第 2.2 节 - 枪炮和加速器 (第 2 页)
注意：从 枪炮和加速器 的 A 部分和 B 部分继续
轻气枪的设计目的是为了达到比燃烧枪更高的枪口速度。这类枪也被称为超高速枪，因为弹丸以超过 5 马赫（海平面 1500 米/秒）的速度飞行。在空气动力学中，高于 5 马赫的速度被称为超音速。它们通过使用热氢气（或有时是氦气）作为工作气体来达到更高的速度。这些气体具有较低的分子量，因此比无烟火药、液体或气态燃料的燃烧产物具有更高的声速。
枪炮受到其使用气体声速的严格限制，因为压力波以声速传播。因此，一旦弹丸达到局部声速，枪管后部的任何气体都不会再推动弹丸，因为压力波跟不上。靠近弹丸并以相同速度运动的气体仍然可以提供压力。因此，随着弹丸超音速飞行，枪炮的效率显著下降，但不会完全停止。像氢气这样的轻气体本身不会像标准枪炮中的燃烧副产物那样产生高压和高温。因此，需要一些外部手段来产生热气。以下各节将列出各种方法。
比例缩放 - 轻气枪在超音速研究中已经使用了几十年。例如，测试热防护材料和流星体撞击损伤。这些不需要大型弹丸，因此尚未建造用于太空运输的实用轻气枪。没有理由认为更大的枪炮不会起作用。研究枪炮已经展示出比太空发射所需的更高的枪口速度。与其说是将它们设计用于低成本运行，不如说是将它们设计用于研究，以及部件的简单比例缩放。事实上，大型枪炮比研究枪炮效率更高。
- 靠近枪管壁的区域称为边界层。这是热量损失到较冷的枪管的地方，也是运动气体与静止壁之间产生摩擦的地方。边界层的厚度与枪炮尺寸无关，因此在较大的枪炮中所占比例较小。
- 大气阻力与弹丸的面积成正比，而弹丸的质量与面积 x 长度成正比。因此，质量的增长速度快于阻力，阻力导致的速度损失随着尺寸的增大而降低。因此，对于更大的枪炮来说，阻力引起的速度损失成为一个较小的因素。
更大的枪炮也往往具有较低的弹丸加速度。这种类型的枪炮的枪口速度主要由氢气的声速以及在大气中以高速飞行的实用性决定。因此，更大的枪炮的枪口速度不会有太大差异。枪管长度随着枪炮尺寸的增大而增大，因此加速度较低才能达到相同的速度。这意味着弹丸结构可以更轻，可以携带更广泛的货物。在非常大的枪炮的极限情况下，就可以运输人员，但这类大型枪炮在一段时间内不会被建造，并且可能被更好的替代方案所取代。
与其他发射器的比较 - 与火箭相比，地面安装枪炮的重量不是问题。因此，它们的部件可以更接近工业级，而不是航空航天级，而且应该相对便宜。枪管也比提供相同力的电磁线圈型加速器简单。因此，它们的建造成本应该更低。电磁装置具有比气体枪更高的理论效率和最大速度，因此选择将取决于实际设计的建造成本与运营成本。电磁炮的历史较短，因此其在大规模上的能力和成本更加不确定。
枪炮/火箭优化 - 从地球发射时，弹丸以高速进入大气层，阻力倾向于与速度的平方成正比。即使使用轻气枪，也很难达到完全的轨道速度（约 8 公里/秒），即使在这种速度下，轨道也会与地面相交，因为弹丸就是从那里开始发射的。因此，任何枪炮系统都需要至少一些推进力来抬升轨道的低点。在为成本和效率进行优化时，枪口速度通常最终约为轨道速度的一半，其余部分由弹丸上的火箭或其他方法提供。仅需提供部分轨道速度的火箭将小得多、便宜得多，重复的小型发射会使火箭尺寸进一步降低。例如，每天发射一次枪炮，与每年大约六次传统火箭发射相比，其比例为 60，而火箭与有效载荷的质量比大约低 4 倍，总的来说使火箭尺寸减少了 240 倍。因此，超高速枪炮的主要成本优势在于用更小的火箭取代了大型而昂贵的传统火箭，再加上可重复使用且相对便宜的枪炮。
位置 - 由于其尺寸，轻气枪可能会建在具有正确坡度的山顶上，朝东方向。这将最大限度地降低建造成本，并减少从较高起点开始时的空气阻力。枪炮的海上平台可以进行瞄准，但其缺点是比山顶更容易穿过海平面上的大气层，以及处理海水腐蚀。在选择山峰时，赤道山峰允许在每次轨道（约 90 分钟）上与空间站相遇，而其他纬度只能在发射场旋转到轨道平面下方时才能与空间站相遇。
真空枪管 - 如果弹丸不需要将空气柱向上推过枪管，所有大型枪炮的效率都会更高。因此，通常需要一些方法来密封枪口并抽走大部分空气。在较小的枪炮中，可以使用塑料薄膜等简单的材料，弹丸会直接穿透它。在较大的枪炮中，可以设计一个或多个由枪管与外部空气之间的压力差固定在原位的襟翼，当弹丸压缩枪管中残留的空气时，襟翼会自动打开。这种自动打开比机械阀门或门更可取。机械装置故障会导致弹丸与枪管发生壮观的撞击。
枪口设计 - 在枪口处考虑使用消音器类型的装置有很多理由。除了减小噪音外，它还可以捕获氢气以便回收。否则，逃逸的热氢气会立即在空气中燃烧，产生枪口火焰。当弹丸从枪管中的高加速度过渡到空气中的减速时，如果过渡过于突然，可能会损坏弹丸或货物。消音器可以排出一些氢气，使过渡更加平稳。枪管中残留的空气也会在弹丸前面堆积起来，提供一定程度的缓冲。其他降低冲击的方法包括在枪口周围安装喷气嘴，在枪口后方增加一股气流作为过渡区域，或将枪管设计成末端逐渐扩大的圆锥形，以逐渐减小加速度。最后，弹丸上的机载火箭可以用来抵消阻力减速。
弹丸特性 - 用气体填充弹丸后部的区域，称为底座出血，以前曾用于减少阻力并增加火炮的射程。轻气枪弹丸的速度足够高，以至于将后端塑造成以减少阻力可能不切实际，因此底座出血是一种选择。这可以通过以低推力运行机载火箭发动机来实现，仅用于填充尾部区域，或者以全推力运行来实现，即使在穿过大气层时也能提供加速度。正确的答案需要详细的设计和分析。
弹丸回收 - 为了降低成本，您希望多次使用货物弹丸。幸运的是，使它们足够坚固以从枪炮中发射出来，往往也使它们足够坚固以在没有太多额外工作的情况下承受再入。它们已经需要一些热防护罩才能在发射时以高速向上穿过大气层。您只需要一些额外的防护罩才能处理再入。与引导它们到达货物目的地相同的制导系统也可以引导它们到达着陆点。空弹丸再入后的终端速度应该足够低，以便弹丸可以在没有降落系统的情况下承受着陆。毕竟，它是在满载的情况下以高重力加速度从枪炮中发射的。最多可能需要部署襟翼或鳍或小型降落伞来使着陆速度足够低。
其他名称
类型
描述: 气体简单地储存在一个压力容器中，然后在炮管中绝热膨胀，对弹丸做功。加热气体会导致高温储存问题，但如果不加热气体则会导致性能下降。储气罐需要比炮管体积大，否则发射期间的压力下降会导致性能下降。这会导致比其他版本更高的成本。这些缺点导致其他版本的轻气炮比这种简单的版本更受欢迎。
状态
变体
参考资料
- Taylor, R. A. "A Space Debris Simulation Facility for Spacecraft Materials Evaluation", SAMPE Quarterly , v 18 no 2 pp 28-34, 1987.
其他名称: 快速发射
类型
描述: 在陆地上的气体炮中，炮管和炮膛的结构材料数量取决于炮管和炮膛的抗拉强度。在水下气体炮中，一个抽空的炮管受到水压的压缩。现在，气体炮中的气体压力可以是外部水压加上炮管壁在拉伸下所能承受的压力，这可以达到陆地版本的两倍。
水下气体炮的其他特点包括能够以极低的压力储存气体（储气罐可以与周围的水处于平衡状态），以及能够将炮管指向不同的方向和高度。
水下气体炮由一个储存在一定深度液体（在本例中为海洋）中的储气室、一根连接到一端储气室的并由另一端浮动平台固定在水面的长炮管，以及一些支撑设备组成。
示例设计 在这种类型的气体炮的一种版本中，储气室由钢等结构材料制成。进气管允许储气室充满压缩气体。一个阀门安装在进气管上。一个比进气管直径更大的出气管连接到炮管。一个出气阀安装在出气管上。该阀门可以分成两部分：快速开启和关闭部分，以及密封部分。储气室内部衬有绝缘层。绝缘层的内表面覆盖有耐火衬里，例如钨。
惰性气体，例如氩气，填充绝缘层。惰性气体保护储气室结构免受热氢的侵蚀，并且具有较低的热导率。一个惰性气体充放气管连接到储气室壁和衬里之间的空间。一个压力驱动泄压阀将储气室连接到一个冷气体空间。这种冷气体被橡胶涂层玻璃纤维布等柔性膜包围。
在运行中，储气室内的气体、惰性气体和储气室外面的水都处于基本相同的压力下。因此，外结构壁不需要承受来自内部和外部的巨大压差。储气室壁的一部分是可移动的，就像滑动活塞一样，允许储气室体积发生变化。储气室内的气体最好是热气体，以便为气体炮提供最高的炮口速度。当气体炮运行时，这种气体被释放到炮管中。为了保持储气室壁的微小压差，要么储气室体积必须减小，要么来自相邻冷气体囊的气体必须在热气体排出时取代热气体。这种布置可以防止海水接触储气室壁或热气体。在滑动活塞的情况下，薄膜会塌陷，以前在薄膜内的气体会移动到活塞后面。在另一种情况下，薄膜也会塌陷，以前在薄膜内的气体会通过阀门移动到储气室中。
储气室有一个出口阀，通向炮管。它还有气体供应管，为储气室内部和储气室壁之间的空间供气。这些管道连接到调节器，调节器保持几乎相等的气体压力，这些压力又几乎等于海水压力。这使得储气室能够移动到水面进行维护，并放置在不同的深度以提供不同的发射压力或不同的炮管高度。
气体炮的炮口位于海面上，因此可以通过改变储气室端的深度来实现炮管的高度。由于气体炮作为一个整体漂浮在海水中，因此它可以指向任何方向。需要某种方法来加热储存在储气室中的气体，例如电阻加热器。在气体炮的炮口端，有一个管子包围着炮管，两者之间有一个相当大的空间。在炮管壁上有一些通道，允许气体扩散到管子中而不是从炮管末端排出，从而节省了气体。
在气体炮的炮口处，有一个可以快速打开的阀门，以及一个防止空气进入炮管的喷射泵。在运行中，喷射泵在气体炮发射之前启动，阀门关闭。阀门打开，然后气体炮发射。这样，弹丸在炮管内只遇到接近真空的环境，然后是空气。
状态: 高超音速气体炮作为研究设备已经运行了大约 40 年，发射的弹丸相对较小（5 公斤或更少）。大型或海洋气体炮尚未建造。
变体
参考资料
其他名称
类型
描述: 热氢能为气体炮提供良好的性能，但难以储存。在这种方法中，氢气是在需要时产生的，通过让氢气流过一个包含耐火氧化物颗粒的腔室。这些颗粒通过位于腔室中心的某种加热器缓慢加热（大约 1 小时的加热时间）。这形成了一个温度梯度，因此腔室的外侧相对较冷，因此可以由普通钢制成。当氢气流过腔室时，颗粒的大表面积允许非常高的热传递速率，因此腔室内的热量可以在气体炮发射的几分之一秒内被提取出来。气体从外围流入热交换器的中心，然后流入炮管。
- 气体炮部件尺寸示例: - 以下计算旨在展示获得部件尺寸初始估计值的步骤。它与完整的工程设计相差甚远。相反，它是设计过程的起点。
- - 将与 1990 年代利弗莫尔 SHARP 高超音速气体炮（5 公斤，3 公里/秒）相匹配作为设计目标。从动能公式（KE = 0.5*M*v^2）可以得出 22.5 兆焦耳的弹丸能量。
- - 如果平均炮管压力为 20.7 兆帕（3000 磅/平方英寸），选择为高压管道的合理值，那么一个直径为 10 厘米，质量为 5 公斤的弹丸（与 SHARP 参数匹配）将承受 162,600 牛顿的力，或 32,470 米/平方秒。要达到 3 公里/秒，需要 92.4 毫秒，炮管长度为 139 米。考虑到运行过程中的压力下降、摩擦、效率、热量和其他损失，假设实际炮管将长 200 米。该假设将在以后被模拟所取代，以获得更准确的估计。
- - 从简单的圆柱体体积公式（V = pi * r^2 * h）可以得出炮管的体积为 1.57 立方米。从氢气作为气体的物理性质来看，该体积在 20 兆帕和 2000 开尔文温度下将包含 4 公斤的氢气。当弹丸离开炮管时，炮管充满了气体。在标准条件下（273 开尔文或 0 摄氏度），氢气的声速为 1284 米/秒。随着开尔文温度的平方根而增加，因此在 2000 开尔文下，它将达到 3475 米/秒，因此对于这种气体炮来说，它将略微亚音速。
- - 氢气从 300 开尔文到 2000 开尔文的比热约为 15 千焦/千克-开尔文。因此，通过将已知的温升（1700 开尔文）、H2 的质量（4 公斤）和比热相乘，我们可以得出加热所需的能量为 102 兆焦耳。在此基础上，再加上 22.5 兆焦耳的弹丸动能，它以氢气的热量和压力的损失为代价，总共为 124.5 兆焦耳。
- - 为了在发射过程中加热气体，我们不希望氧化铝颗粒在运行过程中下降超过 500 开尔文。否则，它们会冷却得太多，无法加热最后一部分气体。在 1300 焦耳/千克-开尔文下，那么我们需要大约 200 公斤的氧化铝颗粒。这是一个粗略的值，将在热交换器的热分析中进行细化。
- - 氧化铝的密度作为固体为 3.9 克/立方厘米。作为热交换器中的颗粒，考虑到进出口体积和保持颗粒固定的筛网，假设密度为 1 克/立方厘米。因此，热交换器的大小约为 0.2 立方米。
- - 未加热氢气的储罐可以通过其在室温下的物理特性来确定。为了使气体流向炮管，初始压力必须高于 20 MPa。假设其从平均炮管压力的 1.5 倍开始，并以 0.5 倍结束。因此，2/3 的气体进入炮管，初始储存气体为 31 MPa 下的 6 kg。在这些条件下，氢气的密度为 25.8 kg/m^3，因此储罐体积为 0.23 立方米。从储罐中快速释放气体将其变成了火箭发动机，因此需要坚固的支撑来固定储罐。
- - 需要一个快速（与炮弹的 < 0.1 秒发射时间相比）阀门来打开储罐并让气体流经热交换器和炮管。从概念上讲，这就像汽车发动机的汽缸，其中火花塞引发爆轰，使阀门活塞从闭合位置滑动到打开位置。在进行设计时，首先要检查现有的阀门硬件，看看是否存在合适的阀门。如果没有，则需要设计一个定制的快速作用阀门。
状态：布鲁克海文国家实验室已经建造了一台这种小型研究炮。
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18 粒子床反应堆加热气体炮
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类型
描述：热气体通过流经粒子床式核反应堆而产生。气体膨胀以对抗弹丸，使其加速。轻气炮的运行速度已超过轨道速度，1 公斤的弹丸已加速至超过轨道速度的一半。这种类型的炮在超过气体音速时效率会迅速降低。因此，工作流体通常是热氢。传统气体炮使用火药驱动活塞来压缩和加热气体。预计这在发射有效载荷进入轨道的规模上不可行。加热气体的一种方法是将其通过小型粒子床式核反应堆。这种类型的反应堆在很小的体积内产生大量的热量，因为核燃料的小颗粒具有较大的表面积/体积比，可以有效地将热量传递给工作流体。这为空间发射提供了核动力的优势，而没有飞行反应堆的缺点。
通过高速旋转床来保留反应堆中的粒子，气流冷却外部结构。核燃料颗粒不需要结构强度，因此可以承受比固体芯反应堆更高的温度，从而导致更高的性能。然而，与耐火金属热交换器相比，这种改进并不大，因此核装置的成本和政治问题可能超过其益处。
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19 电加热炮
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类型
描述：工作流体通过电放电或微波感应加热，然后推动炮管中的弹丸。轻气炮的限制因素是流体中的声速。加热流体至更高温度的一种方法是电放电。如果达到足够高的温度，流体就会变成等离子体。磁场或较冷气体的护套可用于将等离子体远离壁并防止损坏。这种方法的挑战是即使对于非常小的炮弹（按空间发射标准）也要在短时间内传递数百兆焦耳。磁场不足以在这些压力下约束等离子体，因此它会迅速将能量损失给物理腔壁。因此，加热必须迅速进行，这反过来又需要一个大的电源。对于足够大的版本，可以将有效载荷送入轨道，电源需要提供 2 吉焦耳或更多能量，而电源最终将主导炮弹的总成本。
状态
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参考资料
20 核装药加热炮
[edit | edit source]别名：核炮
类型
描述：与其他轻气炮一样，目标是使用热气体来加速弹丸。在这个版本中，加热来自大型地下室中的一枚小型原子弹，地下室充满了工作气体。这个概念只有在需要发射非常大的有效载荷的情况下才有意义，因为任何核装置都需要大量的最小能量才能运作。一个大型炮管从地下室向上倾斜。在靠近地下室的炮管内设置了一根横梁，弹丸通过一个在预定应力下设计的螺栓固定在横梁上。这将弹丸固定住，直到达到工作压力。一枚小型原子弹悬挂在地下室中，爆炸后在极短的时间内产生大量高温氢气。
这个概念有几个明显的问题。即使是小型原子弹也会在过短的时间内释放出过多的能量，难以控制。挑战在于如何避免摧毁炮弹本身。另一个问题是辐射，辐射会损害货物，并作为放射性尘埃从炮管中喷出。最后是使用原子弹进行任何用途的政治限制。
状态
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参考资料
21 燃烧驱动两级炮
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类型
描述：这是一种两级气体炮。圆柱形腔体包含一个活塞。在活塞的背面，高压气体通过燃烧产生。这可以是火药或燃料空气混合物。在活塞的正面是工作气体，通常是氢气。氢气被压缩和加热，直到阀门或密封件打开。然后，工作气体加速弹丸。压缩理论上可以产生无限的温度和压力。实际上，它受到腔室结构的耐压能力的限制，但耐压能力可以做得非常高。因此，对于小型弹丸，炮口速度已达到地球轨道速度以上（8 公里/秒）。缺点是腔室必须是炮管体积的数倍，以容纳燃烧驱动气体和氢气，这会增加大型版本的成本。
状态：这种类型的轻气炮是最常见的，已经建成。它们最早是在 1960 年代或更早的时间建造的。这种类型最大的炮是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 SHARP 炮，它用于在 1990 年代初测试超燃冲压发动机组件。它有一个 10 厘米 x 45 米的炮管和一个 30 厘米 x 100 米长的腔室。
变体
参考资料
- 轻气炮（维基百科文章）
- 航空周刊与太空技术，1990 年 7 月 23 日。
- “世界上最大的轻气炮在利弗莫尔即将完工。”航空周刊与太空技术，1992 年 8 月 10 日。
22 重力驱动活塞
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类型
描述：在这种方法中，使用滑动或下落质量来压缩腔室中的气体。然后，气体在炮管中膨胀。与所有轻气炮一样，热氢气是最佳工作流体，问题是如何产生它。在之前的方法中，活塞由燃烧驱动，非常类似于内燃汽车发动机。在这里，通过使用重力驱动一个巨大的重量来省去很大一部分高压腔室。如果炮弹建在山坡上，正如通常所希望的那样，发射的能量就会以重量的势能形式储存起来。下落的重量在空气或润滑轴承上滑动，沿山坡滑到腔室。活塞密封腔室的后端并被固定住。下落的质量设计为小于活塞，因此它不需要在高速撞击时精确配合。然后，腔室通向包含弹丸的炮管，弹丸向上加速。
这种方法的一个优点是下落的质量不会立即停止，而是可以随着炮弹的发射逐渐继续压缩气体。下落的质量 + 工作气体 + 弹丸系统可以设计为一个调整后的耦合弹簧系统，以最大限度地将能量传递给弹丸。另一个优点是成本相对较低，因为下落的质量在露天运行，可以使用混凝土等低强度材料制成。第三个优点是质量可以根据需要缓慢地升高，因此不需要大型电源。最后，这种方法可以作为“增压器”添加到粒子床式加热器中，以提高性能。气体首先被加热到流经热交换器床的实际限制，然后重量驱动的活塞提供额外的压缩加热。然后问题就变成了是否需要额外的性能以及是否能够证明双重加热和压缩系统的复杂性是合理的。
状态：到目前为止，这只是一个概念。
变体
参考资料
D. 电磁加速器
[edit | edit source]这组装置使用磁场在加速器和弹丸之间提供力。中等长度的电加速器需要在短时间内提供高峰值功率。因此，廉价的储能对于这些概念非常重要。寻找廉价储能的两个地方是：（1）磁约束聚变实验，它们也需要短时高功率电源，以及（2）感应储能。后者分为冷却正常导体和超导体这两个子类别。或者，可以通过使设备非常长来降低峰值功率，但这样就变成了建造一个几公里长的设备的建设问题。
23 轨道炮
[edit | edit source]别名：电磁炮
类型
描述: 在这种方法中，由大型导轨提供的超高电流会短路到弹丸后端产生的等离子体电弧中。等离子体通过与电流产生的磁场之间的洛伦兹力相互作用而加速。然后等离子体推动弹丸沿着导轨运动。如果电源足够大，可以考虑将其用于地球发射系统，其加速度低于为武器系统提出的加速度。
现状: 该装置正在为战略防御倡议进行密集开发。在佛罗里达州埃格林空军基地建造了一门大型炮，并使用数千个并联连接的汽车电池组作为电源。原型电磁炮获得了很高的速度，但高电流和等离子体产生了导轨的侵蚀。
变体
参考资料
- Robinson, C. A. "Defense Department Developing Orbital Guns", Aviation Week and Space Technology, v 121 no 12 pp 69-70, 1984.
- Bauer, D. P. et al "Application of Electromagnetic Accelerators to Space Propulsion" IEEE Trans. Magnetics vol MAG-18 no 1 pp 170-5, Jan. 1982.
其他名称: 质量驱动器
类型
描述: 在这种方法中，构成炮管的一系列线圈与弹丸上的线圈（或线圈）磁性相互作用，产生线性推力。它被称为质量驱动器，其工作原理与电动机相同。该概念最初是在与发射用于太空制造的月球材料有关时发展起来的。月球上的低轨道速度和真空使其成为可能。已经提出了效率很高（> 90%）和高枪口速度（> 8 公里/秒）的加速器设计在地球上使用。这可能导致一个运输系统，其运行成本主要由电力构成。由于需要大量的电力来驱动该装置，电源的成本往往占系统总成本的很大一部分，因此对于非常大容量的发射，电磁加速器是有意义的。
与其他在地球表面产生高速的发射器一样，需要某种方法来处理大气阻力和热量。选项包括弹丸上的隔热罩、真空隧道或将发射器安装在足够高的塔架上以避开大气。
现状: 线性电动机和磁悬浮列车的工作原理与线圈炮相同。线圈炮只是性能更高的版本。原型线圈炮大约在 1980 年建造，达到了 1800 倍重力加速度，这已经足够了。
变体
- 24a 淬火炮 - 能量储存在构成炮管的超导线圈中。循环电流在弹丸前方被淬火，要么通过将线圈加热到超导体的转变温度以上，要么通过使用弹丸上的线圈提高磁场。无论哪种情况，枪管线圈中的电流都会停止流动。由于弹丸后面的线圈已关闭，而前面的线圈仍处于开启状态，因此净力将使弹丸加速。
参考资料
- Nagatomo, Makoto; Kyotani, Yoshihiro "Feasibility Study on Linear-Motor-Assisted Take-Off (LMATO) Of Winged Launch Vehicle", Acta Astronautica, v 15 no 11 pp 851-857, 1987.
- Kolm, H.; Mongeau, P. "Alternative Launching Medium", IEEE Spectrum, v 19 no 4 pp 30-36, 1982.
- Kolm, H. "An Electromagnetic 'Slingshot' for Space Propulsion", Spaceworld pp 9-14, Feb. 1978.