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未來星際旅行:超高速磁懸浮太空列車

454398 ? 來源:科技創業 ? 作者:灰色天空 ? 2012-07-10 11:38 ? 次閱讀

1609公里長的發射軌道處在真空管中,使太空列車加速5分鐘,達到每秒9公里的速度,進入近地軌道。地面上的超導電纜承載2億安培,發射管中的超導電纜也有2億安培,那么,在20公里的高空,懸浮力大約會是每米電纜長度4噸,這就足可以懸浮起發射管。

太空列車飛船射出斯特拉姆磁懸浮發射軌道。

喬治?麥斯(George Maise)博士發明斯特拉姆(Startram)軌道發射系統,一起開發的還有詹姆斯?鮑威爾(James Powell)博士,他是也聯合發明了超導磁懸浮列車,贏得了2002年富蘭克林工程獎章(Franklin Medal)。斯特拉姆實質上是超導磁懸浮發射系統。

斯塔特拉姆軌道發射系統把旅客和貨物輸送到太空中,采用的是磁懸浮列車。

這套系統可保證航天器磁懸浮,避免摩擦,而同時,這一磁系統可用來加速航天器,達到軌道速度,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。 這一項目的范圍是個挑戰。發射系統的設計是,日常客運航班進入低地球軌道,應該處于相當低的加速度,大約是3倍重力加速度的最大值,然后要求加速5分鐘,達到低地軌道運行速度。在此期間,飛船會行駛1000英里(1609公里)。這種磁懸浮軌道必須有1000英里的長度,類似長度的磁懸浮列車軌道可以考慮用于跨越全美國的運輸。

圖示,磁懸浮斯特拉姆發射管伸向天空。

就像火車一樣,斯特拉姆軌道的大部分長度都會沿著地球表面延伸。側向力與表面的曲率有關,是設計可適應的,但不能適應阻力和聲音沖擊波,因為飛船以超音速的速度行駛在海平面,飛船和發射軌道都會被撕成碎片。 為了避免這種情況,斯特拉姆軌道必須封在真空管內,要有通風口,讓飛船前的空氣被壓縮,逃逸出真空管。真空相當于75公里高空的大氣條件(約0.01乇),應該足可以高效運行斯特拉姆發射系統。快速泵抽可以達到這種壓力,需要采用磁流體動力(magnetohydrodynamic)真空泵。

斯塔特拉姆發射管牢固地安裝在地面。

如果整個斯塔特拉姆真空管是在海平面,那么,在離開真空管時,飛船會突然受到幾百個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小于3個重力加速度,而且會迅速降低,因為飛船會到達更高的高度。

藝術家設想的太空列車地面發射港。

這個新的要求引發了一個問題,就是我們如何托起斯特拉姆真空管的出口端?首先,真空管包含超導電纜和線圈。鮑威爾和麥斯認為,真空管可依靠磁懸浮升到這個高度。如果我們設計,地面上的超導電纜承載2億安培,發射管中的超導電纜也有2億安培,那么,在20公里的高空,懸浮力大約會是每米電纜長度4噸,這就足可以懸浮起發射管。 真空管要往下拉,抗衡過強的磁懸浮力,這要采用高強度的繩索。高強度聚乙烯繩索迪尼麻繩(Dyneema,UHMWPE)是就夠強,可以用。冗余設計使磁懸浮系統不可能發生故障。

日本的磁懸浮列車。

斯塔特拉姆發射系統也有其他技術奇跡,比如真空管的出口的等離子體窗口,可以防止涌入相對密集的空氣,破壞管內的真空。然而,所有必需的技術都已存在,也已經了解。這里所需的唯一的工程努力是增加尺度。 桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)已進行了一次'“致命危險因素”分析,分析斯塔特拉姆概念,目的是要找到擬議項目中的任何缺陷。他們給斯塔特拉姆提供了清楚的安全證明。估計表明,建造可載客的斯塔特拉姆列出,需要20年時間,建設預算約60億美元(忽略通貨膨脹和過度樂觀估計)。

這種太空列車進入軌道后,就像美國宇航局設計的飛船。

為什么要搞這樣一個巨大的項目呢?很簡單,每公斤攤銷50美元發射費用。全球開發和利用火箭太空旅行的總成本超過 5000億美元。這一航天飛機項目耗資約170億美元。國際空間站迄今已花費約150億美元。到目前為止,我們的近地空間很少有商業用途,只是用于部署通訊和成像衛星。減少近地軌道插入成本一百倍,最終可以開始我們商業化開采太空特殊資源。更不用說建造軌道酒店,用于旅游開發。

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