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赏金总量：30 USD
研究种类：Space Exploration，SpinLaunch
原文作者: Tom Nardi
创作者：Heyyawn@DAOrayaki.org
审核者：Sleepy Girl@DAOrayaki.org
原文: SPINLAUNCH AND THE HISTORY OF HURLING STUFF INTO SPACE
太空飞行任何阶段都不容易，但航天器旅程最困难的部分是在起飞的最初几分钟。为此，火箭的助推器将竭尽全力地对抗其自身巨大的推进剂质量，通过设计让这场战斗是以最小的优势获胜。假设平衡得当，火箭离开了发射台，它仍然需要在加速过程中与密集的海平面大气层相抗衡，这种动态压力的增加最终会达到一个被称为“最大动压（Max q）”的点，即空气密度对火箭施加最大结构负荷的时刻，然后随着飞行器的继续上升和大气的逐渐稀薄而迅速下降。
空中发射的火箭避免在稠密的海平面空气中飞行。
虽然绝大多数的火箭发射不得不应对在低层大气中飞行的现实情况，但也存在一些例外。如果火箭从飞机上发射，那么它就可以避免从海平面上升空所需要的动力。火箭不需要那么多的推进剂，其发动机也不需要那么强大，火箭将更小、更轻。
然而，这种方法也存在缺点。即使是一个相对较小的火箭也需要一个非常大的飞机来运载它。例如，维珍轨道（Virgin Orbit）公司的 LauncherOne 火箭必须先由一架波音 747-400 飞机运送到发射高度，才能将 500 公斤的有效载荷送入轨道。
但是，是否还有其他的方法呢？如果你可以从更高的高度发射火箭，而不用考虑大型飞机运载火箭的成本和后勤问题，那会怎么样呢？这听起来不可能，但解决方案其实很简单......你只要用力扔就行了。
获得加速
创业公司 SpinLaunch 目前在新墨西哥州沙漠中的工作可能听起来像是科幻小说。该项目是使用一个本质上是真空密封离心机的质量加速器，将一个小型火箭旋转到 8000 公里 / 小时的速度。该火箭将承受高达 10,000 个重力加速度，然后在精确时刻小心释放，使其通过一个快速启动的气闸离开离心机飞向天空。
接着，火箭上升到大约 61,000 米的高度时，它将点燃第一级发动机。此后，火箭的飞行将类似于传统火箭发射，有效载荷最终被加速到 28,200 公里 / 小时的标准轨道速度。该项目与传统火箭发射的最大区别在于成本，SpinLaunch 估计每次发射的成本可以低至 50 万美元。
目前，SpinLaunch 正在一台三分之一规模的离心机上进行测试，该离心机的直径为 33 米。它放弃了复杂的高速气闸，转而采用了一种简单的薄材料，测试弹丸在释放时可以将其砸穿。这自然意味着离心机在释放时会失去真空，但这在早期并不是一个真正的问题。只有当系统完全运行时，保持真空才变得重要。保持真空有助于维持快速的发射节奏，但大型离心机不需要反复抽真空。
可运行的 SpinLaunch 火箭将与传统的助推器没有多大区别。
到目前为止，他们已经能将被动发射物抛向“数万英尺”的高度，但这离进入轨道还有很长的路要走，更不用说进入太空。使该系统工作的关键是研制出一种火箭，它不仅能够承受在加速旋转时将要承受的巨大重力加速度，而且能够在发动机点火前的滑行阶段使用任一控制面进行自我引导。不言而喻，这样的火箭想要成功发射只有一次机会——如果传统助推火箭的发动机在 T-0 时未能点火，则可以取消发射，重新配置飞行器以再次尝试。但是，当飞行器已经在空中飞行时，就没有重来的机会了。
SpinLaunch 似乎有信心解决所涉及的工程问题。回望历史，在 20 世纪 60 年代，美国和加拿大曾经合作开展过一个类似的项目，但事情并没有完全按计划进行。
对速度的需求
在技术上，高空研究项目（HARP，即 High Altitude Research Project）开始于 20 世纪 50 年代，当时的弹道工程师 Gerald Bull 认为，只要有足够大的加农炮，就能够将有效载荷直接发射到太空。但任何熟悉 Jules Verne 的《从地球到月球（From the Earth to the Moon）》的人都知道，这个想法比那要早得多。在概念上，它有一定道理。而且，人类已经花了数百年时间来完善火药武器。
HARP 大炮是由 16 英寸海军炮管焊接而成，竖直的安装方式使其发射物体能够以垂直发射。巴巴多斯（Barbados）被选为主要测试地点，因为其相对靠近赤道，在理论上，在该地向东发射的弹丸会因地球自转而获得速度上的提升。从 1962 年开始，人们进行了一系列的发射，大炮发射了加拿大制造的长度约为 1800 毫米的 Martlet 探空火箭。
早期的飞行携带了用于研究的有效载荷，它们不仅研究大炮本身的性能，而且还观察了高层大气和近太空的情况。更新的版本包括固体火箭发动机，该发动机设计用于在火箭滑行约 15 秒后点火，以提高其速度和最大高度。最终目标是开发一种多级火箭，可以携带 23 公斤的小型有效载荷上升至大约 425 公里的高度。
截止 1967 年 HARP 结束，大炮成功发射了 200 多枚 Martlet 火箭，其中一些火箭的最高点达到了 180 公里。而每次发射的成本仅为 3,000 美元，约为 2022 年的 27,000 美元。因此，它仍然是在标志着国际公认的太空边界的 100 公里卡门线（Kármán line）以上运送有效载荷的最具成本效益的手段之一。
不幸的是，尽管 HARP 付出了相当大的努力，但始终未能研制出一种能够成功地自我加速超过从大炮发射初始速度的 Martlet 火箭。正因为如此，没有一个火箭能够进入轨道，它们都落回了地球，而且往往落在距离大炮本身不远的地方。
主要问题在于无法开发出从大炮发射出来能够承受超过 12000 重力加速度的火箭发动机，因此，虽然 HARP 在技术上是一个成功的太空发射计划，但它仅限于亚轨道研究飞行，随着 NASA 领导的更传统火箭计划开始成熟，其科学价值变得越来越低。
探索新机遇
当然， HARP 工程师无法在 20 世纪 60 年代设计出可以承受高重力的火箭发动机，并不意味着 SpinLaunch 无法做到这一点。这不是第一次由一家小型创业公司取得根深蒂固的航空航天业所认为不可能实现的目标。该公司也清楚地意识到了这一挑战，基于他们最近发布的视频解释[1]，他们目前的大部分研究都是为了探索离心机环境对各种火箭和航天器部件[2]的影响。
事实上，SpinLaunch 面临着许多挑战。历史告诉我们，发动机的开发不会一帆风顺。建造一个大规模的质量加速器，以将飞行器扔进高层大气，确实没有这样的先例。人们也不能忽视这样一个事实：由于 SpaceX、Rocket Lab 和 Astra 等供应商之间的商业竞争，太空飞行的成本已经在急剧下降。低至 50 万美元的发射价格与 20 年前相比是革命性的进步，但在今天，该价格离商业化已经不远了。
也就是说，所有迹象都表明，未来的太空探索将迎来一个激动人心的新时代，而 SpinLaunch 在地球以外的地方获得巨大成功也不是没有可能。例如，在月球上，没有大气层，SpinLaunch 加速器将飞行器送入轨道要容易得多。鉴于美国宇航局在月球上和月球周围建立长期存在的目标[3]，他们可能对能够从月球表面廉价发射有效载荷的系统有很大需求。
人们还可以想象一个安装在未来空间站上的小型离心式卫星发射装置，用有限的内部推进力分配立方体卫星（CubeSat）和其他有效载荷。这听起来可能有些牵强，但请记住，目前在国际空间站上使用的日本 JEM 小型卫星轨道部署器（J-SSOD）[4]已经使用了一个简单的弹簧加载机构，将航天器从其存储架上推出。与目前的先进技术相比，一个小型的质量加速器能够让航天器操作员为其航天器选择速度甚至出发的角度，这将是一个明显的改进。
事实上，我们根本不知道 SpinLaunch 的未来会怎样。他们目前的技术演示令人印象深刻，但与此同时，与实现其目标所需的条件仍相去甚远，这很难表明该公司处于正确的轨道上。他们是否能在别人失败的地方取得成功？他们的质量加速器是否会加入 HARP，成为航天历史长河中另一个有趣的脚注？只有时间才能告诉我们答案。
参考文献
[1]https://www.youtube.com/watch?v=yEKTkOAj14s
[2]https://www.youtube.com/watch?v=ccOaEL8ur_0
[3]https://hackaday.com/2020/05/05/nasas-plan-for-sustained-lunar-exploration/
[4]https://humans-in-space.jaxa.jp/en/biz-lab/experiment/facility/ef/jssod/
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