用电磁轨道发颗卫星玩玩?

牧夫天文

中国最早的天文社区网站5小时前

  电磁轨道炮原理

  HowStuffWorks(知名科普网站)

  电磁轨道炮使用洛伦兹力取代传统的发射药,产生巨大的动能将弹丸投射出去。现阶段这种大杀器虽然还没有正式列装,但是中美两国成功实验的好消息不断传来。

  听说轨道炮炮口初速达到了惊人的3500 m/s,民间的科技小达人们突然来了精神,这不是已经接近第一宇宙速度的一半了,不如我们调整炮口,再加一把力,用来发卫星吧!

  上海磁浮官网宣传图

  电磁轨道炮,听上去应该跟磁悬浮原理差不多。畅想一下,如果我们坐在舒适的车厢内,不用承受火箭发射时的剧烈颠簸,不用承担火箭发射爆炸的风险...

  2014年安塔瑞斯火箭发射失败

  Wikipedia

  下面我们就来规划一下实施细节。

  首先,定一下发射场选址吧。考虑到轨道长度应该是几千米量级,不如我们在珠穆朗玛峰中心钻个深井,这样轨道就有良好的支撑,运气好还能直接用上三峡的水电...

  科拉超深井,12262米

  未知来源

  又或者我们修在马里亚纳海沟,整个发射装置浸泡在海水中,良好的冷却...

  美国海军特种作战中心于2008年1月试射电磁轨道炮

  Wikipedia

  考虑到在这两个选址的高(深)度,我们的轨道长度定在8km比较合适。

  下面小编就用自己仅有的中学物理知识做点计算,看看这个轨道的可行性...

  电磁轨道原理示意图

  HowStuffWorks

  电磁轨道发射依靠的洛伦兹力,F = i * L * B;

  No,这有点超纲了,我们还是把模型简化,用牛二定律来计算,并且忽略效率,假设轨道是真空,假设卫星出了轨道以后的空气阻力可以忽略,假设轨道内全程匀加速,假设....

  总之就是一切从简。

  先来两个基本公式,然后初速度u为0,化简得到速度、加速度与轨道长度(加速距离)的关系:

  还是手写来的快

  代入第一宇宙速度7.9km/s和轨道长度8km,得到加速度是惊人的:

  3900.6 m/s^2

  或许这个数字你还没什么感觉,但是想想重力加速度只有9.8 m/s^2,也就是说8km轨道里,卫星要持续承受400g的加速度。

  要知道,一个出色的战斗机飞行员在下面这种特制抗荷服的辅助下,才能挺过10g的加速度。

  航展上展出的歼击机飞行员防护套装

  中航新闻网

  能否承受加速度的问题先放在一边,我们再计算一下产生如此巨大加速度所需要的功率。(同前,一切简化)

  一顿猛如虎的操作后,小编把几个公式都列入Excel,这样就可以迅速调整变量,快速计算了。

  全都是中学物理简化公式

  计算所得,8km电磁轨道所需要的功率是惊人的:

  15GW 

  这个单位(GW, 10^9瓦特)估计生活中很难遇到,经过查阅资料我们得知三峡的峰值发电功率是9.8GW。

  三峡外景图以及内部巨大的发电机(这大家伙一共有32台)

  有小伙伴说了,你忽略了地球自转线速度。好,那我们就填入上述Excel计算器,计算得到加速度降为358g;持续功率降为13.2GW,节省了约1/4个三峡的电力。

  又有小伙伴说了,不如把人浸入深海液体,用120g的加速度发射,代入上表计算得到:轨道长度需延长到24km,发射功率也下降到了4.4GW。

  为什么会有这么惊人的加速度出现?通过计算我们会发现,受限于轨道长度,持续加速时间只有约2秒,而常规化学燃料火箭发射时推进器工作时间往往在2分钟左右。

  篇幅所限,本文就不展开讨论为建成上述轨道炮,需要什么样的储能装置,多粗的轨道,甚至需要什么样的导线将他们连接起来。开过电动车的小伙伴们应该有印象,几十kW的充电线已经像胳膊一样粗了,15GW恐怕得几十米直径了..

  美国海军特种作战中心于2008年1月试射电磁轨道炮

  Wikipedia

  最后来一张轨道炮发射时的实景,这场景恐怕谁也不想坐在弹头里吧。

  本文创意源自某群的一次讨论,小编才疏学浅,错误纰漏在所难免。

『天文时刻』 牧夫出品

微信号:astronomycn

  哈哈,我也不知道这个图是啥意思,就是乐呵一下

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