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[专题] 磁悬浮太空发射代替传统化学火箭

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三毛 发表于 2019-10-2 10:08 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层 |阅读模式

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利用磁悬浮技术发送航天器,“星际列车”项目能改变太空旅行的方式吗?

TechPower科技力
2017-10-11


导语:磁悬浮技术的日趋成熟已经让我们从便捷的轨道交通和高铁运输上深有体会,然而科学家们的想法更加大胆奇特,他们计划运用磁悬浮技术的专利来实现将航天器通过轨道发射进入太空,那么,这种想法可行吗?

早在1961年堵车的时候,詹姆斯·鲍威尔(James Powell)作为布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的一名年轻研究员,就提出了使用磁悬浮技术驱动大型载人汽车的想法。在接下来的7年里,他和他的同事戈登·丹比(Gordon Danby)一直在努力完善这一设计。在1968年,他们终于取得了这项突破性技术的专利。鲍威尔和丹比的磁悬浮技术,在当时一定看起来像魔法一样,但现在它却被用来驱动大型火车,时速可达375英里!



图 | 戈登·丹比博士(左)和詹姆斯·鲍威尔博士(右)因为在磁悬浮领域的贡献而获得富兰克林奖。

image :bnl.doe.gov

然而现在,84岁的鲍威尔并没有满足于这一项成就,他对他磁悬浮技术的突破充满信心。2001年,他与乔治·迈斯(George Maise)——一个在布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)工作了23年的航空工程师一起合作,他们提出了一项革新空间发射的大胆想法:StarTram。

StarTram和它的名字一样大胆。它可以理解为建造一条通向外太空的磁悬浮列车。工作原理是:依靠磁力悬浮的航天器将被推进一个弯曲的射线管内,同时瞄准天空。为了消除阻力,所有的空气将从管道中排出。飞船将以每秒8.8公里的速度离开漫长的管道,以脱离地球的大气层。第一代的StarTram,旨在发射货船,它的特点是在山的一侧建造一个81英里长的管道,以达到发射高度12,0000到20000英尺的要求。智利的安第斯山脉或新墨西哥南部的白沙导弹试验场可能是较为理想的选址。鲍威尔估计,飞船可以每小时发射一次,每次发射时携带超过70吨的货物,每公斤只需花费20到50美元。一个更加雄心勃勃的第二代StarTram将能够运送成千上万的太空游客,它的轨道长度能够达到620英里到930英里(以提供更多时间加速从而减少重力的影响)。轨道可能建于加拿大的偏远地区或南极洲,发射高度将达到70000英尺的高度,几乎两倍于大多数客机的巡航高度,从而避免了出口时的阻力。其中150英里左右的轨道将用强大的超导电缆来进行磁悬浮反应。这个令人惊叹的“钢丝表演”与悬浮列车的物理原理完全相符。



图 | Startram计划通过架设轨道和应用磁悬浮技术来使航天器获得高速度,从而离开大气层

对于StarTram来说,有四个关键难题需要克服。首先,要将航天器推进到必要的速度,需要储存大量的能量并在30秒内进行释放,功率值在50到100千兆瓦之间!这相当于5万个风力涡轮机的发电量。

第二,将2代StarTram升至所需的14英里高度,这将是一项技术壮举,与以往任何尝试都不同。鲍威尔说,有两种方法来实现它。第一个是在表面上建造发射管,连同它的超导电缆和限制缆绳,然后慢慢的激活电缆,在一段时间内使发射舱悬浮起来。第二种方法是架设电缆和缆绳系统,然后使用额外的吊绳将发射管拉升到适当的位置。他进一步指出,“真正的诀窍并不是将发射管悬浮起来,而是将超导电缆的成本降低到可接受的水平。”“为电缆通电也需要大量的电流,大约2亿安培!”



图 |假想的StarTram太空港。发射管延伸到距离东部的距离(最终弯曲许多公里),旁边是向SMES收费的发电厂。RLV返回到跑道上的地面。

来源:NASA

第三,要在打开的管道内保持一个真空环境,这是宇宙飞船达到超高速的必要条件,这需要在出口点安装一个等离子泵装置,以保证空气流出。类似的设备也存在,但它们从来没有被这样使用过。

最后一个障碍是项目的成本太高。据估计,第一代的StarTram的造价为200亿美元。第2代可能要花费600亿美元。由于这些估计相对乐观,可能至少还要增加100到300亿美元的经费。

尽管存在这些缺点,但我们还是有理由相信,我们可以建造一个功能强大的“星际列车”系统。首先,最重要的是,这些基本原理都不是科幻小说,建造StarTram的科技是真实存在;我们只需要把它们放大。此外,这些成本并不是不可克服的。第一代所需的200 - 400亿美元的设计费用远远低于30年的时间里花费在航天飞机项目上的1960亿美元,与美国在2015年花费在国防上的6000亿美元相比更是微不足道。



图 | StarTram的轨道架设

“2005年,我们在桑迪亚国家实验室进行了研究,验证了StarTram项目的整体可行性。”约翰·拉则——美国国家航空航天局(NASA)前太空技术助理主任,在约翰霍普金斯大学应用物理实验室举办的2010太空推进与能源科学国际论坛上说道。

放眼未来,StarTram可以在外太空间开创一个全新的充满无限可能性的世界。通过老式的火箭运载货物进入低地球轨道,目前的成本在4600美元到2万美元之间,尽管SpaceX公司认为他们可以将其降至1400美元,但StarTram可以降低到两位数。此外,它还可以在一天内实现多次发射。很难想象这对新兴产业意味着什么,特别是太空太阳能和太空旅游业。

即使每年仅发射100颗太空太阳能卫星,但每磅货物的发射成本低至40美元,每年就将带来400亿美元的收入,足以在几年内偿还StarTram设施的开发成本。每年有100万名太空游客——不到迪斯尼乐园游客数量的1 / 30——每名乘客5000美元,每年就将带来50亿美元的收入。其他市场同样有可能。

约翰博士则考虑的更多,他认为StarTram可能会“利用近地小行星,使地球免受电离辐射(同时保护地球免受撞击),确保了太空旅游的安全,加之月球、火星和外部太阳能系统的协同发展,届时,地球上的地面交通可能会发生革命性的变化,从而极大地减少了能源消耗,创造了数百万个就业岗位”。



图 | SpaceX公司认为他们可以将太空运输的价格降至1400美元

几十年来,火箭一直尽职尽责将人类送入太空,但他们从根本上受到了某些约束,因为我们能从化学推进剂中提取的能量是有限的。如果我们想要建造一个更大的火箭,创造更多的有效载荷空间,我们必须添加更多的燃料。StarTram能够改变这一规则,它利用爆炸、推进剂和化学来支持纯物理现象。这是一个可以将人类带入新科技时代的伟大计划。

END



编译|汪春杨

编辑|Soybean

审阅|Soybean

参考|https://www.space.com/38384-could-startram-revolutionize-space-travel.html

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 楼主| 三毛 发表于 2019-10-2 11:09 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
谈点个人看法:
1.理论技术成熟。应用技术可行。
2.可高频率重复发射。
3.可以发射相比传统火箭更多的人进入低轨道。
4.可以使人类真正进入太空时代。
5.相比传统火箭发射更安全。恶性的毁灭性爆炸事故概率比较低。
6.为太空工业化生产将成为可能。人类将进入太空经济时代。
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leisure 发表于 2019-10-2 21:22 | 显示全部楼层
1:直线轨道加速器。这肯定需要在高山上建设,起码需要花费上百亿美金,而且直线轨道加速器的角度是唯一的,根本不适合各种角度的卫星发射。还有需要承受很高的加速度,算了下起码需要承受住200G以上的加速度,人体可以承受的加速度大约在10G,可以说没有任何卫星设备和人能扛得住,假如能抗住的话,那么大气摩擦生热也能烧个底朝天。

2:圆周轨道加速器。假如需要建设一个半径1KM以上的圆周装备,按照人类目前开发的材料进度,那么基本是无望了。算了下,按照入轨速度8KM/S,1000KG的卫星计算,圆周装备每处需要承受的重量大于6400吨,
可以说完全没有戏了。此外还有上述大气摩擦生热、各种角度入轨等问题。
tianshiusa 发表于 2019-10-2 21:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
leisure 发表于 2019-10-2 21:22
1:直线轨道加速器。这肯定需要在高山上建设,起码需要花费上百亿美金,而且直线轨道加速器的角度是唯一的, ...

那么高的加速度是用电磁轨道炮打出来的如果用环形线圈轨道加速一圈一圈绕最后变轨发射加速度就没那么大了
cooldiy_cn 发表于 2019-10-2 21:57 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianshiusa 发表于 2019-10-2 21:47
那么高的加速度是用电磁轨道炮打出来的如果用环形线圈轨道加速一圈一圈绕最后变轨发射加速度就没那么大了

出膛撞到大气就会有很大的加速度了!
topzdx 发表于 2019-10-3 00:25 | 显示全部楼层
“一个更加雄心勃勃的第二代StarTram将能够运送成千上万的太空游客,它的轨道长度能够达到620英里到930英里(以提供更多时间加速从而减少重力的影响)。轨道可能建于加拿大的偏远地区或南极洲,发射高度将达到70000英尺的高度,几乎两倍于大多数客机的巡航高度”

一直认为这种技术应先用于月球,一期只考虑货运。低重力,速度要求小,没有空气阻力问题,也不用造真空管道。工程的关键是轻量化或月球资源生产
高山要在近赤道找。加拿大或南极洲施工,最高峰高度也不高,还只能打极轨卫星,探月登月,火星、太阳系探索等任务哪个也不会用到极轨......(谁选的址?)
就算二代不发射人到月球,火星,70000英尺的真空管道是如何从地面支撑到天上的?氢气球不安全,氦气球浮力不大。
极轨载人飞行的一个不利之处是万一空间站或飞船有问题要紧急再入,着陆点可能是任何地点,要是降在两极,等破冰船来救?轨道避开极圈范围是对游客安全负责。
Lsquirrel 发表于 2019-10-3 21:28 | 显示全部楼层
topzdx 发表于 2019-10-3 00:25
“一个更加雄心勃勃的第二代StarTram将能够运送成千上万的太空游客,它的轨道长度能够达到620英里到930英里 ...

StarTram就是空想,论文我看过很不靠谱的
http://www.startram.com/home

高高空轨道的建筑要求远远超出人类的工程水平

StarTram Initial deployment 1.jpg

Startramgeneration2.jpg


ccedddr 发表于 2019-10-3 22:44 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
加速度是一个问题,但是如果不用达到那么高的速度,只需要达到超燃冲压发动机的点火速度就不错,这样就能超燃冲压发动机———火箭发动机,最后入轨,也不用担心角度问题,超燃冲压发动机运行阶段,可以调整飞行器入轨角度。放到青藏高原上我觉得可行,毕竟通火车了,估计建造成本可以降下来。
ccedddr 发表于 2019-10-3 22:56 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
我的构想有个问题就是要研制超燃冲压发动机和火箭发动机二合一的混合发动机,不知道这个难不难。好处就是通过电磁悬浮发射可以节省氧化剂,充分利用大气层内氧气。
topzdx 发表于 2019-10-3 23:38 | 显示全部楼层
ccedddr 发表于 2019-10-3 22:56
我的构想有个问题就是要研制超燃冲压发动机和火箭发动机二合一的混合发动机,不知道这个难不难。好处就是通 ...

火箭发动机的室压很高,看看猎鹰9 一系列的迭代增推后,室压提高了多少。
不知现在主流的冲压发动机(或在研快要应用的)室压多少,推力多少?印象中导弹重量都不太大(和航天火箭比),推力可能有限?
zmic 发表于 2019-10-4 01:27 | 显示全部楼层
  比较怀疑,20000英尺也就6000米多点,协和式客机在18000米的高度能以2140公里/小时的速度飞行,但在低空肯定飞不出这个速度,越接近地表,大气越稠密,相同的速度下机体承受的气动压力越大。现代的超音速战机在低空下也就1。2M左右,在6000米的高度以第一宇宙速度飞行,怕不要粉身碎骨了
iamanewbee 发表于 2019-10-4 01:40 | 显示全部楼层
三毛 发表于 2019-10-2 11:09
谈点个人看法:
1.理论技术成熟。应用技术可行。
2.可高频率重复发射。

燃料氧化的理论更成熟,技术更可行。
supsauce 发表于 2019-10-4 06:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
ccedddr 发表于 2019-10-3 22:44
加速度是一个问题,但是如果不用达到那么高的速度,只需要达到超燃冲压发动机的点火速度就不错,这样就能超 ...


节省的速度太小,没有意义。建这个的钱够你买十万架飞机带着冲压二级飞到死。如果你这个能成立,空天飞机早就成了,现在空射的那些公司也不会这么困难

你说的火箭冲压混合不就是RBCC么,本版和武器版多翻翻有很多讨论。现在看RBCC路线即使军用都不是很顺利
贾志国 发表于 2019-10-4 07:52 | 显示全部楼层
磁悬浮发射只在月球等无大气层、低重力加速度的天体上有意义
ccedddr 发表于 2019-10-4 08:03 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
贾志国 发表于 2019-10-4 07:52
磁悬浮发射只在月球等无大气层、低重力加速度的天体上有意义

如果这么考虑不如直接放到近地轨道上
hyperion 发表于 2019-10-4 08:42 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
贾志国 发表于 2019-10-4 07:52
磁悬浮发射只在月球等无大气层、低重力加速度的天体上有意义

而且还得是小运力极高频投射
topzdx 发表于 2019-10-4 10:42 | 显示全部楼层
ccedddr 发表于 2019-10-4 08:03
如果这么考虑不如直接放到近地轨道上

这种发射装置放到轨道上有个问题,每发射一次,自身受到反作用力,会减速。理论上每次发射的减速,最后都要想办法补回去。如果没有光帆这样的免费午餐,如何补偿发射掉速?运燃料上去推一下?

装置入轨的费用,比在地面建不知大多少,上面的太阳能板数量和重量......
 楼主| 三毛 发表于 2019-10-4 11:26 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
中国高温超导重大突破令世界震惊

10-01 18:14中报国际文化传媒(北京)有限公司

9月初,来自西南交通大学轨道交通实验室的高温超导磁悬浮车亮相四川国际科技博览会,引发广泛关注。

高温超导是世界上最前沿的研究之一,它是具有相对较高临界温度的物质在液态氮环境下产生的超导现象。医院里的核磁共振成像、高能加速器、磁约束核聚变装置等都是超导的重要应用。2012年发现“上帝粒子”的欧洲核子研究中心大型强子对撞机中,几十公里长的超导加速环和多个有几层楼高的超导探测器都是最关键的部件。

对于高温超导的发展之路,中科院院士、物理学家赵忠贤说:“我们口袋里装着许多把钥匙,同时还在不断地制造出新的钥匙,其中一把能够开启科学之门。我们要做的,就是不懈努力,制造、修改每一把钥匙,直到打开这扇大门,解开未知之谜。”

起步,探索高临界温度超导体

2017年,赵忠贤获颁2016年度国家最高科学技术奖,表彰他在高温超导研究领域的成就, 以及对我国高温超导研究从起步、追赶、到跻身国际前列所作出的杰出贡献。我国高温超导之路,赵忠贤是亲历者。

世界超导研究开始于1911年,而我国的超导研究起步于20世纪50年代。赵忠贤于20世纪70年代中期决定从事探索高临界温度超导体的研究,并发表文章,提出“超导临界温度能够达到40K至55K”,在当时被认为是很大胆的观点。10年后,赵忠贤团队推翻了传统理论,向全世界证明超导临界温度是可以超过40K的,突破这一麦克米兰极限温度的超导体,被称作高温超导体,引发世界物理学界的震动。

这一阶段的研究对科学家来说是一段艰难的历程。没有设备,没有团队,没有经费。“热的时候坚持,冷的时候也坚持。”赵忠贤说。他与同事自己动手绕制烧结炉,将趁着大减价时淘换下来的“土炮”当作“重型武器”使用,才有了后来的成果。

中科院超导国家重点实验室研究员孙力玲与赵忠贤共事多年,她在接受科技日报记者采访时说,赵老师给她印象最深的就是他对科研方向的坚持,他真的做到了扎下根,决定一个方向然后就全力以赴。

1987年,赵忠贤团队独立发现了临界温度93K的液氮温区超导体,并在国际上首次公布其元素组成:钇—钡—铜—氧。国际同行开始关注中国科学家的研究,并称赵忠贤为“北京的赵”。

振奋,科研与人才双丰收

2008年,赵忠贤带领团队将铁基超导体的临界温度提高到50K以上,并将这一纪录保持至今,实现了高温超导研究领域的第二次突破。2013年,薛其坤院士团队在国际上首次实验发现量子反常霍尔效应,他和团队在薄膜氧化物界面高温超导领域的研究也被认为是重要进展。

薛其坤说,在长期的科研攻关中,让他最骄傲的,是团队里成长起来一大批年轻的科学家。“薛老师,量子反常霍尔效应出来了,等待详细测量。”量子反常霍尔效应发现后薛其坤收到的那条通知短信,来自他的学生常翠祖,这位年轻的博士现在已经是学界的新星。

业内人士认为,“近20年的时间里,世界上有不少国家对高温超导,特别是铜氧化物的投入大幅减少,但我国对于科学研究的持续支持,使得国内超导领域的人才和科研都有了较大的提升。”中科院物理所周兴江、清华大学王亚愚、北京大学王健以及上海交大贾金锋等青年科学家都被寄予厚望。高温超导的人才梯队已经形成。

改变世界,高温超导新期待

利用目前已发现的高温超导材料,研制相关设备,满足生产生活需求,让超导科技尽快造福人类,是我国科学家努力的重要方向。

在中科院物理所研究员郑东宁看来,超导的应用前景越来越光明,国内已经有电厂使用超导技术;国外,德国利用高温超导磁体的涡流加热技术,将铝材热加工的电能转化效率提高30%,日本已计划在2027年运行采用超导的时速500公里的磁悬浮列车。“一旦超导技术得到广泛的应用,将为人类创造相当可观的效益。”他强调。

高温超导乃至未来的室温超导一旦取得突破,超导的应用难度和成本将极大降低,从而对人类社会产生难以想象的影响。

超导研究已经在中国“土壤”深深扎根,如果有一天,超导又有新的突破,相信其中一定有中国人的身影,赵忠贤如是说。(记者 李艳)

来源:科技日报

SPACEXEV 发表于 2019-10-4 12:46 | 显示全部楼层
三毛 发表于 2019-10-2 11:09
谈点个人看法:
1.理论技术成熟。应用技术可行。
2.可高频率重复发射。

这就是电磁轨道航天发射系统 啊   宇宙骑士里面的东西
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