埃隆·马斯克
2015年,美国硅谷又出身了一家名为Spinlaunch的公司,其创始人声称他要造一台巨大的离心机,用它来把卫星甩上天。与传统的火箭发射办法不同,Spinlaunch的离心机能一天发射5次,并且每次的发射本钱仅有50万美元!
50万美元是个什么观点?要知道马斯克如日中天的猎鹰9号火箭每次发射收费6200万美元,他已经声称这是“全天下”最便宜的火箭了(当然了,美国人的天下不包括咱们),即便猎鹰在太空中撒土豆,它也比50万美元贵许多。

猎鹰9号称环球最便宜的火箭
有如此低的发射本钱,Spinlaunch公司彷佛前景光明,赚大钱那是迟早的事。
离心机发射卫星既然如此便宜,它是否符合科学事理呢?
离心运动的科学学过高中物理的同学多数会见告你:“离心力”这个说法是缺点的,没有离心力,只有离心运动和向心力。
在生活中我们常常会用到离心运动。洗衣机利用它来脱水;水泵利用它来抽水;孩子们爱吃的棉花糖便是拿离心机做的;科学家则利用高速离心机来提纯铀;运动员利用它将链球扔到很远的地方......乃至青藏高原放牛娃的抛石绳也是利用离心运动的事理来扔石头驱赶远处的牛群。
运动会上的投石比赛利用的便是离心运动事理
在物理学中,“离心力”指的是一种惯性力,在旋转参考系中它是一个明显向外的伪力(虚拟力),而如果你用惯性参考系来描述一个别系时,它又只是旋转所产生的惯性效应。
与“离心力”相反,向心力是坚持物体保持旋转运动轨迹的一种力,它的方向始终指向旋转参考系的中央,力的大小与惯性力相等方向相反。
离心力是一种虚拟力
链球运动员要想将链球扔到足够远,他得使球旋转起来。链球环绕着运动员越转越快,运动员拉扯链子的力也越来越大,这个力便是向心力,向心力F 的大小与球的质量m、铁链(加手臂)的长度r 以及旋转的角速率ω 有关,以公式表述为:
F = mω²r
这意味着球越重、铁链越长,运动员须要的拉力越大,而旋转的速率则决定了奖牌的归属。
链球运动员旋转的速率决定其成绩
当然了,以上只是简便的剖析,目的在于让你更直不雅观地理解离心运动。实际上链球运动员要考虑的还有很多,她不仅要使身体只管即便快地旋转,还须要考虑脱手机遇以及脱手时的角度等等。
Spinlaunch公司在它的PPT里重点考虑的是速率,由于只有让航天器超过7.9km/s的第一宇宙速率才有可能让它逃脱地球的引力进入太空。
Spinlaunch公司是怎么做的呢?从Spinlaunch公开的资料看,他们打算建造一台巨大的离心机,离心机的中间有一条长达数十米的旋臂,旋臂的一端固定将要发射的航天器,为了战胜空气阻力,航天器将制发展长的箭形。
当旋臂在离心机中一点点加速,航天器的切线速率将超过音速,而在其速率超过23倍音速时与旋臂分开,使其从一个发射口射出去,从而飞向太空。
Spinlaunch公司的宣扬图片
当链球运动员大吼一声将铁球投掷出去时,统统都显得很完美。Spinlaunch公司也彷佛只须要悄悄等待飞船进入太空就完事了。然而事情真的如想象一样平常大略吗?
回答是:No !
Spinlaunch公司显然须要办理许多知识性的问题。
问题一:Spinlaunch的离心发射器如何才能战胜空气阻力?我们生活在地球上,空气是我们周围不可或缺又无处不在的东西。从数学的角度,你确实能以7.9公里/秒的速率将卫星扔到近地轨道上去;但在物理角度这不可能实现,由于粘稠的空气会与卫星表面摩擦,将其势能转化为热能,要不了几秒钟它就变成一团隆隆作响的火球坠落在地面上。
离心机的旋臂同样须要战胜强大的空气阻力,没有一种材料可以在23倍音速的空气摩擦中永劫光幸存,更不要谈“一天发射5次”了。如果为了减少空气阻力将离心机抽成真空,航天器在发射隧道打开的瞬间也将面临灾害,由于这与撞到水泥墙并没有什么差异。
Spinlaunch关于离心发射系统的设想
问题二:航天器如何战胜强大的过载?好吧,Spinlaunch说他们抽真空,我们不考虑离心机里的空气阻力。
假设离心机终极发射速率为8km/s,旋臂长度为100米(图片中是50米),航天器须要承受多少个G的加速度?
先求角速率 :
ω = v / r = 8000 ÷ 100 = 80 rad/s ;
1 rad ≈ 57.3° ;
因此离心机旋臂的转速该当大于12.73圈/秒。
假设一个质量为100千克的航天器将从离心机里发射,它要承受的G力大约相称于旋臂对它的拉力:
F = mω²r = 6400000 N
也便是说,这个航天器在离心机里将要承受超过其自身重量64万倍的侧向过载。
你知道有哪个电子产品可以承受如此巨大的过载吗?没有。更何况这么大的过载是浸染于航天器的侧向而不是纵向,它早就被挤扁了。
问题三:航天器如何战胜音爆?我们知道当飞机跨音速翱翔时,它会压缩前方的空气,空气激波会产生音爆征象。翱翔员一样平常不被许可在低空做超音速翱翔,它会震碎沿途的窗户玻璃,还有可能危害人们的听力。
你能想象一个巨大的旋臂带着飞船在一个封闭狭窄的离心机里超音速旋转时的振动波吗?它所引发的强大声波会摧毁离心机里的统统,乃至包括离心机本身。
诸如此类的问题还有很多,比如航天器的轨道掌握如何实现等等,限于篇幅就不一一赘述了。
Spinlaunch破土动工
科学来不得半点忽悠迈克·沃尔在Space.com网站的一篇文章标题直接揭示了问题的实质:《鬼鬼祟祟的太空创业公司SpinLaunch又从投资者那里骗到了3500万美元》。
建成后的Spinlaunch总部
从目前已知的科学知识来看,SpinLaunch将卫星“甩”上太空是一个不可能实现的抱负。不要说他们险些不可能将一个航天器通过离心机加速到第一宇宙速率,即便是达到这个速率,航天器也将在稠密的空气中迅速减速、发热并烧毁;如果离心机只是将运载火箭加速到音速再将其扔到高空点火发射,他们也须要考虑为火箭专门设计一套极其坚固可靠的发动机和燃料箱,其本钱也远不但是50万美元了。
不过用离心运动的事理发射炮弹或别的什么东西或许值得试一试,SpinLaunch已经得到了几家企业8000万美元的投资,他们想到的该当比科学更多吧?