一發入魂！用大炮送衛星上天！

原標題:一發入魂！用大炮送衛星上天！

2016年10月號的《國防科技工業》，登載了航天科工集團副總經理劉石泉撰寫的一篇文章。這篇文章提到了用「地面大型電磁彈射系統」發射的「電推火箭」——「羽舟」，「電磁彈射」加上「火箭」，著實讓人「科幻」了一把。

其實「電磁彈射系統」和航母電磁彈射器、磁浮列車、電磁軌道炮，基本原理都是一樣的，都是把電能轉換成動能的簡單裝置，只不過加速的物體不一樣，速度也有高低。說它們「簡單」，是因為它們的原理用中學物理電學就能解釋清楚。

當然，這些工程實現起來，難度還是很大的。

早在人們認識電磁能之前，很多人已經開始幻想轟一炮把東西打上天了。這個「上天」是真正的上天，也就是說，它的動能至少保證進入地球軌道，不再掉下來。牛頓是研究「上天」的祖師爺，他著名的思想實驗「牛頓大炮」就簡單推算了第一宇宙速度。

牛頓那個時代的槍炮技術，離打炮上天還遠著呢，所以只是想象中的實驗。兩百多年後，工業革命催生了堅船利炮，科幻作家儒勒•凡爾納（Jules Verne）和科幻電影導演喬治•梅里埃（Georges Méliès），就可以放膽描述「大炮送衛星」的故事細節了。有趣的是，不管是凡爾納的《從地球到月球》還是梅里埃的《月球之旅》（Le Voyage dans la Lune），裡面的有些細節，都是很經得起推敲的。

1902年拍攝的《月球之旅》是世界上第一部科幻電影，月亮被炮彈「打臉」的鏡頭，是最早的定格動畫。圖片來源：Wikimedia Commons

差不多同時代，人類宇航事業奠基人之一——「火箭之父」俄國人齊奧爾科夫斯基，驗算過凡爾納大炮之後，認為那東西不可能實現。因為要在炮管內加速到可以逃逸地球引力的速度，「炮彈」，也就是宇宙飛船要承受幾萬g的加速度，任何大型生物都會瞬間被「炮決」，當時能製造出來的控制裝置，也架不住這一轟。齊奧爾科夫斯基用多級火箭逐漸加速宇宙飛行器的設想，最終變成現實，讓人類離開了地球家園。

然而多級火箭也有自己的問題，它們過於複雜，可靠性不佳。而且為了把那點載荷「接力」達到最終的速度，需要犧牲太多的能量。導致現在航天發射的成本還是高得離譜。即便是現在，大家都在努力製造「可重複使用」的火箭，本質上還是沒法解決原理上的障礙。而且增加了系統的複雜性，可靠性更差了。

要是能幹凈利索地來一「炮」，那該多好！上世紀60年代的航天大躍進時期，有個瘋子天才真這麼干過。

這個人就是傑拉德·布爾（Gerald Bull）。

他在多倫多大學博士畢業，研究當時非常時髦的「宇航學」。1961年，他被聘為加拿大麥吉爾大學（McGill University）工程學教授，三年後成為該校宇宙研究所所長。

在麥吉爾大學期間，他潛心研究「一炮入軌」，這個研究得到了加拿大軍方和美國軍方的資助。美國軍方給他提供了實驗材料——406毫米口徑的Mk7型加農炮，就是裝在衣阿華級戰列艦上的那種巨炮，當時人類製造的威力最大的身管武器之一。

Mk7的怒吼，BB61艾奧瓦號的這張照片是大炮巨艦時代的晚鐘。題圖來源：imgur

只需要「轟」一聲，它就可以把1225千克重的高爆彈頭加速到每秒762米，炮口動能高達412兆焦耳。當然，每秒762米離每秒7900米的第一宇宙速度還差得遠。為了提高炮彈的速度，布爾大幅度降低了炮彈的重量，他採用了「次口徑」方案，細長的彈丸用輕質材料製作的彈托裹住，這樣既可以「享受」到大口徑帶來的大動能，又提高了速度。這一系列炮彈，或者說亞軌道飛行器，被命名為「聖馬丁鳥」（Martlet），傳說中，聖馬丁鳥是無足之鳥，這其實源自人們對雨燕一類鳥的錯誤觀察，它們的小腳確實不太顯眼。

聖馬丁鳥還是麥吉爾大學校徽的吉祥物。圖片來源：麥吉爾大學官方網站

第二處改進更引人矚目，上面的艦炮圖中，我們能看到氣勢磅礴的炮口火焰。這巨大的炮口焰也導致了另外一個問題，那就是火藥爆炸產生的高溫高壓氣體，並沒有完全膨脹把能量傳遞給彈丸，很大一部分浪費掉了。如何減少浪費，最簡單的做法就是——延——長——炮——管。讓彈丸有足夠的距離「吃乾淨」火藥產生的能量。布爾的做法簡單粗暴，那就是把兩根Mk7的20米長的炮管焊在一起。

第三處改進是每次發射前將炮管內吸真空，減少空氣對內彈道的影響。

這一系列實驗的代號是HARP（High Altitude Research Project），最初這個實驗在加拿大魁北克的一處靶場進行，後來發現靶場實在不夠大。後來美軍又提供了一個更好的試驗場地——位於中美洲巴貝多（Barbados）的一處美軍基地。巴貝多大炮就此得名。每次發射，整個巴貝多都可以聽見炮聲。

巴貝多大炮。圖片來源：reddit

1966年，HARP計劃「最終版」的大炮和炮彈，來到了第三個試驗場——美國亞利桑那州的尤馬（Yuma）靶場，在這裡，布爾把180千克重的炮彈打出了2100米/秒的驚人速度，超過了音速，最大射高180千米，已經遠高於100千米的卡門線（Kármán line），卡門線是國際航空聯合會接受的，外太空和大氣層的界限，也就是說，這個炮彈進入了外太空。因為它還不是軌道飛行器，最後還是會掉回地面的。

就在這個實驗之後不久，美加兩國停止了對項目的資助，原因是已經踏進越戰泥潭的美國軍方，看不到與當時蒸蒸日上的火箭相比，這種玩意的實際意義在哪裡。另外，據說布爾陰晴不定的性格也讓金主們很頭疼。奇怪的是，這個被取消的項目，被布爾成立的私人公司「太空研究所」繼承了下來。

布爾的目標很明確，就是要炮打衛星一發入魂。

但是，沒錢。

他這樣的人不愁沒錢。只需要把對準太空的炮口對準人類就行了。布爾研發了一款45倍徑（身管長度和口徑的比值）的155毫米加榴炮：GC-45，這款火炮的內外彈道設計極其出色，引發了全球範圍內的155毫米火炮換代大潮。而這款火炮的合作方包括：、伊朗、伊拉克、以色列、南非。你不必是國際問題專家，就能感覺出來，這個人，在作死。不管你們有什麼恩怨，給錢我就干。

科威特閱兵式上的造PLZ-45自行加榴炮，就是布爾的作品。圖片來源：搜狐軍事

上世紀70、80年代，作為世界頭號「民間」軍火商，布爾在世界各個衝突地區遊走，最終找到了一個肯支持他夢想的人物——薩達姆•海珊。當然，薩達姆的志趣不在仰望星空，西方情報機構發現伊拉克的農藥企業，進口了許多高精度大口徑無縫鋼管，從而發現了布爾的計劃。其中一些鋼管的直徑甚至達到了1米。它們是「巴比倫大炮」的炮管。巴比倫計劃開始於1988年，按照計劃，它會分兩步走：350毫米直徑，46米長的「巴比倫嬰兒」和1米直徑，146米長的「大巴比倫」。除此之外，布爾還為伊拉克研製過彈道導彈的再入彈頭。

現存於英國朴茨茅斯皇家兵工博物館的兩截大巴比倫炮管。圖片來源：網路

1990年3月20日，62歲的傑拉德•布爾在比利時布魯塞爾家門口被射殺，至今仍是懸案，人們猜測，以色列和伊朗的特工應該脫不了干係。緊接著，海灣戰爭爆發，未完工的巴比倫大炮被聯軍繳獲。理論上如果大巴比倫完工，布爾的夢想就可能實現。

布爾存世的照片不多，這是最著名的一張，左一就是還在麥吉爾大學當教授的他。圖片來源：alchetron.com

製造超級大炮，利用化學能「一炮入軌」的難度，從布爾的一生坎坷就知道有多難，除了他這個瘋子，沒人做過這種嘗試，除了薩達姆這樣的瘋子，也沒人支持這種瘋狂設想。

美國軍方在放棄布爾的「大炮入軌」之後，並未放棄對高邊疆的爭奪，相反，他們把寶押在了更現實的火箭技術和更具有前瞻性的其他技術手段上。其中之一就是電磁軌道炮。

目前美國和英國聯合研製的電磁軌道炮，已經非常接近於實用。圖片來源： U.S. NAVY，拍攝者：JOHN F. WILLIAMS

同樣原理的航母飛機電磁彈射器，也已經裝上了美國新一代的福特級航母。

福特級航母的電磁彈射器測試，一台滑車被扔進了海里，甲板上再也看不見以前蒸汽彈射器的滾滾白汽了。圖片來源：搜狐軍事

2010年，NASA啟動了一個項目，這個項目將結合電磁彈射器、超燃衝壓飛行器和傳統火箭，大幅度降低航天發射的成本。

火箭是自帶氧化劑的，但在一次宇航發射中，耗能最大的部分恰恰是在大氣層里，有氧不用純屬浪費。吸氣的發動機里，傳統的渦輪發動機的工作速度太低，到三倍音速差不多就是極限了。而衝壓發動機（Ramjet）不一樣，它無需藉助渦輪壓縮空氣，只要自身速度夠快，靠迎面空氣的自動壓縮就可以讓進入燃燒室的空氣劇烈壓縮，使燃燒迅猛。近些年取得突破的超燃衝壓發動機，解決了衝壓發動機在高超音速時的工作難題，它們的理論飛行速度可達十倍音速左右，足以把飛行器加速到非常接近第一宇宙速度。這時候，速度和高度都很接近「宇宙飛行」的目標，飛行器再由火箭稍稍加速就可以突破「窗戶紙」。問題是，衝壓發動機工作需要初始達到一個高速度。現在的解決方案是用火箭加速衝壓發動機。

高超音速超燃衝壓飛行器的示意圖，本文作者瘦駝摸過非常類似它的東西，實物。圖片來源：網路

美國的X-51高超音速飛行器，由後面的火箭助推器把飛行器加速到衝壓發動機啟動速度。圖片來源：新華網

本來就是要省掉火箭，現在不得不用火箭，真是糾結。

不用火箭，用電彈！圖片來源：網路

NASA就是這麼想的，先用大型的電磁彈射器把衝壓飛行器加速到工作速度（音速兩、三倍左右）——衝壓飛行器起飛，在大氣層中充分加速，達到音速十倍左右——釋放小火箭推動的任務載荷——載荷入軌，衝壓飛行器降落。整個發射消耗的只是電能、衝壓飛行器的燃料和一枚小火箭。

根據「敵有我有，應有盡有」的原則，我們也有自己的電磁軌道炮和電磁彈射器。尤其是後者，近期，它的「真容」已經露出了一些。

按照航天科工集團的介紹，它們的「輕舟」是電磁彈射器加化學火箭，那說明，我們的技術還不是「一炮入軌」，而是採用了美國同行近似的接力方案。

「羽舟」這一系列名字的命名者，一定是個拳擊迷。職業拳擊比賽分17個級別，輕量級是61公斤級，而羽量級則是57公斤級。不知道未來會不會出現雛舟、蠅舟、草舟？這個名字意味著，「羽舟」是發射重量更小的發射系統。

「羽舟」系統的組成是電磁彈射器加電火箭。電火箭雖然工作穩定，可以反覆點火，但是推力很小，僅能用來調整和維持航天器軌道，理論上根本無法推動航天器入軌。所以，這個方案，一定是依賴電磁彈射器的力量，「一炮入軌」的。當然，這也得益於微機電技術的進步，有功能的衛星越來越小，從微小衛星到納星，甚至皮星。一顆衛星的重量可以低到1千克以下。

NASA的這個設想已經進入工程階段了。圖片來源：航天愛好者網

到那個時候，從牛頓到布爾，都可以瞑目了。