美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

2020-07-28 老粥科普

誰也不能否認，美國是一個經常誕生奇蹟的地方

經常，會有那麼一幫科技「狂人」展開他們碩大無比的腦洞，將一些奇奇怪怪的念頭畫成PPT，然後拿到華爾街去遊說圈錢，搞到錢之後再請來科學家、工程師和畫匠，將PPT一部分變成現實，一部分變成更加漂亮的PPT。你還別說，他們中的一部分還真成了，比如說埃隆·馬斯克。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

埃隆·馬斯克

2015年，美國矽谷又誕生了一家名為Spinlaunch的公司，其創始人聲稱他要造一臺巨大的離心機，用它來把衛星甩上天。與傳統的火箭發射方式不同，Spinlaunch的離心機能一天發射5次，並且每次的發射成本僅有50萬美元！

50萬美元是個什麼概念？要知道馬斯克如日中天的獵鷹9號火箭每次發射收費6200萬美元，他已經聲稱這是「全世界」最便宜的火箭了（當然了，美國人的世界不包括咱們），即便獵鷹在太空中撒土豆，它也比50萬美元貴許多。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

獵鷹9號稱全球最便宜的火箭

有如此低的發射成本，Spinlaunch公司似乎前景光明，賺大錢那是遲早的事。

離心機發射衛星既然如此便宜，它是否符合科學原理呢？

離心運動的科學

學過高中物理的同學多半會告訴你：「離心力」這個說法是錯誤的，沒有離心力，只有離心運動和向心力。

在生活中我們經常會用到離心運動。洗衣機利用它來脫水；水泵利用它來抽水；孩子們愛吃的棉花糖就是拿離心機做的；科學家則利用高速離心機來提純鈾；運動員利用它將鏈球扔到很遠的地方......甚至青藏高原放牛娃的拋石繩也是利用離心運動的原理來扔石頭驅趕遠處的牛群。

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運動會上的投石比賽運用的就是離心運動原理

在物理學中，「離心力」指的是一種慣性力，在旋轉參考系中它是一個明顯向外的偽力（虛擬力），而如果你用慣性參考系來描述一個系統時，它又只是旋轉所產生的慣性效應。

與「離心力」相反，向心力是維持物體保持旋轉運動軌跡的一種力，它的方向始終指向旋轉參考系的中心，力的大小與慣性力相等方向相反。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

離心力是一種虛擬力

鏈球運動員要想將鏈球扔到足夠遠，他得使球旋轉起來。鏈球圍繞著運動員越轉越快，運動員拉扯鏈子的力也越來越大，這個力就是向心力，向心力F 的大小與球的質量m、鐵鏈（加手臂）的長度r 以及旋轉的角速度ω 有關，以公式表述為：

F = mω²r

這意味著球越重、鐵鏈越長，運動員需要的拉力越大，而旋轉的速度則決定了獎牌的歸屬。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

鏈球運動員旋轉的速度決定其成績

當然了，以上只是簡便的分析，目的在於讓你更直觀地理解離心運動。實際上鏈球運動員要考慮的還有很多，她不僅要使身體儘量快地旋轉，還需要考慮出手時機以及出手時的角度等等。

Spinlaunch公司在它的PPT裡重點考慮的是速度，因為只有讓太空飛行器超過7.9km/s的第一宇宙速度才有可能讓它逃脫地球的引力進入太空。

Spinlaunch公司是怎麼做的呢？

從Spinlaunch公開的資料看，他們打算建造一臺巨大的離心機，離心機的中間有一條長達數十米的旋臂，旋臂的一端固定將要發射的太空飛行器，為了克服空氣阻力，太空飛行器將製成長長的箭形。

當旋臂在離心機中一點點加速，太空飛行器的切線速度將超過音速，而在其速度超過23倍音速時與旋臂脫離，使其從一個發射口射出去，從而飛向太空。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

Spinlaunch公司的宣傳圖片

當鏈球運動員大吼一聲將鐵球投擲出去時，一切都顯得很完美。Spinlaunch公司也似乎只需要靜靜等待飛船進入太空就完事了。然而事情真的如想像一般簡單嗎？

回答是：No ！

Spinlaunch公司顯然需要解決許多常識性的問題。

問題一：Spinlaunch的離心發射器如何才能克服空氣阻力？

我們生活在地球上，空氣是我們周圍不可或缺又無處不在的東西。從數學的角度，你確實能以7.9公裡/秒的速度將衛星扔到近地軌道上去；但在物理角度這不可能實現，因為粘稠的空氣會與衛星表面摩擦，將其勢能轉化為熱能，要不了幾秒鐘它就變成一團隆隆作響的火球墜落在地面上。

離心機的旋臂同樣需要克服強大的空氣阻力，沒有一種材料可以在23倍音速的空氣摩擦中長時間倖存，更不要談「一天發射5次」了。如果為了減少空氣阻力將離心機抽成真空，太空飛行器在發射隧道打開的瞬間也將面臨災難，因為這與撞到水泥牆並沒有什麼區別。

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Spinlaunch關於離心發射系統的設想

問題二：太空飛行器如何克服強大的過載？

好吧，Spinlaunch說他們抽真空，我們不考慮離心機裡的空氣阻力。

假設離心機最終發射速度為8km/s，旋臂長度為100米（圖片中是50米），太空飛行器需要承受多少個G的加速度？

先求角速度 ：

ω = v / r = 8000 ÷ 100 = 80 rad/s ；

1 rad ≈ 57.3° ；

因此離心機旋臂的轉速應該大於12.73圈/秒。

假設一個質量為100千克的太空飛行器將從離心機裡發射，它要承受的G力大約相當於旋臂對它的拉力：

F = mω²r = 6400000 N

也就是說，這個太空飛行器在離心機裡將要承受超過其自身重量64萬倍的側向過載。

你知道有哪個電子產品可以承受如此巨大的過載嗎？沒有。更何況這麼大的過載是作用於太空飛行器的側向而不是縱向，它早就被擠扁了。

問題三：太空飛行器如何克服音爆？

我們知道當飛機跨音速飛行時，它會壓縮前方的空氣，空氣激波會產生音爆現象。飛行員一般不被允許在低空做超音速飛行，它會震碎沿途的窗戶玻璃，還有可能損害人們的聽力。

你能想像一個巨大的旋臂帶著飛船在一個封閉狹窄的離心機裡超音速旋轉時的振動波嗎？它所引發的強大聲波會摧毀離心機裡的一切，甚至包括離心機本身。

諸如此類的問題還有很多，比如太空飛行器的軌道控制如何實現等等，限於篇幅就不一一贅述了。

美國初創公司真的能用離心機將太空飛行器「甩」上太空嗎？

Spinlaunch破土動工

科學來不得半點忽悠

邁克·沃爾在Space.com網站的一篇文章標題直接揭示了問題的本質：《鬼鬼祟祟的太空創業公司SpinLaunch又從投資者那裡騙到了3500萬美元》。

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建成後的Spinlaunch總部

從目前已知的科學常識來看，SpinLaunch將衛星「甩」上太空是一個不可能實現的幻想。不要說他們幾乎不可能將一個太空飛行器通過離心機加速到第一宇宙速度，即便是達到這個速度，太空飛行器也將在稠密的空氣中迅速減速、發熱並燒毀；如果離心機只是將運載火箭加速到音速再將其扔到高空點火發射，他們也需要考慮為火箭專門設計一套極其堅固可靠的發動機和燃料箱，其成本也遠不只是50萬美元了。

不過用離心運動的原理髮射炮彈或別的什麼東西或許值得試一試，SpinLaunch已經獲得了幾家企業8000萬美元的投資，他們想到的應該比科學更多吧？

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