论文部分内容阅读
对绝大多数人来说，遨游太空似乎是终生难以实现的梦想，因为鲜有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”时代很快就要来临，因为他们正在研制一种可以行驶在太空中的磁悬浮列车，每位乘客的票价可以降至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。
真空磁悬浮系统将替代火箭
在国产电影《星空》中有这样一个镜头，在女主人公的幻想中，自己乘坐的火车突然飞了起来，飞向浩瀚的星空。美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员就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”（Startram）。虽然太空磁悬浮列车名为“星际列车”，事实上它按照目前的设计只能在近地轨道上运行，不会远离地球，更不会脱离太阳系。不过，研究人员表示，未来积累了足够的近地轨道的“星际列车”飞行经验之后，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，当炮弹的速度达到每秒7.9公里的“第一宇宙速度”时，炮弹不再落回地面，而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，只要能把它的速度加到“第一宇宙速度”。同样，要让火车飞向太空，也需要让它至少具有第一宇宙速度。
要让飞行器达到第一宇宙速度，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，火箭基本上是“一次性用品”，发射一次就基本作废，每次都得用新的。这导致火箭发射飞行器的成本一直居高不下。如果有一种发射装置，可以重复反复使用，使用成本就会随着使用次数的增多而不断下降。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飞行器。
磁悬浮发射系统逐渐加速
按照美国研究人员的构想，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公里，从地面开始逐渐抬升到2万米的高空中。在2万米的高空，每米电缆所产生的浮力巨大，超过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上的高强度绳索上，防止发射管道在多余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，双向列车即使速度很高也不会相互影响。考虑到真空磁悬浮发射系统的工程十分庞大，地面设施很多，占地面积很大，对当地生态和长远发展有一定的影响，研究人员建议在南极或北极的冰原上建造这一系统。
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，乘客不用担心气闷。虽然“星际列车”要沿着1600公里的长坡爬升2万米，但是磁悬浮列车的强劲动力还是可令列车在终点的速度超过第一宇宙速度，达到每秒9公里，换算成时速是32400公里。为了减少乘客的不适感，整个加速过程是逐渐进行的。也就是说，乘客看到车厢中速度显示屏上的速度一直在变化，而且越来越快。
如果用火箭发射载人飞行器，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，他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，这个加速过程相对要长一些，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”前只需要两三天的集中培训，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大大的接合舱，是连接真空管道和大气层的过渡部分。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接合舱，而外面的空气不会冲入到真空管道中。
“星际列车”出了真空管道的终点站后，像一颗超大的高射炮一样，依靠惯性继续向太空中飞驰。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，此时列车的高度已经距离地球几百公里，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，同时可欣赏到独特的太空美景。
在快结束一圈的航程之前，“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。列车在下降时位置的调整一定要在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，直接向地面坠落而酿成重大伤亡事故。研究人员表示，系统要精确到一次事故也不能发生。哪怕只发生一次事故，人们就不再信任这个系统了。
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，但是美国国家航天局的研究人员十分认可这个计划，并认为相关的技术已经十分成熟，随时可以进入具体设施阶段。一旦实施，建设难度要比不少科学家支持的太空电梯要小得多；其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，把每公斤货物或人送到太空中的运输成本只有50美元，大大低于火箭和飞行器每公斤数万美元的运输成本。也就是说，一位100公斤以内的乘客所需的运输成本为5000美元，因此将来的太空游票价可控制在5000美元左右。由于运输成本与载重量关系十分密切，未来的“星际列车”太空游将称重，每位乘客会因体重和所携带行李重量的差异而票价有所差异。
真空磁悬浮发射系统效率也很惊人，可以间隔几分钟就启航一趟列车，每年可以把400万名游客送上太空。如果建造20多套这样的太空游系统，按照每人一生进行一次太空游计算，在50年内就可以满足地球上所有人上一次太空的需求。对于绝大多数人来说，省吃俭用一两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。
（作者单位：上海科学技术出版社）
真空磁悬浮系统将替代火箭
在国产电影《星空》中有这样一个镜头，在女主人公的幻想中，自己乘坐的火车突然飞了起来，飞向浩瀚的星空。美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员就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”（Startram）。虽然太空磁悬浮列车名为“星际列车”，事实上它按照目前的设计只能在近地轨道上运行，不会远离地球，更不会脱离太阳系。不过，研究人员表示，未来积累了足够的近地轨道的“星际列车”飞行经验之后，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，当炮弹的速度达到每秒7.9公里的“第一宇宙速度”时，炮弹不再落回地面，而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，只要能把它的速度加到“第一宇宙速度”。同样，要让火车飞向太空，也需要让它至少具有第一宇宙速度。
要让飞行器达到第一宇宙速度，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，火箭基本上是“一次性用品”，发射一次就基本作废，每次都得用新的。这导致火箭发射飞行器的成本一直居高不下。如果有一种发射装置，可以重复反复使用，使用成本就会随着使用次数的增多而不断下降。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飞行器。
磁悬浮发射系统逐渐加速
按照美国研究人员的构想，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公里，从地面开始逐渐抬升到2万米的高空中。在2万米的高空，每米电缆所产生的浮力巨大，超过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上的高强度绳索上，防止发射管道在多余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，双向列车即使速度很高也不会相互影响。考虑到真空磁悬浮发射系统的工程十分庞大，地面设施很多，占地面积很大，对当地生态和长远发展有一定的影响，研究人员建议在南极或北极的冰原上建造这一系统。
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，乘客不用担心气闷。虽然“星际列车”要沿着1600公里的长坡爬升2万米，但是磁悬浮列车的强劲动力还是可令列车在终点的速度超过第一宇宙速度，达到每秒9公里，换算成时速是32400公里。为了减少乘客的不适感，整个加速过程是逐渐进行的。也就是说，乘客看到车厢中速度显示屏上的速度一直在变化，而且越来越快。
如果用火箭发射载人飞行器，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，他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，这个加速过程相对要长一些，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”前只需要两三天的集中培训，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大大的接合舱，是连接真空管道和大气层的过渡部分。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接合舱，而外面的空气不会冲入到真空管道中。
“星际列车”出了真空管道的终点站后，像一颗超大的高射炮一样，依靠惯性继续向太空中飞驰。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，此时列车的高度已经距离地球几百公里，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，同时可欣赏到独特的太空美景。
在快结束一圈的航程之前，“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。列车在下降时位置的调整一定要在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，直接向地面坠落而酿成重大伤亡事故。研究人员表示，系统要精确到一次事故也不能发生。哪怕只发生一次事故，人们就不再信任这个系统了。
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，但是美国国家航天局的研究人员十分认可这个计划，并认为相关的技术已经十分成熟，随时可以进入具体设施阶段。一旦实施，建设难度要比不少科学家支持的太空电梯要小得多；其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，把每公斤货物或人送到太空中的运输成本只有50美元，大大低于火箭和飞行器每公斤数万美元的运输成本。也就是说，一位100公斤以内的乘客所需的运输成本为5000美元，因此将来的太空游票价可控制在5000美元左右。由于运输成本与载重量关系十分密切，未来的“星际列车”太空游将称重，每位乘客会因体重和所携带行李重量的差异而票价有所差异。
真空磁悬浮发射系统效率也很惊人，可以间隔几分钟就启航一趟列车，每年可以把400万名游客送上太空。如果建造20多套这样的太空游系统，按照每人一生进行一次太空游计算，在50年内就可以满足地球上所有人上一次太空的需求。对于绝大多数人来说，省吃俭用一两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。
（作者单位：上海科学技术出版社）