[科普中国]-发射环

发射环是一个设想中的非火箭航天发射装置。通过利用一个架在距地面80公里，长为2000公里的高架环路上的磁悬浮带，把负载发射到某个轨道上。整个带子在将负载抛射出地面后，向下，并反向向来的方向运动直到最初的发射端，这样构成一个环形回路。

简介发射回路或Lofstrom回路是一种建议的系统，用于将物体发射到太空轨道，使用一个移动的类似电缆的系统，该系统位于两端连接到地球的护套内，悬挂在中间大气层之上。设计理念由Keith Lofstrom出版，描述了一种主动结构磁悬浮电缆传输系统，其长度约为2,000公里（1,240英里），并保持在高达80公里（50英里）的高度。通过在结构周围循环的带的动量，发射回路将在该高度处保持。实际上，这种循环将结构的重量转移到一对磁轴承上，每个轴承一个，支撑它。

发射回路旨在通过电磁加速它们来实现重量为5000公斤的车辆的非火箭太空发射，以便将它们投射到地球轨道甚至更远的地方。这可以通过电缆的扁平部分来实现，该部分在大气上方形成加速轨道。

该系统旨在适合用于太空旅游，太空探索和太空殖民的人类发射，并提供相对较低的3g加速度。1

历史发射回路由Keith Lofstrom在1981年11月的美国宇航学会新闻报的读者论坛和1982年8月的L5新闻中描述。

1982年，Paul Birch在英国行星际学会杂志上发表了一系列论文，描述了轨道环，并描述了一种称为部分轨道环系统（PORS）的形式。Lofstrom在1983-1985年期间更详细地研究了发射循环的想法。它是PORS的一个充实版本，专门用于形成适合将人类射入太空的磁场加速轨道; 但是，虽然轨道环使用超导磁悬浮，但发射环使用电磁悬浮（EMS）。

原理建议发射回路为长2,000公里，高80公里的结构。 环路在地球上空80公里处运行2000公里，然后下降到地面，然后回到自身上升回到地球上方80公里处，沿着反向路径然后循环回到起点。 环将是管的形式，称为护套。 漂浮在护套内的是另一个连续管，称为转子，它是一种带或链。 转子是一个直径约5厘米（2英寸）的铁管，以14千米/秒（31,000英里/小时）的速度绕环路移动。

保持在高空静止时，环路处于地面水平。然后转子加速到达速度。随着转子速度的增加，它会弯曲以形成弧形。该结构由来自转子的力保持，该力试图遵循抛物线轨迹。地锚在到达80公里的高度时迫使它与地面平行。一旦升起，该结构需要连续的功率来克服消散的能量。需要额外的能量来为任何发射的车辆提供动力。

启动有效载荷为了发射，车辆在一条“电梯”电缆上升起，该电缆从80公里处的西站装载码头垂下，并放置在轨道上。有效载荷施加磁场，该磁场在快速移动的转子中产生涡流。这既可以将有效载荷从电缆上抬起，也可以将有效载荷与3g（30 m /s²）的加速度一起拉出。然后有效载荷骑在转子上，直到达到所需的轨道速度，然后离开轨道。

如果需要稳定或圆形轨道，一旦有效载荷达到其轨道的最高部分，则需要使用机载火箭发动机（"kick motor"）或其他装置将轨道环形化到适当的地球轨道。

涡流技术紧凑，重量轻且功能强大，但效率低下。每次发射时，由于功率耗散，转子温度增加80开尔文。如果发射间隔太近，则转子温度可能接近770°C（1043 K），此时铁转子失去其铁磁性能，转子密封性就会丢失。

容量和能力近地点80公里的闭合轨道很快衰减并重新进入，但除此类轨道外，发射环本身也能够直接将有效载荷注入逃逸轨道，重力辅助轨道穿越月球，其他非轨道封闭的轨道，如靠近Trojan points。

为了使用发射回路进入圆形轨道，需要使用有效载荷发射相对较小的"kick motor"，该有效载荷将在远地点发射并使轨道环形化。对于地球同步轨道插入，这将需要提供约1.6km/s的Δ-v，对于近地轨道在500km处的环形化将需要仅为120m/s的Δ-v。常规火箭需要大约14和10km/s的Δ-vs分别到达地球同步轨道和近地轨道。

Lofstrom设计中的发射回路靠近赤道并且只能直接进入赤道轨道。然而，其他轨道平面可能通过高空平面变化，月球扰动或空气动力学技术到达。

发射回路的发射速率容量最终受到转子温度和冷却速率的限制，达到每小时80个，但这需要一个17吉瓦的发电站;一个更适中的500兆瓦发电站足以每天发射35次。2

经济学对于经济上可行的发射回路，需要具有足够大的有效载荷发射要求的客户。

Lofstrom估计，耗资约100亿美元且一年回收的初始回路可能每年发射40,000公吨，并将发射成本降至300美元/公斤。 300亿美元，具有更大的发电能力，该环路每年能够发射600万吨，并且在五年的投资回收期内，通过发射回路进入太空的成本可能低至3美元/公斤。

比较启动循环的优点与太空电梯相比，不需要开发新的高抗拉强度材料，因为该结构通过移动环的动能而不是拉伸强度来支撑其自身重量来抵抗地球的重力。

Lofstrom的发射回路预计将以高速率发射（每小时多次发射，与天气无关），并且本身并未造成污染。由于排气温度高，火箭在排气中会产生硝酸盐等污染，并且可能会根据推进剂的选择产生温室气体。作为电力推进形式的发射回路可以是清洁的，并且可以在地热，核能，风能，太阳能或任何其他电源上运行，甚至是间歇性的，因为该系统具有巨大的内置电力存储容量。

与太空电梯不同，太空电梯必须经过几天的范艾伦安全带，发射回路的乘客可以发射到地球轨道下方的低地球轨道，或者在几个小时内通过它们。这与阿波罗宇航员所面临的情况类似，他们的辐射剂量比太空升降机低200倍。

与太空电梯沿其整个长度存在空间碎片和陨石风险的太空电梯不同，发射回路应位于轨道因空气阻力而不稳定的高度。由于碎片不会持续存在，因此只有一次机会影响结构。尽管太空电梯的坍塌期预计为数年，但预计以这种方式损坏或坍塌的情况很少见。此外，即使在事故中，发射回路本身也不是空间碎片的重要来源。产生的所有碎片都有一个与大气相交或处于逃逸速度的近地点。

发射回路用于人类运输，提供安全的3g加速度，绝大多数人能够容忍，并且比空间电梯更快地到达空间。

与火箭不同，发射回路在运行中会很安静，并且不会造成任何声音污染。

最后，它们的低有效载荷成本与大规模商业太空旅游甚至太空殖民化兼容。

启动循环的困难运行循环在其线性动量中将具有极大量的能量。虽然磁悬浮系统是高度冗余的，但是小截面的故障基本上没有影响，如果确实发生了重大故障，环路中的能量（1.5×1015焦耳或1.5千焦耳）将接近相同的总能量释放。核弹爆炸（相当于350千吨的TNT），虽然没有发射核辐射。

虽然这是一种大量的能量，但由于其非常大的尺寸，这不太可能破坏很多结构，并且因为当检测到故障时，大部分能量将故意倾倒在预选位置。可能需要采取措施将电缆从80公里高度降低到最小的损坏，例如降落伞。

因此，出于安全和天体动力学原因，发射回路旨在安装在赤道附近的海洋上，远离居住地。

已发布的发射回路设计需要电磁控制磁悬浮，以最大限度地降低功耗并稳定其他欠阻尼电缆。

不稳定的两个主要问题是转向部分和电缆。

转向部分可能是不稳定的，因为转子远离磁铁的运动会减少磁吸引力，而靠近的运动会增加吸引力。在任何一种情况下，都会发生不稳定。现有的伺服控制系统通常可以解决这个问题，该系统可以改变磁铁的强度。虽然伺服可靠性是一个潜在的问题，但在转子的高速运转时，很多连续的部分都需要失效才能使转子密封失效。

电缆部分也有这个潜在的问题，尽管力量要低得多。然而，存在另外的不稳定性，因为电缆/护套/转子可能经历曲折模式（类似于Lariat链），其在幅度上无限制地增长。 Lofstrom认为，这种不稳定性也可以通过伺服机制实时控制，尽管从未尝试过。

竞争和类似的设计

在Alexander Bolonkin的着作中，有人认为Lofstrom的项目存在许多未解决的问题，并且与现有技术相差甚远。例如，Lofstrom项目在1.5米铁板之间有伸缩缝。它们的速度（在引力，摩擦力下）可以是不同的，Bolonkin声称它们可以楔入管中; 并且地面28 km直径转向部分的力和摩擦是巨大的。 2008年，Bolonkin提出了一种简单的旋转闭环电缆，以适合当前技术的方式发射空间装置。

另一个项目是太空电缆，是约翰·克纳普曼（John Knapman）设计的小型设计，用于传统火箭和亚轨道旅游的发射辅助。空间电缆设计使用离散螺栓而不是连续转子，与发射回路结构一样。 John Knapman也在数学上证明了曲折的不稳定性可以被解决。

天钩是另一种发射系统概念。 Skyhook可以是旋转的也可以是非旋转的。不旋转的天钩从低地球轨道垂直下降到地球大气层正上方（天钩电缆未连接到地球上）。旋转天钩改变了这种设计，降低了下端的速度;整个电缆围绕其重心旋转。这样做的优点是飞行到旋转天钩底端的运载火箭的速度降低甚至更大，这使得有效载荷更大并且发射成本更低。这样做的两个缺点是：到达的运载火箭可以大大缩短在旋转天钩下端的连接时间（大约3到5秒），并且缺乏关于目的地轨道的选择。

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学