然軌道越高,物體所需環繞速度越小,但要把物體從地面送到較高的軌道,運載火箭克服地球引力和空氣阻力耗功更多,要求運載火箭的推力也必須相應增大。地球的大氣層厚度雖有 2,000 ~ 3,000 公里,但大氣品質的 99% 都集中在海平面以上的 30 公里內,為了保持衛星在空中的正常運行不至因空氣阻力的影響而很快隕落,通常人造衛星都被發射至 120 公里以上的高空。

參考資料(乙)

高度(米)氣壓(豪巴)空氣密度(克/米3)含氧量(克/米3)相對於海平面﹪沸點(℃)
7.0004205731334777
6.0004816441495280
5.0005497191665984
4.0006248021866587
3.0007078922067390
01013.21292260100100

參考資料(丙)

青藏鐵路享有「天路」的美名,工程難度亦難如登天,由格爾木至拉薩段1142公里長的鐵路,穿越昆侖山和唐古喇山,有960公里的路段在海拔4000米以上,最高部分海拔達5072米,穿越溼地、凍土區、高原冰川等嚴酷的地形,是中國最受全球囑目的世紀工程。沿線的主要景觀有─格爾木:昆侖山融雪沖積形成的綠洲。昆侖山口:全球最長的高原凍土隧道─全長1686米的昆侖山隧道。可哥西裡:全球最長的鐵路橋─全長11.7公里的清水河特大橋,與可哥西裡藏羚羊自然保護區。長江源:長江發源地沱沱河,與全球海拔最高的隧道─風火山隧道。唐古喇山口:西遊記中的通天河,與全球最高海拔5072米的唐古喇車站。藏北草原:高原明珠錯那湖與藏野驢保護區。

藏青鐵路

參考資料(丁)

馬克·捨特爾沃斯,1973年9月18日生於南非自由邦(FreeState)的魏爾康市(Welkom),是一名企業家。1995 年,他成立了薩瓦特公司,致力於數字認證與網絡安全。1999 年 12 月,他將薩瓦特賣給了維爾賽恩公司,隨後他成立了HBD 風險投資公司,從事商業孵化與風險投資。他還成立了捨特爾沃斯基金會,這個非盈利組織旨在推動社會進步,同時也為南非的一些教育項目提供資金。

2002 年 4 月 25 日,捨特爾沃斯作為平民宇航員,搭乘俄羅斯聯盟 TM-34 號宇宙飛船前往太空,為此他花費了兩千萬美元,同時也贏得了全世界的矚目。經過兩天航行,聯盟號飛船抵達國際空間站,在空間站的八天時間裡,他參與了艾滋病疫苗的試驗以及基因方面的研究。5 月 5 日,返回地球。為了這次航行,捨特爾沃斯花了一年時間進行前期訓練與準備,包括在莫斯科的星城呆了七個月。

捨特爾沃斯是 Debian 早期開發者之一。2004 年,他重返 GNU/Linux 世界,通過他的 Canonical 有限公司,資助 Ubuntu Linux 的開發。2005 年,他成立了 Ubuntu基金會,提供了一千萬美元的啟動資金,作為維持 Ubuntu 運作的應急儲備。

Ubuntu創始人馬克·捨特爾沃斯

這是一位傳奇性十足的人,詳細請看 Ubuntu( 百度-百科) 馬克·捨特爾沃斯

參考資料(戊)

『氦-3』據介紹,這是一種無色、無味而穩定的氦氣同位素, 氣瓶中的高壓氣體,天然『氦-3』的含量為 1.38X10.6。 自然界中,存在著『氦-3』和『氦-4』兩種同位素。 『氦-4』的原子核有兩個質子和兩個中子,稱為玻色子, 而『氦-3』只有一個中子,稱為費米子。 七O年代,David M. Lee 教授領導的康仍爾低溫小組首次發現『氦-3』的超流動性。該小組因此分享 1996 年諾貝爾物理獎。 科學家經過實驗發現,『氦-3』是解決未來能源的主要途徑, 因為使用『氦-3』的熱核反應堆中,沒有中子, 因此進行熱核反應過程中 ,不會產生放射性質子, 使用『氦-3』作為能源時,不會產生輻射、不會為環境帶來危害。

參考資料(己)

幾種軌道種類介紹

  1. 地球同步軌道(Geosynchronous orbit) ,衛星運行方向與地球自轉方向相同,軌道偏心率為0,即軌道是圓形的,軌道周期等於地球自轉周期。靜止衛星的高度為 35,860 公里。
  2. 太陽同步軌道(Sun-synchronous orbit),人造衛星軌道平面與太陽始終保持相對固定的夾角,多用於對地探測衛星。 軌道離地球 500 多公里到 1,000 多公里。
  3. 地球同步轉移軌道(Geostationary transfer orbit),讓人造衛星由低軌道進入同步軌道的軌道。
  4. 高地球軌道(High Earth orbit),人造衛星繞行地球的高度超過 2,000 公里的軌道。
  5. 郝曼轉移軌道(Hohmann transfer orbit),一種用於人造衛星轉換軌道用的軌道。太空船在原先軌道上瞬間加速後,進入一個橢圓形的轉移軌道。太空船由此橢圓軌道的近拱點開始,抵達遠拱點後再瞬間加速,進入另一個圓軌道,此即為目標軌道。
  6. 近地軌道(Low Earth orbit),人造衛星繞行地球的高度低於 2,000 公里的軌道。
  7. 月球軌道(Moon orbit), 月球與地球中心的平均距離是 385,000 公里,大約是地球半徑的 60 倍。 
  8. 極軌道(Polar orbit):穿越極區的人造衛星軌道。高度 600~1400 公里。
  9. 暫駐軌道(Parking Orbit),高度約 728 公里。

幾個有名的衛星

  1. 哈勃太空望遠鏡﹙HST﹚在一個週期為 97 分鐘和離地面高度 610 公里的低空軌道運行。
  2. GPS 由 20,200 公里高的 24 顆衛星組成。
  3. 嫦娥 2 號在遠地點高度約 38 萬公里的地球—月球轉移軌道後直奔月球。
  4. 歐洲最昂貴的太空計畫『伽利略』衛星,運行在 1萬4千英哩的高空。
  5. 美國 NOAA-11 低空氣象衛星為例,它的軌道高860公里,與赤道仰角99°。
  6. Molniya 衛星,高度遠達35,500公里以上的長橢圓形軌道,是蘇聯全國性電視電話以及華盛頓-莫斯科熱線電話所採用的衛星軌道。

軌道計算範例

以地球同步衛星為例:   a:軌道半徑。h:軌道高度。

  1. 地球引力常數:GM = 6.67 * 5.98 * 1013 m3/sec2 = 3.98866E+14 m3/sec2
  2. 地球自轉週期秒:T = (23 * 60 + 56) * 60 sec = 8.6164E + 4 sec =  86164 sec。
  3. 地球自轉角速度:ω = 2π / T = 2 * 3.14159 / 86164 = 7.29211736E-5 弧度/秒。
  4. 地球赤道半徑:Rm=6378 公里。
  5. 衛星軌道半徑:a = (GM / ω2)1/3 = 42238 公里。
  6. 衛星軌道高度:h = a-Rm = 42238-6378 = 35860 公里。
  7. 衛星運動速度:V = ω*a = 7.29211736E-5*4.2238E+4 = 3.08 公里/秒 。

火箭發射的計算

一般而言,火箭從地面發射,經過空氣阻力及地球重力的耗損,會消耗掉大約每秒1,200~1,500公尺的速度。因此,要發射衛星進入184公里低空軌道,火箭必須具有推動衛星到達每秒9,100~9,500公尺的能力才行。這段加速升空時間,原則上是愈短愈好,(普通在10分鐘左右)以這樣短短的時間,要把一具重量可達數百噸的火箭加速到每秒 9,140 公尺也就是每小時 33,000 公里的速度。而衛星進入184公里低空軌道,需要每秒 9,140公尺的速度。這個速度是指對靜止的空間坐標而言的。由於火箭是從地面發射,而地面因地轉是在向東方移動,因而火箭起飛時可以免費的得到一些初速。如火箭向正東方向發射,而發射地點又是在赤道線上,地面的切線速度就是最大,每秒可達約 488 公尺,相當每小時約 1,750 公里的速度。這對發射火箭,幫助是相當大的。

參考影片

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1樓. 范蘭欽
2012/01/30 00:59
布爾在布魯賽爾被以色列莫沙德暗殺
布爾是加拿大人,因為替伊拉克發展大砲,在布魯賽爾被以色列莫沙德暗殺。此事還拍了電影。
此人還幫南非、中國台灣省設計過大砲。台灣是提案。
感謝補充資料! 大隻熊2012/01/30 09:20回覆