【科幻考據】漫談太空電梯和電磁炮入軌

【科幻考據】漫談太空電梯和電磁炮入軌

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作者：樂行樂遠

太空電梯雖然不是三體的原創，但是通過三體廣為人知。

而大劉還寫了另一篇文叫做《地球大炮》，直接把載荷一炮打上同步軌道，上天。

而現實中，雖然不能把地球挖空，但是電磁彈射確實突飛猛進，現在電磁彈射大炮一炮上天不是什麼遙不可及的夢了。

經過國際上長達幾十年的理念提出，可行性論證、爭論、材料發展，現在來看，哪怕理論上出現了強度上能承受的材料單壁碳納米管，太空電梯實操仍然遙遙無期。。而我國專家學者經過十幾年的對未來太空領域發展方向的，電磁彈射和太空電梯的路線的激烈爭論，終於暫時放棄了太空電梯。現在國家認同了以中科院馬明偉院士為首的航天院士們的提案，敲定我們國家五種主要重點發展的太空運載模式的計劃的立項：中國航天科工集團公司未來構建快舟、開拓、羽舟、巧舟、輕舟五大系列的運載系統。

中國航天科工集團在《國防科技工業》中透露：該集團未來五大運載火箭系列中，「羽舟」、「輕舟」分別為電火箭和液體火箭，皆由「地面大型電磁彈射系統」發射，計劃於2020年完成電磁發射演示系統建設及原理驗證試驗。

運載系統除了「快舟」系列以外，還有「開拓」系列，今年年底準備發射200千克量級低軌道衛星。還有「羽舟」系列，利用地面大型電磁彈射系統發射電推火箭，計劃2020年完成電磁發射演示系統建設及原理驗證試驗。「巧舟」系列，用以發射平流層飛艇，計劃2018年提供發射運載服務。「輕舟」系列，利用地面大型電磁彈射系統發射液體運載火箭，計劃2020年前，完成電磁發射演示系統建設及原理驗證試驗。

——《軍民融合 創新驅動 協同開創商業航天新業態》，劉石泉)

用通俗的話來說，快舟就是電磁助推常規火箭，增載入荷減少燃料佔比。羽舟就是直接電磁入軌

電磁彈射終於佔了上風。

那我這個外行可能對技術上不是很懂，但是我還是會基本的高中物理和經濟學，會算賬，那我就和大家算一筆賬，為什麼國家放棄了太空電梯，要用電磁彈射？

正文開始：

(一)、【太空電梯成本過高】

單壁碳納米管纜索橫截面積約1平方米，每立方米重1.3噸。

同步軌道35780千米，

碳納米管總重約4651.4萬噸，加上附屬設施約5000萬噸，(等於800艘航母)

單壁碳納米管每克價格500元，每公斤50萬元，每噸價格5億，價格是鋼材

單壁碳納米管每克價格5元，每公斤5000元，每噸價格500萬，價格是鋼材1000倍

每公里造價為地鐵1000倍，高鐵5000倍

總價25000萬億

運送成本：每公斤5萬人民幣，每噸5億

總價25000萬億

第一次合計成本50000萬億

之後升空成本降到百分之一，25250萬億造一條太空電梯

附：

地鐵造價：5—7億/公里

輕軌造價：2億/公里

高鐵造價：1億/公里

6車道高速：1億/公里

普通鐵路造價：5000萬/公里

2017中國高鐵2.2億公里，2025中國高鐵4億公里

每艘航母220—300億，加上配套戰機和護航艦隊造價1000億

2016GDP

1、美國(18.03萬億美元)243萬億人民幣

2、中國(11萬億美元)76萬億人民幣

中國2016財政收入24029億美元，即16萬億人民幣

美國2016財政收入65300億美元，即45萬億人民幣

按照十年後財政收入翻番計算，每年花財政收入三分之一，即十萬億投入研發修建太空電梯，5000年才能建成第一條太空電梯，之後每隔250年建造一條

按照2050年財政收入是現在10倍計算，每年投入50萬億，

按照每年6%+的經濟和財政增速，100年後，經濟增幅和太空投入為現在100倍，50年建成第一條太空電梯，之後每12年建造一條

所以總的來說，碳納米管太空電梯因為里程太長自身重量太大，不划算，短期來說，太空電梯因為太貴不切實際，除非短期內能大大降低發射成本和材料成本。

總的來說，就是太空電梯自身重量太大。，至少要發送6000萬噸即1000艘航母大小的空間站，或10個太空城的人員貨物上天，才能體現價格優勢。

另外，太空電梯因為使用激光碟機動，所以一次只能上下一趟電梯，不然激光就被擋住了，所以效率太低。太空電梯優勢在於可以緩慢加速，以加上地球重力2個G重力的加速度，相當於自由落體運動加速度(到達高空後可以適當提速，但是為了普通人健康也不宜超過2個G)，到同步軌道非常慢，至少需要3天才能到達。然後13個小時回落，1個小時檢修準備，每3.65天運送共計100噸貨上天，每年一萬噸，6000萬噸，需要6000年才能運完。

唯一優勢：之後建造第二條太空電梯成本大大減少，可以幾何級

是不是太空電梯就絕對不可行呢？

如果降低成本和質量，還是有希望的。

如果能用電磁彈射，可回收火箭，可控核動力等離子發動機等把太空貨運升空降低到現在的10%左右，單壁碳納米管成本降低到原價的1%，等於現在的多壁碳納米管的價格，，再把太空電梯的索道變成只有原來的百分之一那麼細，那麼第一條太空電梯總投入只需要50萬億，尚有可能。之後只需要26萬億再建一條。

(二)、【太空電梯安全隱患太大】

幾千萬噸的繩索在天上，如果敵人一個導彈打下來，那麼造成的傷害將是毀滅性的。一隻幾百千克小小的鎢棒到了同步軌道高度往下壓就是能毀滅倫敦的天基武器「上帝之杖」。那麼5000萬噸繩索自懸頭頂，就不是自懸達摩克里斯之劍的問題，是自懸上萬顆大伊萬。哪怕是國際其他國家上不敢破壞，也難保恐怖分子、極端組織一個rpg就能摧毀他，現在最先進的薩德的最好成績都只能防70%左右的導彈，那麼……

(三)、【太空電梯的位置】

因為太空電梯是和同步軌道掛鉤的，需要建設在赤道附近才能讓符合力學和經濟學。而中國領土沒有赤道穿過的陸地國土可以用於建設太空電梯，如果合作，基於第(二)點因素，我想其他有赤道國土的國家如巴西印尼等是不會自懸滅世武器的。。。

以上三點決定了太空電梯未來，至少是我們有生之年，即本世紀內，發展前景渺茫。

現在我們來漫談一下電磁彈射入軌的問題吧，還是主要從算算電磁彈射成本的賬來說。

(一)、【電磁彈射入軌需要多長的軌道？能建立多長的軌道，會達到多高的加速度？】

電磁彈射入軌需要多長的軌道？

人的最大承受極限6個g，已經相當於六七百斤斤的東西壓你身上，9.8米/秒×(6—1)的加速度(扣除基本的重力加速度)，也就是50米/秒需要在多少公里的軌道能達到第一宇宙速度7900米/秒？答案是624公里。

高中物理有公式，V=at，所以t= V/a。而S=at2/2，所以S=V2/2a=624000米即624公里。你可以自己驗證一下對不對。

這只是第一宇宙速度，如果要脫離地球引力到第二宇宙速度，需要1255公里。考慮到空氣阻力對速度影響，如果想要發射人，那麼需要1500公里長度的軌道炮才能一發入軌

所以很長一段時間，都只能做貨運。

現有衛星電子元件理論上最大加速度耐受設計可以達到60g。而鋼材等建造空間站的原材料可以達到100g以上。

而人類最大的建築高度迪拜塔只有800多米，假設我們依山而建，在加速一定的距離後改方向出口45°角一發入軌，那麼考慮到軌道彎曲產生的離心力不能超過100g，那麼，軌道就可以縮短到300公里以內。如果只是朝天上打基建建材，那麼軌道可以縮短到60公里以內。

至少要30°的水平坡度才能上天，基本上不能考慮太多弧度只能直線，而且炮口位置要對準同步軌道，只能自西向東，自北向南建，那麼我找來找去，只有四川盆地南部上升到雲貴高原，或者柴達木盆地往青藏高原的地勢符合地形並且落差最高，可以依山而建，並且這地面部分最多可以達到1500米落差高度。根據勾股定理地面軌道長4.5公里。假設我們還能往下挖洞建立發射井。那麼能挖多深呢？按照世界上最深的洞1.1萬米，再挖鑽頭就融化了。我們不妨再大膽一點，假設還挖到1.2萬米深，斜著挖，那麼發射井坑道就有湊2萬米長了。

這樣，發射的軌道總長度就能達到24.5公里，我們再大膽一點，加長到25000米吧。

25000米的軌道需要多大的加速度才能加速略超過一宇宙速度呢？

用S=V2/2a可得，a=V2/2S，

a=64000000/50000=1280米/秒2≈130g

這是就是可預見的人力極限了。。。

130g的加速度

如果是第二宇宙速度呢？那麼根據公式計算(過程略)，需要250個g以上的重力加速度。

那麼從現在來看，沒有任何電子設備和人能承受這種重力加速度。發射人和衛星是怎麼都不可能的。。。只有建材能承受這個重力加速度，如果容器的受力結構好，部分電子元件的原材料燃料，水和少部分食物能也是承受的。

那麼電磁軌道炮的意義只在於把物資補給，燃料和建材打上天。。

所以我們要大力發展ai自動工廠，實驗發展真空失重環境下的工業化生產組裝，遠程控制建設，太空基建。

那麼就可以用少量的常規火箭發射幾個人和建設器材，智能工廠母機上天，然後後面可以用廉價的電磁彈射直接往天上發貨運物資建材，直接在太空鋪設基地了。

(二)、【電磁入軌成本】

電磁彈射的好處就是廉價，發射井可以重複利用，材料也就耗一點電，這比一次性的動輒幾千萬的火箭外殼成本不知道低到哪去了，現有技術，一級火箭回收難度之大，就算能重複利用十五次，算上燃料，成本降低到現在的十分之一(燃料)，發射也是1000萬一噸(同步軌道)。

而電磁彈射一旦實現，成本可以低到一個難以想像的地步。粗略估算大概會是幾十萬一噸。

那麼未來太空基建狂魔的夢想就完全可以實現了

現在化學火箭發射成本價格高，發射一噸的載重耗費最低價格是一千萬美元，因為火箭一級二級都是一次性的，大部分質量都不是有效載荷，在半路上耗費了90%的非有效重量載荷，比如燃料，外殼，和昂貴的發動機。。就算馬斯克的SpaceX公司的可回收技術，一個火箭發動機理論上也只能重複利十多次。而且為了保證前期一炮打響名聲，保證發射成功率，實際上SpaceX的「可回收火箭」發射大都是拿新火箭發射，回收下來的舊火箭大部分躺倉庫。

電磁炮打上天，軌道可以重複使用，就軌道建設費和維護費。一點微不足道的電費。打上天的全部是有效載荷。如果只算電費，送一噸勢能根據重力勢能公式Ep=mgh，或者達到第二宇宙速度的動能公式Ek=mv2/2計算

Ek：表示物體的動能,單位：焦耳（J）

m：表示物體的質量,單位：千克（kg)

v：表示物體的運動速度,單位：米/秒(m/s)

1000kg物體在達到第二宇宙速11200m/s時，動能

Ek=1000×112002/2=62720000000J。

算上軌道摩擦，空氣摩擦，電路損耗，至少需要72000000000焦耳

已知1度電=3600000焦耳

所以送一噸物資到同步軌道，需要用電20萬度。

已知一度電不到5毛錢，峰段4.2毛/度，谷段2.7毛/度，取平均值3.5毛/度那麼，送一噸物資到同步軌道的電費需要7萬元(軟妹幣)

和現在國際上1000萬美元+一噸，(中國火箭發射一噸成本大約是7000萬rmb)

我們可以把成本控制到原來的千分之一。就SpaceX公司號稱的未來用可回收技術把火箭發射成本降價到現在的十分之一，電磁炮上天的價格也是他遠景規劃價格的百分之一。

只要實現了地面電磁軌道的鋪設，我們就把大量原材料從地上打到太空。我們就可以在太空建造星艦，巨型空間站，太空加油站，甚至是長達一千公里的太空電磁軌道發射台。

這個把兔子從基建狂魔升級成太空基建狂魔的機會我不信你不心動。

至於建造地面軌道的費用：

上海磁懸浮造價：每公里3億元

二線城市普通地鐵造價：每公里5億元。

參考這兩項造價，我們推算出電磁軌道炮的造價，也就是50億/公里左右。

以100個g重力加速度發射物資上天至少需要軌道長度50公里。總造價2500億rmb。。。。

中國能不能負擔得起呢？我看完全可以，畢竟中國2018一年的軍費都已經達到1918億元美元/12000億rmb. 用不到一個季度的軍費就能做到劃時代的發射模式，就問你心動不心動。

綜上。大家應該可以明白了，為啥我國要搞電磁火箭而放棄太空電梯了吧。

嗯，如果有不對的地方，歡迎大家討論，反駁，只要不人身攻擊問候我家人，都是歡迎的。

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