今天說說科幻中的航天（2）——論如何上天

【文末有彩蛋】勤奮我的開始更新了，今天我們來講一下怎麼上天，不，不是說風油精，是怎麼把東西送上軌道。

到目前為止，我們只有用化學火箭把東西推上軌道這一個簡單粗暴的方式，而一枚運載火箭，即使是最便宜的獵鷹九號運載火箭一發也需要5000萬美元，於是，為了降低把載荷送上軌道的成本，科研人員，商業公司，科幻作家花式腦洞，出現了一系列的上天方式。

由於上次有人反應太短，我這次寫個長的，目錄：

一、運載火箭

1、復用火箭

2、空射火箭

3、電磁助推

二、空天飛機

1、太空梭

2、空天飛機

三、電磁投射器

1、地球上的電磁投射器

2、太空上的電磁投射器

四、軌道電梯

一、運載火箭

我們在上一節其實已經講過了運載火箭，但是運載火箭也有很多不同的模式啊。

在傳統的運載火箭使用方式中，火箭上天之後，一級二級三級要麼掉落到地上摔成廢鐵，要不然乾脆在太空融毀。費用極高，一枚運載火箭，以阿特拉斯5為例，基本上要達到2-3億美元，而只有20噸的運載能力。

雖然通常運載火箭的固體燃料助推器可以回收，但是這隻占運載火箭成本的很小一部分，在本世紀，新的手段出現了。

1、復用火箭

復用火箭的代表一定是SpaceX公司的獵鷹九號，獵鷹九號目前每年的發射數量已經佔到了全球發射數量的25%以上，在明年幾乎達到地球上發射總數的一半。獵鷹九號最初是不復用的，單發價格大概是5000萬左右，然而在今年，獵鷹九號的火箭開始了重複使用，預計價格可以降低到1000萬美元一發。

這時候可能就有人問了，火箭不是摔毀或者熔毀了嗎，怎麼復用呢。

原因很簡單，獵鷹九號，會，飛回來

對，直愣愣的豎著飛回來，先依靠重力下落，用舵板控制方向，再開主發動機減速。然後落到陸地或者海上的著陸場。

再次使用的獵鷹九號其實經過翻修後，只需要加註燃料就可以了，費用能節省大約80%，如果能進一步優化翻修流程，甚至可以把費用降低95%。接下來spaceX在試圖回收整流罩，而SpaceX甚至還在考慮回收二級火箭的發動機。

最可怕的是，SpaceX甚至試圖讓回收的火箭在24小時內就能重複使用，更更可怕的是，他們打算把未來的FH（當然這東西就是三個獵鷹九號綁在一起）和ITS巨型火箭統統用這個手段回收。

科普一下，ITS火箭原計劃是12800噸。

突然想起甲殼狂潮中，作者說，人類在當前情況下，四個月撐死了送幾百噸物資上去，而當時的時間差不多是202X，就算不計算2024年使用的ITS（PPT上說LEO運力400+，不過ELON MUSK最近覺得這個不太靠譜就削了個縮減版），明年使用的FH（運力64噸），僅僅算現在囤積的二十多發獵鷹九號火箭，4個月破千噸輕輕鬆鬆。

2、空射火箭

空射火箭通常只能運載小型衛星，但是好處是快速部署，通常用於部署軍用衛星星座，進行反衛星打擊之類的工作。總體而言比傳統陸基發射要低30%，當然也有某飛馬座廢物，不過總的來說，畢竟有飛機提供了一部分速度和高度，在高空工作的固體發動機會有更高的性能。

通過模式不同，可以有以下三類

①運輸機外掛式，在運輸機掛架上掛載一枚小型火箭，代表為ATK公司的飛馬座運載火箭，也是目前來說少數還在使用的空射火箭，運載力大概只有300-400千克，價格為1500-2000萬美元（思考了一下每公斤運費，好像應該用高達2000萬）。雖然其價格高昂，但是不受發射場限制，掛載後起飛，在窗口期問題上彈性更大，在緊急事態下（例如某國發生戰爭，需要快速部署一組通訊衛星或者監視衛星），就可以用飛馬座火箭出手了。

不過飛馬座是用於改裝後的運輸機，使用專用運輸機的火箭運載力要大多，而且火箭發射的成本也要低得多，例如「平流層發射」，乾脆是中間掛著火箭的雙體飛機，雖然說是外掛，但是其體積怕是比下面的內置式還要高，使用載機進入平流層之後啟動發動機上天，運力高達6.8噸，值得一提的是，平流層發射火箭使用的是四級固體發動機。

此外還有喪心病狂背負式，日本的M-V火箭就是背負在波音747上，不得不說波音747看起來很適合背東西，運力大概LEO1噸。

此外，也有使用大型飛艇作為載機的，不過基本原理一樣。

②運輸機內置式，這種模式要顯得麻煩一點，但是運載力要大得多，而且越大的運輸機運載力越大，用C130的日本ALSET運載火箭僅僅有100-200kg運力，而超級大的an-225使用的俄羅斯黎明火箭，運力高達8噸。

通常的內置式火箭是用空投模式扔出運輸機機艙，然後用降落傘修正火箭的姿態使其垂直向上，然後啟動發動機。

值得一提的是美國快速到達火箭，使用C17發射的快速到達火箭，可以在緊急情況下24小時發射16次，也就是可以在短時間內快速大量部署衛星。

甲殼狂潮中，寫了個擁有半弧狀機艙的運輸機，用於發射運載火箭，這種模式大概可以被視為①和②的合體版。

③戰鬥機外掛式

以美國ALASA計劃為例，簡而言之，就是在戰鬥機上掛上一枚能打到近地軌道的導彈，通常可以運輸一枚小型衛星。如果你想打外星人的話，也可以帶上一枚微型核彈。

ALASA是掛載在F15E翼下的，LEO運力大概45kg——運個核彈頭不成問題。ALASA原計劃是為美國空軍提供在全球任何一個機場起飛就能部署衛星的能力，不過現在它為科幻作家提供了從全球任何一個機場起飛就能打外星人的能力。

以及，這玩意的造價大概是100萬一個。不過這個項目由於燃料不穩定而處於擱置狀態。

這玩意發射起來也比較粗暴，F15在20km高度巡航，然後加力超音速，再把機頭上揚，跟打導彈一樣就打出去了。

科幻作品完全可以口胡裝備什麼新型固態燃料，直接把核彈頭送上GTO軌道毫無壓力。

3、電磁助推

這個東西也很好理解，就是在火箭發射時，先用發射塔架的電磁軌道進行一個初步加速，賦予火箭一個初速度，這樣可以節省燃料。

目前來說，我國有兩型準備使用這個模式的火箭，一種是輕舟，一種是羽舟。前者為液體火箭，後者為電火箭，都是使用大型地面電磁加速系統獲得初速度起飛。預計2020年投入使用，這個東西其實可以看做我們後面講的電磁投射器的簡化版。

二、空天飛機

在科幻作品裡，那些作家通常會寫人類面對危機之後，乾的第一件事情，是把太空梭從博物館裡拉出來

我……

好吧，我要承認，2012年，奮進號的指令長這麼說：

「把太空梭收藏到博物館裡是一件好事，不過你們是把3架仍然能夠飛行的太空梭放進了櫥窗里去作展覽。」

不過，時間一天一天的過去，太空梭上的各種零件都面臨老化，尤其是外敷隔熱瓦之類的東西，在科幻小說層面，我們還可以把太空梭拉出來，但是現實里，很有可能無能為力了。

一、太空梭

當我們說到太空梭的時候，我們想說的，肯定是美國那幾架現在停在博物館裡的太空梭，在此之前，在此以後，很有可能都不會再出現相同的玩意了。【除了追夢者，但是那東西小得多的多】

蘇聯的暴風雪由於沒載人飛起來，我們就不予評價了，更何況這倆東西真的沒什麼大區別。

太空梭最初是用於重複使用來保證低成本的，這很好，但是他忘記了兩個問題，第一個問題是，每一次飛行的時候，太空梭都要經過一次複雜的檢修，這個過程又複雜又費錢，一不小心還會引發事故，另一方面，太空梭帶上載荷自重近80噸，這一點看起來不太恐怖，但是你們要清楚，在2017年的今天，人類能用的最大火箭，能送上太空的質量也不過僅僅二十餘噸而已。而中國的天宮二號-神舟11號組合器的質量不過是太空梭的一半而已。

但是太空梭有非常多的優秀之處，例如，太空梭本身就是一個大型平台，可以以此為基礎在太空進行研究工作，也能使用機械臂擺放定向衛星，最重要的是，太空梭能夠進行在軌維修，哈勃望遠鏡就是被太空梭修好的。

此外，太空梭還擁有堪稱恐怖的4-7人載員，甚至在緊急情況下能容納10人，而目前座位最多的應該是美國的獵戶座飛船，大概是6人。

此外，太空梭的巨大自重使得其加速度僅有3G，一方面這可以運載更多的精密儀器，另一方面則可以讓普通人更方便的進入太空。太空梭也是搭載過最多「非專業航天員」的飛行器。

在科幻作品中，太空梭通常有這些用途

1、炸小行星，童年陰影《絕世天劫》、《天地大衝撞》，看完了之後我總是覺得會有小行星炸地球。然後科學家和政府就派遣太空梭出去炸小行星。

仔細尋思了尋思，好像不太對啊。

太空梭在維修哈勃望遠鏡的時候，修到只剩47%燃料被迫抓緊時間返航回地球。而哈勃望遠鏡的高度僅僅是570公里左右，太空梭在這個高度上攔截小行星？我的天，再過不到100秒小行星就要打爆地球了好么。要是前往高軌道——比月球轉移軌道還高的話，我覺得這船人基本上就飄在外太空了。

解決方案：給太空梭在軌道上裝個對接組件，什麼動力艙什麼助推器都行。

2、裝激光炮電磁炮打外星人。

實話說吧，太空建議用導彈，導彈出去沒有後坐力，電磁炮……能把太空梭推回地球。

而且激光炮也有問題啊，一個是散熱，一個是電能

大家都覺得，太空這麼冷，為什麼還要散熱呢，其實大錯特錯，由於真空介質，只能依靠熱輻射散熱。下圖太空梭打開的艙板，其實是為了散熱的散熱板。

而激光炮的效率通常50%都不到，剩下的都轉化為熱能了。所以誰先被烤熟還真不一定。

此外，電能的問題，你需要讓太空梭展開巨大的太陽能電池板才能供電，而這巨大的橫截面積，差不多就是：快來打我啊。

二、空天飛機

三體裡面，人類應對三體人威脅的時候，先造了一批空天飛機應急，這是普遍認為的人類當前技術狀態的優秀選擇。

所謂空天飛機，是指的以類似於普通飛機的方式從機場起飛，然後加速進入太空，返回的時候也是在機場著陸的太空運載器。

這東西需要達到三個要求：1、機場起飛，機場降落，2、無需複雜保養。3、除推進器外不丟部件

其實吧，你特么還是殺了各國的航天研究人員吧，太雞兒難了。

目前來說，大家研究了一會，就回去搞火箭助推的空天飛機了，但是與之前的太空梭不同，一方面小很多，另一方面講究快速復用。例如美國的X-37B、XS-1，都是使用火箭助推上天。但是他們要儘可能能做到能在大氣層內飛行。

此外，真正意義上看起來像是空天飛機的，應該是英國計劃在2019年使用的雲霄塔空天飛機，從地面起飛，用噴氣式發動機爬到一定位置之後啟動火箭發動機，返回時也是使用噴氣式發動機，據說能帶上百人級，不過目前應該是還是在PPT上。

不過，前面說的這一堆，都有一個共同的特點，結構質量大，燃料少，很難進入高軌道。也就是在近地軌道轉悠，把人送上太空站再回來，真正的深空飛行，還是要靠飛船。

三、電磁投射器

電磁投射器，也叫質量投射器，用簡單的話來講，就是一個大號電磁炮，把火箭打上太空。

我最早看到這個設定應該是高達SEED，畢竟是2002的番，這種技術的運載成本大大降低，但也有自己的巨大缺點。

1、地球上的電磁投射器

電磁投射器通常要被建設在高山之下，例如喜馬拉雅山或者乞力馬扎羅山，據稱我國鐵道部曾經設想過一個挖空喜馬拉雅山放置超級電磁彈射軌道的計劃，由於總資金需求高達40000億，順便被拒絕。

之所以放置在高山之下，主要由兩個好處

1、電磁加速軌道要超級長，而且最終速度最好是垂直向上，或者多一個沿著地球自轉方向的分力。山脈當然是最好的載體，畢竟建立一個垂直幾千米的軌道是非常考驗技術難度的。

2、山脈頂端通常已經位於高空空氣稀薄處，可以大大降低摩擦。

電磁投射器通常由巨型電磁導軌（也有可能是線圈）、真空管道和供電系統組成。而這三個無論哪一個都有巨大的工程難度，電磁導軌或線圈最好是由超導體組成，其巨大的超導體需求和相應的低溫要求對於目前來說幾乎是不可接受的。

其次，垂直數公里真空超級管道的工程難度也是存在的，不過有著山的結構支撐，這個反而不是最重要的了。

最後一點，供電，這是核心的。我們不可能給電磁投射器功率相同的電站，只能依靠大型電容來儲存電能，這個電容的電能釋放速度、電能容納量、安全性，都是巨大的問題。

此外，電磁投射器具有著劇烈的加速度——很有可能超過10g，這使得很有可能無法搭載人員。此外，其可能產生的電磁效應可能會導致其內部的精密電子設備毀壞。此外，電磁軌道的直徑固定幾乎無法改變，這導致小型的載荷或許可能可以使用架托，但超過直徑的載荷將無法發射。

而且，電磁投射將在大氣層範圍內擁有數公里每秒的初速度，其劇烈摩擦產生的熱量也需要防範。不過其低廉的價格，仍然讓他成為了投送原料等載荷的最佳方案。

2、太空的電磁投射器

在太空使用質量投射器有著許多的好處，第一點，這裡沒有空氣阻力，第二點，具有天然的超低溫溫度對超導體進行冷卻，第三點，低重力對其結構強度要求極低。

我們經常會看到一些作品中描述了太空採礦基地，太空工業中心，但是他們統統都有一個統一的問題，怎麼把產品運回地球。

用火箭顯然是不可能的，僅以月球為例，火箭怎麼製造？難不成是電離兩極冰湖裡的水生產液氫液氧。這火箭製造成本甚至比太空工業產品都要貴，更何況的低價的原料呢。

但是在太空建設電磁軌道不僅難度低，而且可以建設的更小，因為幾乎沒什麼重力需要擺脫，此外，使用太陽能光伏板的供電系統成本更低。

那麼，在小行星或者月球建設電磁投射器，向地球發射加工好的泡沫金屬、氦三、貴重金屬將會成為非常靠譜的想法。

三、軌道電梯

軌道電梯基本上是人類對於進入太空軌道最美妙的幻想了。

軌道電梯用通俗的話講，就是個超級電梯，底端在赤道，頂端配重在同步軌道附近，具體高度取決於軌道電梯的總質量。

軌道電梯中間的連接體應該是超強度纜繩，目前能勝任這一結構的只有碳納米纖維，碳納米纖維將長達三萬多公里，數萬噸纖細的碳納米纖維將連接軌道的各個結構。

軌道電梯的底端位於赤道，而且很有可能位於海上，最起碼位於近海，這樣有利於物資的轉運，基站有可能是普通的對接處，也有可能是一個電磁軌道來為軌道列車提供加速或減速。

然後是纖細的纜繩，纜繩必須具有剛性和彈性以避免在自然風中折斷，同時還要足夠的輕，以保證整個機構的整體質量不會太高，同時還能接受軌道列車的衝擊。

接下來，在近地軌道放置一個空港，這個軌道高度是用於釋放小型衛星和飛船的，這樣的話，軌道列車無需運行全程，可以大大提高效率，但是需要注意的是，在這個高度上的空港環繞速度是遠遠不及相應軌道的環繞速度的。

解決方案有很多，我們可以給在這個高度釋放的飛船一個電磁軌道加速，或者乾脆提高高度釋放飛船，讓飛船把勢能轉化為動能。

值得一提的是，由於這個高度的向心力較小，在這個高度建設的太空城甚至具有部分重力。

再向上的部分就是位於同步軌道的配重物了，由於要平衡整個結構的重心，這個部分會超級超級大，這個結構放什麼都沒問題，此外，位於這個高度的飛船釋放出來是不會有在低高度空港可能出現的環繞速度不足的問題的。

當然，好東西也是有問題的。

造不出來，沒了。

你們思考一下，這種超級強度的碳納米纖維，還要如此巨大的產量，然後要把這玩意扔上太空再扔下來，然後建設兩個超級大的太空港，全質量往少里說也要20萬噸。

在沒有電磁投射器之前造軌道電梯，想都別想。

以上是低技術情況下的上天模式，其實都是理論上可以實現的東西，下一屆我們將講解「硬科幻」中的玄學科技。沒錯，我要黑大劉了。

順便放一張圖片。