2019年2月14日在法国布拉尼亚克拍摄的空中客车OneWeb卫星以及太阳能电池组的模型

　　尽管困难重重，螺旋发射方案却仍有其独到的优势：简单、高效、可重复、污染小、成本低。

文/鹿畅

编辑/乐艳娜

　　截至目前，全世界已经发射了3000余颗微纳卫星和立方星。近几年，全球范围内已提出数十个星座计划，欧洲咨询公司EuroConsult在2018年8月发布的报告中早已预测，未来十年，全球将发射7000颗微小卫星，带来220亿美元的卫星制造市场以及160亿美元的卫星发射市场。

　　由于微纳卫星需求量大，卫星本身的研发和生产线成本已得到分摊，每颗造价成本也因此显著降低。所以，如何降低卫星的发射成本，成为目前的重中之重。随着技术不断改进，一些可回收火箭已经可以重复利用10次以上，而且每次可携带十几颗至十颗卫星。美国太空探索技术公司（SpaceX）的预计是，一箭60星的话，每颗卫星的发射成本在50万美元左右，如能实现一箭400星，成本将降低至每颗7万～8万美元。

　　不过，在降低发射成本的道路上，还有人另辟蹊径。2014年，乔纳森·亚尼在美国创立了一家名为SpinLaunch（spin意为旋转，launch意为发射）的公司，提出一种螺旋发射技术，试图通过“掷铁饼”的方式，把卫星“扔”到地球轨道上。

如何离开地球？

　　SpinLaunch公司的螺旋发射技术一经提出，便被业内人士称为“脑洞大开”。这家公司不仅在3月被《时代》杂志评为2022年最具影响力的100家公司之一，还在近日成功获得7100万美元B轮融资，累计融资1.5亿美元。这从侧面证明了SpinLaunch的发射方案有其独到之处。

　　要离开地球，必须克服两个困难：地球的引力和厚厚的大气层。

　　明朝官员万户把47支自制的“飞龙”火箭绑在椅子上，手持两只大风筝，试图借此飞向天空。他想利用火箭的推力克服地球引力、利用风筝的升力征服大气，因此被世界公认为“真正的航天始祖”，科学家们还将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。

　　为了飞翔，人们相继发明了热气球、飞艇、飞机。热气球上半部是一个大气球，下半部是吊篮状的飞行器。气球内部利用热源加热空气，由于热空气的密度比外部冷空气更低，气球整体受到大气的浮力。当浮力抵消掉重力之后，热气球可逐渐飞升。飞艇则是一种轻于空气的航空器，它与热气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。飞艇的气囊内充以密度比空气小的浮升气体，如氢气或氦气，借以产生浮力使飞艇升空。大型民用飞艇可用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。飞机是用一个或多个发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层上、中、下飞行的重于空气的航空器。

　　不过，上述飞行方式中升力的产生都利用了飞行器和大气之间的相互作用，其飞行必然限制在大气的范围内，无法真正离开地球。

　　真正成功离开地球的飞行方式是火箭。火箭通过喷射内部工质产生的反作用力向前推进，不依赖外界工质产生推力，因此既可以在大气层内，也可以在大气层外飞行，是实现航天飞行的运载工具。

　　利用多级火箭进入太空的理论分析最早由俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出，美国火箭专家戈达德则把航天理论与火箭技术相结合，提出了利用火箭把载荷送至月球的几种方案。火箭飞行过程中，燃料持续燃烧喷出对火箭做功，火箭整体质量不断降低。对于多级火箭，在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量，因而在火箭飞行过程中，能够获得良好的加速性能，逐步达到预定的飞行速度。而且，多级火箭各级发动机独立工作，可以按照每一级的飞行条件设计发动机，使发动机处于最佳工作状态，提高火箭的飞行性能。多级火箭可以灵活地选择每一级推力的大小和工作时间，以适应发射轨道的要求、轨道测量要求以及载人飞船对飞行过载的要求。基于上述优势，此后，航天飞行的方式便由火箭主导。

最朴素的发射方式

　　那么，人类还设想过其他离开地球的方式吗？在中国古代神话中，后羿为了拯救人类，张弓搭箭，射掉9个太阳，自此天上只留下一个太阳。后羿发射弓箭的方式即是另一种离开地球的方式——动能发射，这是人类能想到的最朴素的发射方式。在影视剧和动画片中，也有各种动能发射方式，如日本动画《新世纪福音战士》中，绫波丽用朗基努斯枪穿透位于地球轨道上的鸟天使（第十五使徒），美国动画《守望者》中法老王利用弹弓离开木卫二，等等。

　　除上述出现在人类想象中的发射，现实中也有人将动能发射付诸行动。二战期间至二战之后，火炮设计师们曾设计出多种“超级大炮”。美国吉拉德·布尔博士设计的“巴巴多斯”大炮是其中的佼佼者，它就被用于尝试发射卫星。这个大炮长达36米，曾成功将一颗90千克重的炮弹发射到180千米的高空，验证了动能发射的可行性。不过，由于各种原因，相关试验未能继续下去。

　　随着SpinLaunch公司的创建，动能发射的理念再次被人提起。与超级大炮的发射不同，该公司提出的方案首先让航天器在圆盘状的真空室内旋转加速，整个过程与离心机工作过程类似，因此其发射方案称螺旋发射。在达到预定速度后，出口打开，航天器被甩出去。去年11月，该公司宣称已成功发射了一枚无动力“抛射体”。在这次发射中，他们将有效载荷以约1600千米/小时的速度发射到近10千米的高空。SpinLaunch的目标是在2026年前利用其系统将卫星送入轨道。然而，低轨道卫星的高度也在200～2000千米之间，目前螺旋发射的能力与此仍有量级上的巨大差距。

困难和优势

　　螺旋发射过程可大致分为加速段和飞行段两个过程。

　　加速阶段面临的困难主要有两个，第一个是加速结构件能否承受实现超高加速度所必须的作用力。据估算，若依靠惯性将100千克载荷送至60千米高空，要求直径100米的离心机需在90分钟内达到450转/分钟。此时，飞行器末端速度约为8500千米/小时，离心机的向心加速度可高达11000个重力加速度以上。这对整个装置的零部件结构设计带来了极大的挑战。

　　目前，SpinLaunch研制的直径12米的离心机已是世界第六大离心机，与直径12米的离心机相比，直径100米的离心机面临的制造困难更大。而且，由于整个加速过程中离心室处于高真空状态，外部大气压将给离心室带来大约每平方米10万牛顿的压力。此外，在飞行器本身自带发动机的情况下，发动机内部较为脆弱的燃料储箱和管路系统如何经受住如此高的加速度也是难题之一。在解决上述问题的基础上，还要考虑尽可能延长离心机和飞行器的使用寿命，提高重复使用次数。

　　另一个困难是飞行器从加速到释放的精准控制。当加速完成，为了保证飞行器可以准确进入发射轨道，其释放时间误差需控制在1毫秒以内，发射角度需控制在2.7度以内。此外，为了避免飞行器释放后的气动环境急剧变化，即直接从真空环境进入到地面稠密大气，还需要在其进入大气之前，在真空室内注入一定量气体以降低内外压差，保证飞行器环境连续稳定过渡，同时为开启发射通道提供有利条件。但需要精准控制气体注入过程，否则可能会导致严重的气动热问题或摩擦热问题。

　　而在飞行阶段面临的困难，主要是如何更有效地降低飞行器的阻力和隔热。飞行器被释放后，以超音速进入大气，此时飞行器面临非常复杂的气动环境。螺旋发射方案希望飞行器在接下来的惯性飞行阶段既能保持较小的阻力又能尽量低地产生气动热，也因此对飞行器的外形和隔热方案提出了极高的要求。

　　尽管困难重重，螺旋发射方案却仍有其独到的优势：简单、高效、可重复、污染小、成本低。螺旋发射方案的基本思路清晰明了，发射原理与人们的常识契合，发射装置和所需场地小，以现有工程经验较易进行大规模建设。与传统火箭相比，整个发射过程得到大大简化，因此发射效率也得到显著提高。同时，由于发射装置固定在地面且较火箭发射装置面临的工作环境更友好，螺旋发射更容易实现重复发射。螺旋发射装置的主要加速阶段使用电动力加速，相较于火箭对环境的污染也大大降低。

　　目前，螺旋发射的预期成本是单星50万美元以下，并保证每天能够进行5次发射。尽管在单星成本上，与目前可回收的一箭多星式不相上下，但螺旋发射装置的大规模部署和高效机动部署能力是火箭发射方案无法比拟的，而且整个装置基于电动力加速，其维修、维护更加容易、成本更低。虽然由于螺旋加速方案的最高加速度过大，该方案只适用于小型飞行器（约200千克以下），但随着微纳卫星市场的蓬勃发展，螺旋发射未来仍有不可估量的市场前景。

　　（作者系大连理工大学航空航天学院博士后）

来源：2022年11月2日出版的《环球》杂志 第22期

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