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| 2010/10/26 12:55:25瀏覽3658｜回應1｜推薦5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
前言 民國 99 年10月1日 18 時 59 分 57 秒老共成功發射嫦娥二號探月衛星，由於這次發射應用很多新的技術，著實讓中國人臉上增色不少，在此大隻熊不免俗套要額手稱慶一番。不過就在大家將注意放在變軌、進月制動、推進軌跡是否像導彈軌跡的時候，大隻熊已經偷偷將目光放到月球土壤中的『氦-3』之上，而這種在地球上很難得到的物質是清潔、安全和高效的核聚變發電燃料，可提供便宜、無毒、無放射性的能源，被科學界稱為『完美能源』。 據俄羅斯專家估算，在10~15平方公里範圍，深度為 3 米的月壤，即可獲得約 1 噸氦-3，足以保證一個功率為1000萬千瓦的發電機組工作 1 年。而 100 噸的氦-3 就可以滿足地球上 1 整年的能源需求，所以即使月球蘊藏氦-3 約為 100 萬噸，就可滿足全球數千年的電力需要。而美國航天專家指出，用航天飛機往返運輸，一次可運回 20 噸液化氦-3，可供美國一年的電力。這太划的來了。 但是，前期建設月球上的基地的材料還是需要由地球運過去吧！以目前各國火箭的酬載能力來看，我想應該沒有那一國可以負擔得起那麼大量的運輸！？況且火箭燃料又是那麼有劇毒，多射幾次，我看整個地球都會被污染了！？所以我想起了電磁炮，如果這家伙確實可運行，發射成本就會降低，而且又沒污染，那麼建立月球基地就有指望了！ 靈感來源
『巴巴多斯』大砲於 1963 年（距今 47 年前）由布爾博士在加勒比海的巴巴多斯島上建成，大炮在隨後進行的射擊中，大炮成功地將 90 公斤重的炮彈拋射到 180 公里高的太空。後來的模擬計算表明，這門火炮理論上能夠將 100 公斤重的炮彈發射到 4000 公里遠的地方，發射 214 公斤重的火箭增程彈時射程達到 2570 公里。重量稍輕一些的載體則可以垂直發射送到 250 公里以上的太空！而 1970 日本首次發射成功的 Ohsumi 衛星全重只有 24 公斤，1958 年美國第一次進入軌道的 Xplorer 1 衛星，本身僅重 4.76 公斤而已。歐洲環境衛星是一枚由歐洲空間局建造的地球觀測衛星，原名為「Envisat」，是由「Environmental Satellite」（環境衛星）組成的複合字。這枚衛星在 2002 年 5 月 1 日由亞利安娜5型火箭搭載，發射至太陽同步兩極軌道上790公里（±10公里）的高空。至於低空衛星的高度是 184 公里。 下表是各國火箭的酬載能力的比較，我們可以看到最大的酬載能力不過 20 噸左右，但火箭本身質量卻是酬載重量的 6 ~ 10 倍。這是一個很沒經濟效率的作法。如果可以用大炮的方式，作為投射工具，其報酬率可謂相當驚人。 火箭酬載比較表
電磁炮的結構和原理 從上面的『巴巴多斯』大砲的資料來看，早在 47 年前，大砲就具有發射衛星的能力。但是後來為何沒有發展下去？我估計與衛星變軌、防震材料、大砲炮身的冶金技術（耐磨、耐高溫）有絕對的關係。然而在 47 年後，一個新型態的大砲不但解決了高溫、耐磨的問題，同時彈丸的初速要比『巴巴多斯』大砲高上許多，那就是『電磁炮』。
電磁炮它主要由電源、高速開關、加速裝置和炮彈四部分組成。根據結構和原理的不同，可分為以下幾種類型： （一）線圈炮：線圈炮又稱交流同軸線圈炮．它是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構成．根據通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的．加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流．感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產生洛侖茲力，使彈丸加速運動並發射出去。 （二）軌道炮：軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去．它由兩條平行的長直導軌組成，導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸．當兩軌接人電源時，強大的電流從一導軌流入，經滑塊從另一導軌流回時，在兩導軌平面間產生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出，這就是軌道炮的發射原理。 （三）電熱炮：電熱炮的原理完全不同於上述兩種電磁炮，其結構也有多種形式．最簡單的一種是採用一般的炮管，管內設置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮後膛的末端．當等離子體燃燒器兩極間加上高壓時，會產生一道電弧，使放在兩極間的等離子體生成材料（如聚乙烯）蒸發．蒸發後的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速。 （四）重接炮：重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發射裝置，沒有炮管，但要求彈丸在進入重接炮之前應有一定的初速度．其結構和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置，之間有間隙．長方形的「炮彈」在兩個矩形線圈產生的磁場中受到強磁場力的作用，穿過間隙在其中加速前進．重接炮是電磁炮的最新發展形式。 但是電磁炮有一個問題，那就是在已知的資料裡，似乎砲彈的質量都不高，我不知道是否是因為是要設計成武器的緣故，必須考慮可攜帶性進而影響到砲管長度，也就是加速時間？還是材料上無法解決掉大電流的問題？總之我認為電磁炮至少要能一次載運至少 8 噸物資到低空軌道，這樣才比較具有意義。 真空管道磁懸浮列車 我在電磁炮資料搜尋中，我感覺到一些挫折，似乎以大砲取代火箭作為太空運載的方式並不可行！？但是當我搜尋到『真空管道磁懸浮列車』的時候，我看到一線署光，根據維基百科的介紹，這種真空磁浮列車至少有 4000 公里/小時的運行速度，理論值甚至可到達 20,000 公里/小時的速度，基本上已經達到第一宇宙速度。而且重點是早在 2001 年大陸已經開始著手研究，估計在 2020 年實現營運。如果成功？乖乖隆滴冬這將會一項了不起的成就。
想想如果我們在平均海拔在 4260 米的西藏高原，以 10 公里為半徑，建設一個類似歐洲大型強子對撞機的環形軌道。然後磁浮列車在裡面開始加速，等到到達足夠速度的時候，再將列車引導到 5000 米以上的高度發射出去。此時不管是空氣壓力、或者密度只有海平面的一半，我估計成功的機會是非常大！？而且一次可以發射多節列車的量。 這個意義實在太重大了，而且中國是完全掌握相關的重要技術的，比方說藏青鐵路的完工與營運，說明了中國已攻克在高原施工的困難點。嫦娥 2 號發射成功，說明中國已完全掌握衛星變軌的全部技術。至於磁浮列車技術上那就更不成問題，而且從造價上來看，目前普通鐵路造價每公里 1.5 億，其隧道斷面大概在 6 米到 8 米之間，而真空磁懸浮管道斷面只有 4 米到 5 米之間，可省去很多鋼材費用，所以費用比普通鐵路更便宜。 結論 我在之前的文章中說過，現在的世界是一個高耗能的世界，所以今後的世紀，誰能掌握能源，誰就能掌控全世界。但是中國目前來說能夠掌握多少能源呢？很不幸的截至 2010 年，中國所需的原油有 50% 還是必須仰賴進口，而且未來還有增加的趨勢。這是一個很嚴重的問題，這不光是牽扯到經濟問題，更攸關到國防問題！？所以當網路上有人動不動鼓吹『中美博奕』中，中美必有一場大戰時，我就非常擔心，萬一一旦開戰，中國的石油管道被老美掐斷時，中國區域優勢還能維持多久？ 不過有一個好消息是，很快我們就不用考慮石油的問題，根據科學家的估計大約在西元 2048 年（距今約 38 年後）左右石油的世界蘊藏就用完了，到時候就必須使用新的能源來取代石油。38 年說長，不長。說短，也不短。但足以讓人類科技翻新一個世代。所以中國當務之急，就是趕快佔領月球吧！雖然 1967 年聯合國的『外太空公約』中有規定，任何國家都不能將太空的任何部分佔為己有。但是，由於老共在 1971 年 11 月才加入聯合國的，所以可以不承認這個公約。況且國際社會本來誰的拳頭大，誰就是真理。 電影『遠離家園』劇情中最精彩的一段是，湯姆漢克斯與尼可基曼騎快馬為了搶插旗爭地的那一段，充滿了浪漫、冒險、以及未知的憧憬等。我一直以為今生沒機會體驗像電影那樣的情節了，但現在看來還是有機會到月球去插旗了，不管是在夢裡還是現實！？
後記 網友『中州楚佩』在回應文中提到，真空磁浮列車在出隧道口的時候會有一個反向氣壓問題（銘謝中州楚佩的熱情回應），於是我提出一個相應的解決方案，那就是在出隧道口之前，預留一段空氣加壓的隧道，並且注入比方是約 0.01 個大氣壓的空氣。列車在環形管道加速之時，這個隧道是密閉的，等到加速到發射速度時再進入這個隧道，此時利用列車本身的體積與動能對加壓隧道裡的空氣進行加壓，最後加壓到大於或等於隧道口外界自然氣壓時，列車出隧道口時就沒有所謂反向氣壓的問題。 其實當初我在撰寫本文的時候考慮的是另外的問題。還記得我在螺旋槳飛機的臆想（續）一文中所提到跳水問題嗎？當物體從一個介質（或者真空）以高速撞向另一個介質（空氣或水）的時候，除了有撞擊與振動的問題之外，還有一個就是方向會偏折的問題？我不知道這個問題會不會很嚴重（因為考慮中國已經掌握衛星變軌技術）？但是上面所描述的方法應該可以順帶解決這個問題。 至於環形軌道的工程問題，如果考慮只送到 150 公里的低空軌道，根據斜拋運動的飛行高度公式 H = (V0 * Sinq)2/2g = 150000 取垂直角度 90 度，則初速為 1715 公尺/秒，然後根據向心力公式 F = mV2/R = (8000 公斤）*（1715 公尺/秒）2/ （10000 公尺）= 2,352,980 公斤重 = 2,353 公噸重。嗯～～我不是學土木工程的，但是我想可能一般鋼筋水泥無法承受吧！？不過沒關係，我們再把 8 的物資平均分散到環形軌道的 8 個點，則每一個點受力 294 噸，我想這在土木工程上應該就沒有問題了吧！如果還不行就把環形軌道建在山體或地底，或者加大環形軌道半徑。當然這只是我個人的臆想而已，至於是不是異想天開，就留給科學家去驗證吧！ 參考連結 ?基百科 -- 宇宙速度 參考資料（甲）
根據牛頓萬有引律定律，物體離地球表面越高，地球對其引力越小，物體所需的第一、第二宇宙速度也必然減小。據計算，在離地面36,000公里的高空，物體的環繞速度為 3 公里／秒，而離地面 38 萬公里高的月球，它的環繞速度只有 1 公里／秒。但需要說明的是，雖然軌道越高，物體所需環繞速度越小，但要把物體從地面送到較高的軌道，運載火箭克服地球引力和空氣阻力耗功更多，要求運載火箭的推力也必須相應增大。地球的大氣層厚度雖有 2,000 ~ 3,000 公里，但大氣品質的 99％ 都集中在海平面以上的 30 公里內，為了保持衛星在空中的正常運行不至因空氣阻力的影響而很快隕落，通常人造衛星都被發射至 120 公里以上的高空。 參考資料（乙）
參考資料（丙） 青藏鐵路享有「天路」的美名，工程難度亦難如登天，由格爾木至拉薩段1142公里長的鐵路，穿越昆侖山和唐古喇山，有960公里的路段在海拔4000米以上，最高部分海拔達5072米，穿越溼地、凍土區、高原冰川等嚴酷的地形，是中國最受全球囑目的世紀工程。沿線的主要景觀有─格爾木：昆侖山融雪沖積形成的綠洲。昆侖山口：全球最長的高原凍土隧道─全長1686米的昆侖山隧道。可哥西裡：全球最長的鐵路橋─全長11.7公里的清水河特大橋，與可哥西裡藏羚羊自然保護區。長江源：長江發源地沱沱河，與全球海拔最高的隧道─風火山隧道。唐古喇山口：西遊記中的通天河，與全球最高海拔5072米的唐古喇車站。藏北草原：高原明珠錯那湖與藏野驢保護區。
參考資料（丁） 馬克·捨特爾沃斯，1973年9月18日生於南非自由邦（FreeState）的魏爾康市（Welkom），是一名企業家。1995 年，他成立了薩瓦特公司，致力於數字認證與網絡安全。1999 年 12 月，他將薩瓦特賣給了維爾賽恩公司，隨後他成立了HBD 風險投資公司，從事商業孵化與風險投資。他還成立了捨特爾沃斯基金會，這個非盈利組織旨在推動社會進步，同時也為南非的一些教育項目提供資金。 2002 年 4 月 25 日，捨特爾沃斯作為平民宇航員，搭乘俄羅斯聯盟 TM-34 號宇宙飛船前往太空，為此他花費了兩千萬美元，同時也贏得了全世界的矚目。經過兩天航行，聯盟號飛船抵達國際空間站，在空間站的八天時間裡，他參與了艾滋病疫苗的試驗以及基因方面的研究。5 月 5 日，返回地球。為了這次航行，捨特爾沃斯花了一年時間進行前期訓練與準備，包括在莫斯科的星城呆了七個月。 捨特爾沃斯是 Debian 早期開發者之一。2004 年，他重返 GNU/Linux 世界，通過他的 Canonical 有限公司，資助 Ubuntu Linux 的開發。2005 年，他成立了 Ubuntu基金會，提供了一千萬美元的啟動資金，作為維持 Ubuntu 運作的應急儲備。
這是一位傳奇性十足的人，詳細請看 Ubuntu 、( 百度-百科) 馬克·捨特爾沃斯 參考資料（戊） 『氦-3』據介紹，這是一種無色、無味而穩定的氦氣同位素， 氣瓶中的高壓氣體，天然『氦-3』的含量為 1.38X10.6。 自然界中，存在著『氦-3』和『氦-4』兩種同位素。 『氦-4』的原子核有兩個質子和兩個中子，稱為玻色子， 而『氦-3』只有一個中子，稱為費米子。 七Ｏ年代，David M. Lee 教授領導的康仍爾低溫小組首次發現『氦-3』的超流動性。該小組因此分享 1996 年諾貝爾物理獎。 科學家經過實驗發現，『氦-3』是解決未來能源的主要途徑， 因為使用『氦-3』的熱核反應堆中，沒有中子， 因此進行熱核反應過程中 ，不會產生放射性質子， 使用『氦-3』作為能源時，不會產生輻射、不會為環境帶來危害。 參考資料（己） 幾種軌道種類介紹
幾個有名的衛星
軌道計算範例 以地球同步衛星為例： a：軌道半徑。h：軌道高度。
火箭發射的計算 一般而言，火箭從地面發射，經過空氣阻力及地球重力的耗損，會消耗掉大約每秒1,200～1,500公尺的速度。因此，要發射衛星進入184公里低空軌道，火箭必須具有推動衛星到達每秒9,100～9,500公尺的能力才行。這段加速升空時間，原則上是愈短愈好，（普通在10分鐘左右）以這樣短短的時間，要把一具重量可達數百噸的火箭加速到每秒 9,140 公尺也就是每小時 33,000 公里的速度。而衛星進入184公里低空軌道，需要每秒 9,140公尺的速度。這個速度是指對靜止的空間坐標而言的。由於火箭是從地面發射，而地面因地轉是在向東方移動，因而火箭起飛時可以免費的得到一些初速。如火箭向正東方向發射，而發射地點又是在赤道線上，地面的切線速度就是最大，每秒可達約 488 公尺，相當每小時約 1,750 公里的速度。這對發射火箭，幫助是相當大的。 參考影片 |
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