未來(lái)星際旅行:超高速磁懸浮太空列車

1609公里長(zhǎng)的發(fā)射軌道處在真空管中，使太空列車加速5分鐘，達(dá)到每秒9公里的速度，進(jìn)入近地軌道。地面上的超導(dǎo)電纜承載2億安培，發(fā)射管中的超導(dǎo)電纜也有2億安培，那么，在20公里的高空，懸浮力大約會(huì)是每米電纜長(zhǎng)度4噸，這就足可以懸浮起發(fā)射管。

太空列車飛船射出斯特拉姆磁懸浮發(fā)射軌道。

喬治?麥斯(George Maise)博士發(fā)明斯特拉姆(Startram)軌道發(fā)射系統(tǒng)，一起開(kāi)發(fā)的還有詹姆斯?鮑威爾(James Powell)博士，他是也聯(lián)合發(fā)明了超導(dǎo)磁懸浮列車，贏得了2002年富蘭克林工程獎(jiǎng)?wù)?Franklin Medal)。斯特拉姆實(shí)質(zhì)上是超導(dǎo)磁懸浮發(fā)射系統(tǒng)。

斯塔特拉姆軌道發(fā)射系統(tǒng)把旅客和貨物輸送到太空中，采用的是磁懸浮列車。

這套系統(tǒng)可保證航天器磁懸浮，避免摩擦，而同時(shí)，這一磁系統(tǒng)可用來(lái)加速航天器，達(dá)到軌道速度，不到9公里/秒(5.6英里/秒)。磁懸浮客車載客行駛，接近每小時(shí)600公里(373英里)，航天器必須要比這快約50倍，但物理原理和工程是相同的。 這一項(xiàng)目的范圍是個(gè)挑戰(zhàn)。發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是，日?？瓦\(yùn)航班進(jìn)入低地球軌道，應(yīng)該處于相當(dāng)?shù)偷募铀俣?，大約是3倍重力加速度的最大值，然后要求加速5分鐘，達(dá)到低地軌道運(yùn)行速度。在此期間，飛船會(huì)行駛1000英里(1609公里)。這種磁懸浮軌道必須有1000英里的長(zhǎng)度，類似長(zhǎng)度的磁懸浮列車軌道可以考慮用于跨越全美國(guó)的運(yùn)輸。

圖示，磁懸浮斯特拉姆發(fā)射管伸向天空。

就像火車一樣，斯特拉姆軌道的大部分長(zhǎng)度都會(huì)沿著地球表面延伸。側(cè)向力與表面的曲率有關(guān)，是設(shè)計(jì)可適應(yīng)的，但不能適應(yīng)阻力和聲音沖擊波，因?yàn)轱w船以超音速的速度行駛在海平面，飛船和發(fā)射軌道都會(huì)被撕成碎片。 為了避免這種情況，斯特拉姆軌道必須封在真空管內(nèi)，要有通風(fēng)口，讓飛船前的空氣被壓縮，逃逸出真空管。真空相當(dāng)于75公里高空的大氣條件(約0.01乇)，應(yīng)該足可以高效運(yùn)行斯特拉姆發(fā)射系統(tǒng)?？焖俦贸榭梢赃_(dá)到這種壓力，需要采用磁流體動(dòng)力(magnetohydrodynamic)真空泵。

斯塔特拉姆發(fā)射管牢固地安裝在地面。

如果整個(gè)斯塔特拉姆真空管是在海平面，那么，在離開(kāi)真空管時(shí)，飛船會(huì)突然受到幾百個(gè)重力加速度的大氣阻力，很像是撞到一堵磚墻上。為了減少這種影響，保持可以承受的加速度，斯特拉姆真空管末端必須抬升到約20公里(12英里)的高空。在這樣的高度，大氣阻力的初始減速度會(huì)小于3個(gè)重力加速度，而且會(huì)迅速降低，因?yàn)轱w船會(huì)到達(dá)更高的高度。

藝術(shù)家設(shè)想的太空列車地面發(fā)射港。

這個(gè)新的要求引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題，就是我們?nèi)绾瓮衅鹚固乩氛婵展艿某隹诙?首先，真空管包含超導(dǎo)電纜和線圈。鮑威爾和麥斯認(rèn)為，真空管可依靠磁懸浮升到這個(gè)高度。如果我們?cè)O(shè)計(jì)，地面上的超導(dǎo)電纜承載2億安培，發(fā)射管中的超導(dǎo)電纜也有2億安培，那么，在20公里的高空，懸浮力大約會(huì)是每米電纜長(zhǎng)度4噸，這就足可以懸浮起發(fā)射管。 真空管要往下拉，抗衡過(guò)強(qiáng)的磁懸浮力，這要采用高強(qiáng)度的繩索。高強(qiáng)度聚乙烯繩索迪尼麻繩(Dyneema，UHMWPE)是就夠強(qiáng)，可以用。冗余設(shè)計(jì)使磁懸浮系統(tǒng)不可能發(fā)生故障。

日本的磁懸浮列車。

斯塔特拉姆發(fā)射系統(tǒng)也有其他技術(shù)奇跡，比如真空管的出口的等離子體窗口，可以防止涌入相對(duì)密集的空氣，破壞管內(nèi)的真空。然而，所有必需的技術(shù)都已存在，也已經(jīng)了解。這里所需的唯一的工程努力是增加尺度。 桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)已進(jìn)行了一次'“致命危險(xiǎn)因素”分析，分析斯塔特拉姆概念，目的是要找到擬議項(xiàng)目中的任何缺陷。他們給斯塔特拉姆提供了清楚的安全證明。估計(jì)表明，建造可載客的斯塔特拉姆列出，需要20年時(shí)間，建設(shè)預(yù)算約60億美元(忽略通貨膨脹和過(guò)度樂(lè)觀估計(jì))。

這種太空列車進(jìn)入軌道后，就像美國(guó)宇航局設(shè)計(jì)的飛船。

為什么要搞這樣一個(gè)巨大的項(xiàng)目呢?很簡(jiǎn)單，每公斤攤銷50美元發(fā)射費(fèi)用。全球開(kāi)發(fā)和利用火箭太空旅行的總成本超過(guò) 5000億美元。這一航天飛機(jī)項(xiàng)目耗資約170億美元。國(guó)際空間站迄今已花費(fèi)約150億美元。到目前為止，我們的近地空間很少有商業(yè)用途，只是用于部署通訊和成像衛(wèi)星。減少近地軌道插入成本一百倍，最終可以開(kāi)始我們商業(yè)化開(kāi)采太空特殊資源。更不用說(shuō)建造軌道酒店，用于旅游開(kāi)發(fā)。