朱雨心： 航天发射 与 宇宙航行 畅想 （1）-- 弹射器

航天发射 与 宇宙航行 畅想

朱雨心

几年前 马斯克的 SpaceX 开创了 第一级火箭的回收 与 重复 使用。不久前 中国 也有 两型火箭 成功地 做了第一级火箭的回收 试验。关于第一级火箭的回收，已经 在 “火箭回收畅想” 以及 “火箭回收” 两文中 论述了。

本文 是要 探讨 不用火箭，尤其是不用第一级火箭，发射航天器,做一个 顶层的 描述与设计。

用火箭 发射 航天器，效率很低。 以SpaceX 的 星舰为例，只有 约 12% 的 燃料的 化学能 转换成了星舰 的 势能与动能。而星舰 的有效载荷 只有 100 吨，星舰的火箭有120吨(不包括燃料)。如果只算 有效载荷，那么 只有 约5% 的 能量 转换成了 星舰 有效载荷 的 势能与动能。这个低效率 来源于 喷气 推进 固有的 低效率 以及 火箭的燃料的 化学能 主要是 消耗在了 火箭本身 而 不是有效载荷。火箭 所携带的 燃料的 重量 远远大于 有效载荷。所以，如果能 不用火箭 发射 航天器，那将是 一个巨大的 技术 进步。 

弹射器

第一宇宙速度 是7.9 公里/秒。一个航天器 如果能 达到7.9 公里/秒，就能 进入 一个 围绕地球运行的 轨道。如果 我们 用一个弹射器，在地面上 把一个航天器 加速到7.9 公里/秒，那么 这个航天器 只需要 做 一个 轨道修正 就能 进入 地球轨道 （暂且略去空气阻力的影响）。这样 发射航天器 就无需 使用火箭。

设计 这个 弹射器，首先要 确定的 一个参数 是加速度。物体在 弹射过程中 所受到的 力，就取决于 这个 加速度。加速度太大，会造成 物体 结构 的破坏。例如，普通的人 能承受的 加速度是3.5 G 左右。这里的 G ，就是重力加速度9.8米/秒²。而经过 专门训练的 宇航员 能够承受9G的加速度。作为参照，SpaceX 的 星舰 发射时 经受的 最大加速度 是3.0 到 3.5 G。而SpaceX 的猎鹰9号发射时 经受的 最大加速度 是3.5 to 4.5 G。 如果 只是 运送 机器 或 物资， 可以 用 几千， 甚至上万 个G 的加速度。

 人体 能 承受的 加速度，还于 方向 有关。 人 最能承受的，是正面方向的 加速度，其次是 背面 方向的 加速度，而 最不能 承受的，是从头到脚 方向的 加速度。火箭 发射时， 加速度的方向 是 向上。人体 最 有利的姿势 是 基本上 平躺在 椅子上，正面 朝上，向着前方。而飞船返回 时，受到 空气的阻力 而 减速，加速度的方向 还是 向上，但是 与 速度的方向 相反。人体 最 有利的姿势 还是 基本上 平躺在 椅子上，正面 对着 加速度的 方向，也就是 飞船的 后方，而 背面 朝 飞船的前方。

 从速度零 加速到7.9 公里/秒 需要多长的弹射器呢？

 L = v²/(2a)      （1）

 这里，L是弹射器的 长度，v是最终的 速度，例如 第一宇宙速度7.9 公里/秒，a是加速度。

 那么 这个 弹射的 过程 在时间上 是多长呢？

t = v/a         （2）

 这里，t是弹射过程 经过的 时间。

 从式（1），我们得出：至少 需要910 公里长的 弹射器， 才能 以3.5 G的加速度，最终达到 第一宇宙速度7.9 公里/秒。整个弹射 过程 耗时230秒 = 3.8 分钟。这里 我们 略去 地球自转的影响 以及 弹射器 的位置 与 指向 的 影响。

 弹射 所需要的 功率P是：

  P = F v =  (m a) (a t) = m a² t   （3）

 这里， F 是 航天器 所受到的 推力，m 是 航天器的 质量。v 是 某个时刻的 瞬时速度

 所以， 随着 航天器 在弹射器中 速度增加，所需的 功率 也随之 增加。最大功率 在弹射的末期。以SpaceX 的 龙飞船 为例。龙飞船 的重量 是10 吨左右。如果我们取 m = 10 吨，那么，推力就是343,000牛顿（35 吨力）。最大功率是 270万千瓦。整个弹射 需要 8万7千度电，并不是很大。一台100万千瓦的发电机 每小时能发100万度电，5分多钟 就能产生8万7千度电。

 这样 长度的 弹射器 只能 基本上 水平构建。最好 有个小坡度，以便 缩短 航天器 在 稠密空气中 飞行的 距离。例如，我们 可以在 唐古拉山 北坡 找一段 适合的地形，建造一个 基本上 东西向的910 公里长 的 弹射器，出口在5000 米高的 唐古拉山 山顶。

 这个弹射器 有 一个 910 公里长 的 密封的 圆筒。以SpaceX 的 星舰 为例，星舰 的直径是9米。简单起见，我们就暂定这个弹射器的 圆筒直径 是10米。弹射时，整个 圆筒 密封，抽成 真空。

 通常的 弹射器 可以用蒸汽、燃气、或 压缩空气 驱动。如果按直径10米计算，一个大气压 能在直径10米的 面积上 产生7,693,000牛顿 的推力，是 我们 所需要的 推力的20几倍。所以，并不需要 气体 在弹射器里 有 很高的压力。开始时 我们 是可以 利用 真空与坏境的压力差 来推动 弹射器。当然， 我们 必须 控制 推力 始终在343,000牛顿 以保持3.5G的匀加速度。低速时，这没有什么 问题。但是 弹射器的 速度 很快就会 超过音速。 那时, 像航母 那样的 弹射器，简单地 打开 蒸汽阀门，就 不能工作了。气体 在 弹射器 管道 中的 流速 就会 跟不上 被弹射的 物体的速度。那时，必须要 使用 超音速 喷嘴 (拉伐尔喷管de Laval nozzle)，就是 火箭发动机 用的 那种 喷嘴。高压 气体 经过 超音速 喷嘴才能 产生 超音速 的 气流 进入弹射器 来推动 载荷（航天器）。并且 要 使用 小分子量的 介质。最好是 用 氢气，但是 氢气 不安全。次好是 用 氦气，但是 氦气太贵。第三好 就是 气态水，或者 用 水蒸汽，或者 用 氢氧燃气。第四好 就是 用 天然气（甲烷）与 氧气 燃烧产生 的 燃气，也就是 二氧化碳 与 气态水 的混合物。 用 气态水 为介质，可以 实现 超过 5马赫 的 超音速 气流。这里的 马赫， 是 声音 在 空气中 传播的 速度，340米/秒。所以，粗略估算， 5马赫 就是 气体推动 的 弹射器的 上限了。

 但是，这 还远远 不够。第一宇宙速度7.9 公里/秒 是23马赫。以3.5G的加速度 弹射，航天器将在42公里处 达到5马赫 的速度。其实，连这个 速度 也 达不到，因为，这个 超音速 气流 不可能 在那么长的 管道里 维持 高速。

 用 氦气， 可以 产生 比 气态水 更高速的 气流，是一个可选的方案。每次弹射后 可以 回收 氦气。这个，是可以办到的，因为 是在 一个密封的 管道里 嘛。这样，成本就不会太高。用 氦气 来驱动， 可以 获得更高的 弹射 速度，但是，也不可能 在那么长的 管道里 实现 高速。所以， 全程 都 靠气体 推动 是 不可能的。高速时 或 长距离时 只能用 电磁推动。为了系统简单起见，不如 全程 用电磁推动。可以 用 电容 与 飞轮 储能。

 电磁推动的 弹射器 的基本设计 就是，真空、磁悬浮、电磁推动。弹射器 的出口 用 薄膜 密封。弹射时，载荷（航天器）冲破薄膜。

 建造 这样的弹射器 没有 什么技术障碍，虽然 工程不小， 但是 比起 几千公里的 高铁，或 跨越 高山峡谷的大桥，也不是 不可想象的 工程，完全 可以 办到。

 前面讲的 是 终极的 弹射器了，也就是 规模 最大的 弹射器。如果 我们 以9G的 加速度 弹射，那么 弹射器的 长度 只需要360 公里。如果 我们 只是 运送物资，那么 加速度 还可以 大的多。如果 以100G的加速度 弹射，那么 弹射器的 长度 只需要32 公里。 如果 以1,000G的加速度 弹射，那么弹射器的长度只需要3 公里。作为 参照，炮弹 在榴弹炮里 经受的 最大 加速度 是15,500G。

 但是，即使在5000米的 高原，空气 仍然 稠密。航天器 以第一宇宙速度7.9 公里/秒 的高速 穿过 稠密大气层，是 重大的技术 挑战。一是 航天器 受到的 阻力 不能 太大。由 这个 空气阻力 产生的 加速度（与运动方向相反）不能大于3.5G或9G。需要 设计 阻力足够小的 飞行器，例如，用什么 结构、形状等等。其二 ，如此 高速的飞行器，可能 会产生 极高的温度。需要 耐高温的 材料。

 航天器 返回 地球时 进入大气层，首先遇到的 是稀薄的 空气，等进入 稠密空气时 速度 已经 降低了。这是 进入大气层， 比 飞出大气层，有利的 一面。但是， 另一方面，航天器 返回地球 进入 大气层时，航天器 具有 很大的 动能 与 势能，需要在 降落的过程中 耗散 这些 能量。这是一个 必须要 完成的 物理过程。而 这个 能量 通常 是 以 热 的 方式耗散。所以，航天器 返回地球时 可以说 必然 要 经受 较大的阻力 与 高温。然而， 被弹射的物体 飞出 大气层时 却 没有 这样的 物理 限制。我们 有 比较大的 自由 来 设计 适当 方法，来 实现 低阻力 以及 避免高温。

 粗略估算，如果，在5000米的高度 水平 飞行，则 需要 穿过280 公里的稠密大气层、（高度1万1千米以下的大气），穿过1,105 公里的名义大气层（100 公里 卡门线 以下）。如果 弹射器 有个 10度的 仰角，那么穿过 11 公里 高度的 稠密大气 的距离 就减到34公里，耗时4.3秒。穿过 30 公里 高度的稠密大气的距离 就是136公里，耗时17秒。而穿过卡门线的距离 是457公里，耗时58秒。所以，弹射器的仰角 越大越好，最好是90度 垂直向上。我们后面会 进一步 谈这个问题。

 那么，除了 航天器 硬拼 阻力与高温 的问题 而实现 穿过 大气层的飞行 外，还有 什么 其它可能的 方法呢？我们 这里 提 两个 方法。

 一个设想， 是 用大功率的 激光束 照射 航天器的前方，使前方一段距离内的空气 急剧受热 向周围膨胀（就是爆炸），在短时间内，在中心 形成一个 管状的 真空（低压）区。而 航天器 就在 这个 真空区 内飞行，从而避免了 在 稠密大气 中的 飞行。尽管 这个 真空区 存在的 时间很短，但是 我们的航天器 很快呀，只需要 很短的时间 就够了。然后，激光束 又 开辟一段 真空通道。就这样，激光束 不断地 开辟 一段段 真空通道，航天器 随后 跟进。

 我们的航天器 以第一宇宙速度7.9 公里/秒 的速度 飞行，0.1秒（100 毫秒） 飞790米， 0.01秒（10毫秒） 飞79米，0.001秒（1毫秒）飞7.9米。而爆炸 产生的 真空或低压区 通常持续 几十 到 几百毫秒，应该足够了。爆炸 越剧烈，真空或低压区 持续的 时间就越长，而真空或低压区的 范围也越大。例如，手榴弹爆炸 产生 半经1到3米的 真空或低压区。155毫米榴弹炮 炮弹爆炸 产生 半经15到35米的 真空或低压区。而 核爆炸， 例如二万吨 的广岛原子弹 能产生 大到半经3公里的 真空或低压区，持续时间 可达 数秒。

 例如，如果 激光器的 一个 脉冲 使前方10米范围 产生爆炸，那么 每1毫秒 一个 激光脉冲，就可以 使 飞行器 持续地 在真空通道 中飞行。

 如果 用 这个 激光开路 的 方案，那么 在航天器 前面 就需要有 一台激光器。航天器 穿过大气层后，激光器 与 航天器 分离，回收后 重复利用。

 另一个方法，就是 在弹射器的 出口 接一个 真空通道，长度 至少穿越 稠密大气层。这样 就避免了 航天器 在稠密大气中的 飞行。

 例如，以10度仰角的 弹射器 为例，真空通道 的长度是136公里，航天器 在30公里 高空 进入 大气。在那个高度，空气 已经 很稀薄了，气压是1,17 Pascals (1.17 kPa)，只有 海平面气压的1.15%。

 那么，怎么 建造 这个 真空通道 呢，我们 后面 会 具体谈。  (未完待续)

朱雨心  10/15/2026  （版权所有。知识产权所有。商业转载需获得作者授权）

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