第263章 太空大炮（1/2）
李水旺新一期视频：
在我们拥有火箭之前，我们能想到的进入太空的唯一方法，就是把人从巨型大炮中发射出去，这当然是个相当荒谬的想法。所以今天我们要探讨的是——哦对，把人从巨型大炮里发射出去。
我们今天的主题，可能是我们将要探讨的所有发射辅助系统中概念上最简单的一个，但同时也存在诸多工程难题，其中许多难题我们会因复杂度而略过。它还有很多别称：质量投射器、太空炮、电磁弹射器、轨道炮、线圈炮、V型炮等等。不出所料，我更喜欢“太空炮”这个名字，因为里面没有字母R，而且我念“轨道炮”的时候，总会让人联想到我们把一头鲸鱼从巨型大炮里射出去。
不过，无论叫什么，基本原理都是一样的：你让一个抛射体沿着一根长长的炮管加速，以极高的速度从炮口飞出。用于太空旅行时，这种方式的优势在于，能让物体达到高速，而无需火箭或机载动力系统，只在脱离大炮后进行一些机动操作即可。
它们通常还用电磁铁代替火药提供推力，这能让你在全程保持平稳、恒定的加速度——这一点至关重要，因为人体无法承受普通火炮内部的那种作用力，大多数电子或机械设备也不行。这些设备通常可以比人类更耐受这种加速度，因此可以缩短炮管长度，但即便如此，和我们印象中的任何火炮相比，它依然长得惊人。
这个构想是打造一条抽成真空的长管道轨道，让载人或载货舱沿着轨道加速，在没有空气干扰的情况下不断提速。从很多方面来说，太空炮和真空列车（比如提议中的超级高铁）没有区别。
像超级高铁这样的真空列车，面临的一大难题是建造数百公里长的密封隧道成本极高，质量投射器也面临同样的问题，只不过我们需要把管道的末端抬到高空，那里的空气稀薄得多，位置越高越好。
虽然用电磁力推动舱体在真空隧道中运动的物理原理非常可靠，但实际工程难度要大得多。接下来我们来聊聊基本物理原理。
每当我们讨论物体沿着长轨道加速时，末速度、加速度和轨道长度之间都存在一个简单的关系。如果物体从静止开始做匀加速运动，且不受空气阻力（至少在理想状态下），那么末速度等于两倍加速度乘以距离的平方根。
速度随加速度或距离的平方根增加。如果你想让末速度翻倍，就需要让加速度变为原来的四倍，或者让轨道长度变为原来的四倍。
我们希望加速度保持平稳恒定，且达到人和货物能承受的最大值，这样轨道就能更短。我们来算一下达到轨道速度7800米
秒的情况。
如果以10米
秒2的加速度（略大于1倍重力）加速，轨道长度需要约3000公里（2000英里）才能达到这个速度，整个过程大约需要13分钟。如果你想在纽约市附近射出，轨道就得从落基山脉开始。
不过，如果你看过天钩那一期，就会记得我们可以用天钩把物体送入轨道，只要它能以正常速度的一半与天钩对接，这只需要四分之一的轨道长度。即便如此，轨道依然很长，但这意味着从纽约射出的轨道，只需要从我所在的俄亥俄州开始就行。
同样的轨道，如果把加速度提升到4倍重力，而非仅仅1倍重力，就能达到完整的轨道速度。这个加速度高得让人不适，尤其是没有抗荷服的时候，不过和火箭发射时乘员承受的加速度差不多。
对于固定的末速度（本例中为7800米
秒），轨道长度和加速度成反比：加速度翻倍，轨道长度减半，末速度不变；加速度翻四倍，轨道长度减为四分之一。
如果以4倍重力的加速度沿轨道加速，用于和天钩以一半正常速度对接，轨道长度大约只需200公里，是原本设计以1倍重力将飞船加速到完整轨道速度的轨道长度的十六分之一。
这一期不是讲天钩的，我们之前已经讲过了，但你能明白我为什么喜欢把这两种方式结合使用——它能省下大量昂贵的轨道建设成本。
当然，你可以用更高的加速度进一步缩短轨道，但人体承受能力存在极限。货物也是如此，不过大多数货物可以承受更短的轨道和更高的加速度。
比如子弹，在炮管内会承受数千倍重力的加速度。普通子弹在长度不足一米的炮管中加速后，以数倍音速射出，加速度通常达到10万倍重力，是能把人压成肉酱的加速度的一千多倍。要达到轨道速度，这种加速度只需要300米长的炮管。
不过在地球上，这种级别的加速度没有任何优势，因为我们需要足够长的管道，延伸到大气层高处，那里的空气阻力很小，至少要到山顶高度，而且我们更希望出口位置更高，空气更稀薄。
我们也不想让抛射体垂直射出，而是希望轨道长度大于高度，这样速度主要是水平方向，而非垂直方向——这是进入轨道所需的速度方向，也是火箭升空一段距离后会侧翻的原因。
我们不想在浓密的空气中加速，也不想在浓密空气中射出，所以必须让出口位于空气稀薄得多的地方。
轨道也不一定是直线，但转弯和变向会带来新的问题。以轨道速度转弯时，会产生巨大的离心力，这会额外增加我们本想控制在最低水平的加速度。在轨道速度下，往往需要上千公里的转弯半径，才能避免被离心力压碎。
所以你不能把轨道沿着地面铺设，在某座山或塔上急剧向上转向，再在顶端再次转向保持水平。这也是我们不能让飞船在圆形轨道上反复盘旋加速的原因——只有本系列末尾会讨论的轨道环，能让你在那样的尺度上绕圈加速，而不被离心力压碎。
而且轨道环还有一个特殊优势：可以让你倒着运行，这样重力会抵消一部分转弯时感受到的力。
但我们确实希望出口位置尽可能高，这也是大量工程难题和成本的来源。
把管道出口设在高空的原因，是让被发射的物体脱离大气层，避开所有摩擦和阻力。到50公里高空时，空气密度降至正常的千分之一；到100公里高空时，不足百万分之一。
想把任何物体送到那样的高度并保持静止，几乎是不可能的。而且管道自身结构就有很大重量，更不用说磁铁、电线和维持接近真空状态的真空泵了——不过随着海拔升高、空气变稀薄，抽真空会变得更容易。
即便顶端空气稀薄，如果没有封堵措施，空气还是会很快顺着炮口倒灌进来。
你可以在末端装一扇门，在抛射体即将射出时滑开。这不需要我们通常想象的、类似银行金库门那样坚固的气密舱门，因为压力差很小，作用在舱门上的力也很小，只要密封就行，甚至一张厚塑料片就够了。
当然，你肯定不想以15马赫的速度撞上它，但设置一些自动安全装置并不难，一旦正常开启机构失灵，就可以把炮口封盖炸飞。
不过我们还有一个相当高科技的选择，让人联想到科幻作品中航天飞机货舱里常见的力场——等离子窗。
等离子窗本质上是用等离子体代替玻璃的窗口。我们可以用磁场约束等离子体，在圆柱体内形成一个平面，高温下它与空气的相互作用，类似油和水互不相溶，能阻止空气穿过。
这种技术不仅在低压下有效，在高达标准气压九倍的压力下也能工作，所以在金星、木星等大气密度大得多的星球上也可能派上用场。
它对地球上的质量投射器来说并非必需，但相当巧妙，显然除了给巨型大炮当炮口封盖外，还有更多用途。
当然，它和整门巨型太空炮一样，需要消耗相当大的能量。接下来我们就聊聊能量问题。
因为能量由地面供应，所以发电端不需要什么高科技设备。我个人偏爱核能，但只要电量充足，任何能源都可以。
对于一枚10吨重、以4倍重力加速的舱体，峰值功耗会达到数吉瓦。这是巨大的电量，堪比胡佛水坝，但绝对可行，尤其是因为它只是短暂运行——你可以用电容器、电池，或者专门配备裂变反应堆、太阳能板。
传输电力则更难一些，因为需要高压线路沿着管道全程铺设，为管道各处的磁铁供电。这会给本就很重的管道增加额外重量，而我们还需要想办法把管道支撑到比人类建造过的任何建筑、任何山峰都高的高度。
这是一个相当大的工程难题，因为炮管要伸出地面数公里，重量是个大问题，风也是。
说到太空电梯，我们一直讨论的是相当细且密度大的绳索，即使在飓风中，相比张力和重量等其他作用力，作用在绳索上的力也不算大。
但这里我们说的是一根数米宽的空心管道，自身重量不大，却要承受巨大的风力。不过随着高度升高，管道不需要像底部那样坚固，因为外部压力降低，风力也会减弱。
所以必须想办法把管道悬空固定，最好还能抵御风力。
第一个也是最明显的方案，是巨型塔架，按需要间隔布置，支撑管道，底部比顶部宽，原因我们在太空电梯那期讲过。这是一种相当耗材的方案，摩天大楼造价极其昂贵，而这些塔架要高得多，但物理上是可行的。而且我们建的是塔架，不是摩天大楼，成本要低得多。
1963年建于北达科他州的KVLY电视塔，至今仍是西半球最高的建筑，2010年之前一直是世界最高，直到被哈利法塔超越。不过后者在21世纪耗资数十亿美元、耗时数年建成，而前者半个世纪前、技术更落后的情况下，只花了50万美元，只用了一个月就建成了。
如今用现代材料和更高预算，我们可以建得更高，所以不要轻易否定这种更传统的方案。
不过我还要简单提另外两种方案，详细解释会留到本系列后期。
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