超级大炮

【美国《航空与航天》双月刊８至９月一期文章】题：关于大炮发射的斗争
当这么大体积的大炮发射的时候，你或许会想到在炮身后面有开炮的人。但是你错了。当这门世界上最大的两级轻气体大炮发射时，约翰·亨特则在几百码远的地下控制室中从黑白荧屏上监视。置身于此，你几乎听不见发射时的轰鸣，更不用说欣赏光彩夺目的烟火奇观了。
观看发射录像效果要好得多。随着一下猛冲和一声轰鸣之后，一大团火焰和浓烟喷发出来。亨特放了两遍录像，然后靠着放了几台监视器的会议桌旁坐了下来，开始叙说其ＳＨＡＲＰ（超高空研究项目）大炮的详尽历史。据称，ＳＨＡＲＰ大炮是将来有一天能把卫星和货物送入太空的巨型大炮的原型。
用大炮将有效载荷射入轨道是可行的，对此人们没有什么怀疑。具有射入太空的威力的大炮已经有了，但是，这种大炮却主要用于空气动力学和弹道学的研究。
虽然仍有很大技术障碍，但是将大炮变成航天发射器与其说是物理学和工程问题，倒不如说是选择时间、争取支持和集资的问题。
大炮发射器确实有一些显而易见的缺点。它们给有效载荷施加巨大的ｇ力（高达数千倍），足以将人体变成一堆肉酱（航天飞机的加速度远远超过３倍的ｇ力）。显然，一门大炮只能发射非常耐用的航天货物，比如水和建筑材料。
在最近研制出能耐巨大加速度的坚固微型电子设备以前，将卫星发射入轨道是不可想象的。因此，甚至连最热心的支持者预料这种大炮也只不过起配角作用，而主角仍是火箭或其他能处理娇贵易碎的有效载荷的航天器。
另一个缺点是有效载荷的体积。大炮发射的任何东西的体积不可能超过它的口径（炮筒直径），因此，大体积的有效载荷还得靠火箭发射上去。由于“上升的物体必然下降”这一物理学基本定律，大炮发射出的发射物还需有末级火箭推进，才能将有效载荷推入轨道，并避免跌落回地球。
主张发展大炮发射器的主要论点是，它们可能会给某些频频发射的货物提供代替火箭的廉价的发射手段。目前每磅货物的发射费用在３千至２万美元之间。而设计大炮的人们则声称，根据把几十亿美元的初期投资在频繁发射的头几年分期摊开来计算，每磅货物的发射费用在１００至１０００美元之间。美国航天局先进概念处的代理主任鲍勃·诺伍德说：“他们也许是对的。但是仍有许多未知数。究竟要花多少钱来建造、设计、保养这种大炮，以及在做完这些之后要花多少钱研究开发新的一类有效载荷的技术？你不能只着眼于大炮发射器，你必须考虑这整个发射模式的经济效益。”亨特大炮这使我们来到“３００号试验场”，这个高强度炸药试验场位于距加州北部劳伦斯—利弗莫尔国家实验室驱车行驶２０分钟远的阿尔塔蒙特山中。约翰·亨特的大炮安置在山坡上开凿出来的一个凹坑中，４２５英尺长的钢管制成巨大的“Ｌ”形，纵横交错着高压管和真空泵。
当然，气体炮没有什么秘密可言，４０多年来，它一直用于弹道学和空气动力学方面的研究。最常见的是利用像氢气之类的轻气体，并以两级方式工作：一个活塞从炮筒的一端发射进去，压缩了活塞前部的轻气体。当气压积聚到一定值时——在亨氏大炮中为每平方英寸６万磅——射弹就以高达每秒１１公里的高速度从炮筒的另一端飞出。（而进入地球轨道所需的速度大约为每秒７公里）。
亨特对大炮进行了改进，巧妙地把它扭曲一下。使通常的直线设计改为“Ｌ”形设计。这样做的目的，是使向空中发射试验性射弹的工作简单化。现在，只需要提高第二级（即发射管）就成了，而不是提高整个大炮。
尽管气体炮很可能是这种大炮中最可靠的，但是气体大炮还面临着一个主要问题：如何“按比例放大”．即增大到足以容纳轨道有效载荷的程度。亨特现有的大炮口径为１英寸；而向轨道发射小型有效载荷的大炮所需口径，起码要大到这个数字的５倍才行。
亨特希望更换大炮的第一级（即真空泵管），来制造一门更大的炮。他研究了利用粒子未（Ｐａｒｔｉｃｌｅｂｅｄｓ）的可行性。在这种炮台中，铀燃料丸可以快速加热氢气，然后将用电把加热后的氢气注入炮筒中，这就省掉了活塞。这项技术还未被证明是可行的，但是亨特相信它是会行之有效的，就像他要把他的事业当赌注押在大炮上面一样。电磁与轨道炮在８０年代，选择的大炮是电磁型的，这是由于注入了ＳＤＩ（战略防御计划）研究资金赞助项目的数百万美元。这个赞助项目是设想在太空中使用一种名为轨道大炮的装置。这种轨道大炮利用一系列并行的金属轨来传输大功率的电脉冲，这种电脉冲产生快速移动的磁场，用以推动射弹飞出大炮。较近的设计方案是线圈大炮。这种大炮利用一系列导线线圈来取代轨道产生电磁推力。
这两种大炮都需要强大的电源，也都存在着问题。轨道大炮易于很快磨损，尤其是铁轨本身的磨损，这是由于铁轨在滑动中与射弹发生电接触造成的。线圈大炮还没有显示出它们的发射速度能高于每秒１公里，它们需要有巨大的储存能量的能力——美国空军正在试验的一门大炮用了１．４万个汽车蓄电池。
在“战略防御计划组织”委托下，对全尺寸电磁炮和轨道炮进行设计研究时，也遇到了制造上的难题。“弹道导弹防御组织”的卡夫尼说：“据我回忆，制造轨道大炮需要大约５００万公斤的铜，占美国铜总产量的１％左右。线圈大炮需要电容，目前世界上尚制造不出供制造这种大炮的足够大容量的电容。你势必要建造一座全新的制造厂。”
更糟的是，当关于轨道大炮将获得创纪录的速度的预言成为泡影时。轨道大炮的声誉便一落千丈。
“战略防御计划组织”现在实际上已不再进行大炮研究工作了，虽然主要原因不是失去兴趣，而是预算紧缩了。
但是，在一段时间内很可能要显示出它在研制轨道大炮方面的投资失败所带来的影响。ＵＷ大炮目前，最新的而且在某些方面又是最有发展前途的竞争者是冲压式加速器。不要再称它为大炮了。
但是，在一般人看来，这个置于ＵＷ航空航天与工程研究大楼地下室中的５２英尺长的钢管结构，同其他竞争者一样像大炮。
然而，它的工作原理却有明显不同。最根本的不同是，冲压式加速器是装在钢管中的一台超音速冲压式喷气飞机发动机，而这条钢管起着发动机罩的作用，射弹则相当于将吸进的空气进行压缩的中心锥体。在加速器中，把一种易燃的气体混合物泵进钢管中，也以超音的速度把射弹发射到钢管中（在ＵＷ，射弹是用气体炮发射的）。当射弹穿过钢管并达到“超爆燃”速度时，其超音速飞行所产生的冲击波就引燃了后面的气体。
冲压式加速器技术相对来说不成熟，最高速度仅达到每秒２至３公里。但是，它得到了那些开始按比例加大ＵＷ大炮的研究人员的好评。这种大炮口径已达１．５英寸。
美国陆军在阿伯丁试验场中的冲压式加速器口径达１２０毫米（４．７英寸），是目前世界上最大的，取名为ＨＩＲＡＭ，是混合径内冲压式加速器的缩写。这台加速器在海岛试验场场边的一个位置上指向切萨皮克湾。一门改进了的坦克炮向加速器钢管内发射射弹，加速器钢管内注有氧气、氮气和甲烷的混合气体。
美国泰坦公司的哈尔·斯威夫特说：“冲压式加速器现在所需做的，就是表明它们能够以接近每秒７公里的高速度有效地工作。”
其他大炮的发展前景又怎样呢？亨特巧妙地将其大炮建成适于空气动力学试验的理想体积，从而保证了对其大炮感兴趣的人超出了航天界。亨特最终想制造他称其为“朱尔斯维恩”的发射器，它将能把５吨重的有效载荷送入地球低轨道。
线圈大炮目前已陷入绝境，但是电磁大炮技术却不是这样、美国陆军刚刚开始实行一项３亿美元的计划．研究电磁大炮在战争中的应用。
总之，这些大炮似乎作为武器比作为发射器更有发展前途。甚至像斯威夫特这样的大炮发射器的爱好者，也对它们成功的机会表示悲观。