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《科学24小时》

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90分钟的“平民太空游”

2013-02-04 21:48:48

朱蒂

对绝大多数人来说,遨游太空似乎是终生难以实现的梦想,因为只有极少数人付得起动辄数千万美元的高昂太空游票价。然而,美国研究人员声称,真正的“平民太空游”时代很快就要到来,因为他们正在研制一种可以行驶在太空中的“磁悬浮列车”,每位乘客的票价可能只需5000 美元。或许在不久的将来,普通老百姓都可以乘坐“火车”游太空了。

真空磁悬浮系统将代替火箭

在电影《星空》中有这样一个镜头:在女主人公的幻想世界中,她乘坐的火车突然飞了起来,向浩瀚的星空奔驰而去。美国约翰斯·霍普金斯大学的研究人员设计出了人们梦想中的这种飞向太空的“火车”,并将之命名为“星际列车”。虽然太空磁悬浮列车名为“星级快车”,但事实上按照目前的设计,它只能在近地轨道上运行,根本无法远离地球,更不会脱离太阳系。不过研究人员表示,当未来积累了足够的近地轨道的“星际列车”飞行经验之后,就可以开发更加强力的磁悬浮发射系统,让“星际列车”飞向火星或其他星球。

早在100 多年前,科学家就通过计算预测,如果从地面上向太空中发射一枚高速炮弹,当炮弹的运动速度达到每秒7.9 千米的“第一宇宙速度”时,炮弹将不再落回地面,而是环绕地球作圆周飞行。这也是设计近地轨道飞行器(如人造卫星、空间站)的理论基础。也就是说,任何物体都可以在太空中翱翔,只要能把它的速度提升到“第一宇宙速度”。

同理,如果要让“火车”飞向太空,也需要让它至少具有第一宇宙速度。要达到这一效果,目前采用的方式基本上是用强劲的多级火箭进行不断加速。然而,火箭大都是“一次性用品”,发射一次就宣告作废,每次都得用一枚新火箭。这导致火箭发射飞行器的成本一直居高不下。倘若有一种发射装置可以循环使用,那么成本就会随着使用次数的逐渐增多而不断降低。美国研究人员认为,真空磁悬浮动力发射系统就是这种可以重复利用的发射装置。除了设计中的“星际列车”外,真空磁悬浮系统在将来还可替代火箭发射多种其他太空飞行器。

 

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>> 电影《星空》截图

磁悬浮发射系统逐渐加速

按照美国研究人员的构思,磁悬浮发射系统分为地面设施和发射管道两个部分,两个部分中都有超导电缆,以便为发射管道和“星际列车”提供足够的悬浮力。地面设施中的超导电缆电流高达2 亿安培,发射管道中的超导电缆电流为2000 万安培。磁悬浮发射管道长1600 千米,从地面开始逐渐抬升到2 万米的高空中。在2 万米的高空,每米电缆所产生的巨大浮力都超过了让整个发射管道悬浮所需的浮力。

发射管道将系在连接在地面的高强度绳索上,防止发射管道在浮力和风力作用下随意摆动,保障列车的行车安全。这根管道就像是一个封闭式隧道,里面铺设着可运行磁悬浮“星际列车”的铁轨。铁轨至少有两组,可以双向通车。由于是在真空管道中运行,双向列车即使行驶速度很快也不会相互影响。

为了减少“星际列车”前进所遭遇的空气阻力,整个磁悬浮管道将被抽成真空。因此,这种“星际列车” 也像其他太空飞行器那样是全封闭的,里面有增氧装置,乘客不用担心车厢内的供氧问题。磁悬浮列车的强劲动力可令列车在终点时的速度超过第一宇宙速度,达到每秒9 千米,相当于每小时32400 千米。为了减少乘客的不适感,整个加速过程是逐渐进行的。

如果用火箭发射载人飞行器,那么大概在10 分钟左右就可把飞行器加速到第一宇宙速度。这个加速过程对航天员来说是一个很痛苦的过程,对于普通人来说就更加难以承受。航天员们往往要承受来自数倍重力加速度的压力。而对于磁悬浮“星际列车”来说,这个加速过程要相对长一些,需要30 分钟左右。虽然封闭管道中的旅程有些单调,但是乘客的感觉相对较为舒适,不会因为加速压力而感到特别难受。因此,乘坐“星际列车”前,乘客只需要接受两三天的集中培训即可,不需要像乘坐常规太空飞行器那样进行多个项目且长达数月的训练。

90 分钟环绕地球一圈

为了适应太空飞行,“星际列车”的外观结合了火车和飞行器的特点,有长长的车厢和形似子弹头的车头,还有一对不是十分明显的尾翼。列车在管道中的终点站是一个巨大的结合舱,是连接真空管道和大气层的过渡部分。这个巧妙的设计参考了航天飞机和空间站的对接装置,令列车可以顺利进入结合舱,而外面的空气不会冲入到真空管道中。

“星际列车”在到达真空管道的终点站以后,会像一颗超大的高射炮一样,依靠惯性继续向太空飞驰。此时,由于稀薄大气层中的气体阻力的影响,“星际列车”的速度会很快下降,在一两分钟内就降至第一宇宙速度。此时列车已经距离地面几百千米,可以像人造卫星那样围绕地球的近地轨道做圆周运行,大概90 分钟就可以环绕地球运行一圈。列车中的乘客也就可以在90 分钟内看到地球的全貌,并欣赏到独特的太空美景。

在即将结束航程之前,“星际列车”开始在精确计算的动力调节下制动并减速,列车开始下降,在再次经过磁悬浮系统终点站时,列车也正好下降到该位置。列车降到终点站后,再沿着磁悬浮轨道下滑到起点站,整个太空游航程结束。列车在下降时的位置调整一定要在下降到终点站之前精确完成,精度要在几米的范围内。如果偏差过大,列车就不能顺利地从站台进入管道,而会直接向地面坠落,酿成重大伤亡事故。

未来的太空旅行物美价廉

磁悬浮发射系统听起来似乎有些玄,但是美国宇航局的研究人员相当认可这个计划,并认为有关技术已经十分成熟,随时可以进入具体实施阶段。一旦开始建造磁悬浮发射系统,其难度比不少科学家支持的太空电梯要小得多,工期也比太空电梯短得多,大概20 年内就可以完成,而建设一部太空电梯至少需要50 年。目前,制约这个计划实施的还是先期投入的巨额成本。据核算,建造这样一个系统需要耗费近600 亿美元。研究人员表示,其实成本也不能算是难以逾越的因素,因为此前航天飞机的研制费用就超过了1000 亿美元。

据研究人员计算,一旦磁悬浮发射系统建成,把每千克的货物或人送到太空中的运输成本只要50 美元,大大低于火箭和飞行器每千克数万美元的运输成本。由于运输成本与载重量关系十分密切,未来的“星际列车”太空游将会对每位游客进行称重,乘客的票价会因体重和所携带行李重量的差异而有所不同。

真空磁悬浮发射系统效率也很惊人。间隔几分钟就可起航一趟列车,每年可以把400 万名游客送上太空。对于绝大多数人来说,省吃俭用三年就可以上一次太空,何乐而不为呢?或许在三四十年后,我们就有机会乘坐“火车”去太空遨游了。

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第一宇宙速度:航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度,也叫环绕速度。第一宇宙速度有两个别称:航天器最小发射速度、航天器最大运行速度。按照力学理论可以计算出第一宇宙速度≈7.9 千米/ 秒。

太空电梯:太空电梯的概念最早由著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基在1970 年提出。随着人类太空探索步伐的加快,当代科学家正考虑将此变为现实,以实现外太空和地球之间更便捷的物资交换。太空电梯计划用于发射卫星和飞船,甚至将人类直接送上太空。2012 年,美国电梯港集团公司宣称,由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易,所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯,并表示这一想法能在8 年内成为现实。

 


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