主题：茗谈118：北京天梯 -- 本嘉明
首先给各位拜年，祝海内外的朋友们身体棒棒的，万事如意。
这一篇受“大漠西风”兄的启发，谈一谈我对“超级电磁炮”的看法。
归纳起来就几句话：
一，“超级电磁炮”应该是可行的。
二，“超级电磁炮”是必要的。
（一）
美国的“福特级”航母，首舰在建，已经确定用新式的电磁弹射系统（Electromagnetic Aircraft Launch System），整个系统长91米，最大弹射功率达到122兆焦，能够产生45吨的推力，最高能将飞机加速到时速240公里，能将自重26吨的E-2预警机弹射上天。
而中国的电磁弹射系统，已经建造了至少一套1：1地面试验线，可以说呼之欲出了。
近日，美国某网站公布的卫星照片显示中国在华东某地建造了“电磁型导轨式高速牵引装置”工程样机测试设施，该设施是继美国莱克赫斯特海军航空兵工程站项目之后，世界第二条电磁弹射器地面实验设施。目前能建造1：1全尺寸大型电磁弹射器地面试验设施的国家，仅有中美两国。
从卫星照片推测，中国试验装置大约长120至150米，电磁轨道长80米左右。能够建造如此规模的实验设施足以证明中国已经全面掌握了大型直线感应电机、先进强迫储能装置以及高性能脉冲发生器等电磁弹射器关键技术。
那么，我的问题是：如果把电磁滑轨加长到7到10公里，持续加速后，能否把一个5吨以下的“弹丸”，加速到3—5倍音速呢？动量就是质量X速度，如果现有的电磁弹射能力，能把26吨的固定翼飞机加速到240公里时速，那么能不能把2.6吨的缩微飞船，加速到2500公里时速呢？
这个要看海军工程大学教授、中国工程院院士马伟明少将的能耐，我看他能做到，而且这个项目又那么好玩。
（二）
这样做的好处------就是发展“超级电磁炮”的必要性------在哪里呢？
航天事业是个极其烧钱的事业。美国当年肯定是上了月球了（至于登月电视转播，倒可能是假造的），而上月球的前提，就是有“土星-5”巨型火箭。这是迄今为止美国造过的最大火箭，其他大个子都是在图纸上。
“土星-5”高110米，直径10米，全重3040吨，近地轨道有效载荷119吨。中国要想派宇航员登月，按美国的老路子走，就必须研制出类似级别的火箭。
上图：土星-5和“纳粹余孽”冯-布劳恩
研制的难度且不说，这个巨无霸太费钱了。它前后共造了15枚，前13枚打了，最后2枚进了博物馆。从1964年到1973年，单为这个火箭，总的拨款65亿美元，约为当时美国年GDP的0.7%。如今中国年GDP近57万亿人民币，按这个比例，拿出4000亿来造15个大炮仗，大家同意不同意？
那么能不能另辟蹊径呢？或许可以预研一下哦。
我的建议，是在青藏高原，或云贵高原，或黄土高原，建设一个试验项目，就叫“北京天梯”吧（我倒是想叫“北京大炮”来着，怕某些日本人又捉急，要喝敌敌畏才睏得着）。
上图：世界屋脊的优势
“北京天梯”就是一根7公里长的“电磁发射身管”，内直径2.2米，身管依山而建，仰角在40度以下，但尽可能大，始发段可以稍有弯道，那时候速度还不快。
这个内直径虽大，但在初期只试验发射直径小得多的圆柱形弹丸，小弹丸装在弹托上，就像脱壳穿甲弹那样，飞出发射管后即抛弃托架。由于有托架，首先是弹丸不必是圆柱体，可以是其他形状；其次是可以设膛线，使托架一面前进一面自旋，等弹丸射出后，也带自旋，便于稳定方向，毕竟弹丸内部不装人，怎么翻滚都行。
弹丸就是一艘微型无人飞船（也就是一个航天机器人），有自己的通讯，飞控，小火箭等子系统。弹丸发射出去后，以3倍音速飞行，冲到平流层，到达抛物线的最高点，动能衰减后自身的小火箭点火，继续冲到近地轨道。
此时中国预先发射的神舟已经运动到附近区域，发出指引信号，指引弹丸变轨飞近神舟，并被神舟派出的捕捉器捕捉到（离神舟远远的，避免撞到神舟），对接后从“弹丸”的货舱里取走补给物资。
完成了快递任务的“弹丸”还有用吗？这就是要做到2.2米口径的原因了。在试验逐步升级，地面供电系统逐步扩容后，最后打出去的全尺寸弹丸，外直径2.2米。由于离膛时的初速就有3马赫，即便“北京天梯”建在海拔4000米的青藏高原，空气仍然比较稠密，这个速度会带来巨大的摩擦热能，需要用昂贵的隔热阻燃材料建造弹丸外壳，送完货的弹丸就此抛弃，那也太浪费了。我们就拿这些直径一致，长度不一的弹丸（每次送货，根据所送货物的尺寸，货物重量，和天上预定的尺寸要求，发射特定长度的弹丸），抽空“肠子（即原来小飞船内的小火箭，燃料袋，货舱架等）”，像乐高玩具零件一样，组装中国自己的太空站。而有些小飞船，就是在地面上做好的“大飞船模块组件”，送到天上，宇航员在地面时已经反复拆装演练过，熟得不得了，拿把改锥一拧上，新舱室就能工作了。
这些弹丸的直径，正好可以供宇航员在里面直立工作，一枚一枚对接起来，太空站就滚雪球般越滚越大了。或者把这些弹丸，围绕着用火箭发射上来的核心指令舱，组装成一艘大型飞船，宇航员再搬进去，一脚油门，出发去月球！
美国NASA已经在做相关的试验了。
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记得有个架空小说里有个设想，在昆仑上顶安装电磁炮，不是直线加速，而是平面螺旋加速，发射155炮弹，能够控制全世界每一个角落。不仅能攻，而且能防，自此中国霸权一种最经济的方式实现了。想想都美。
（一）
在今天，以超级大炮，打出约3倍音速的离膛速度（初速），是完全可行的。
“巴黎大炮（德语：Paris-Geschütz）”是第一 次世界大战中德国用来轰击巴黎的一门火炮。这门被安装在火车上的炮可以把一枚98公斤重的炮弹发射到40公里的高空（是第一个达到平流层的人造物品），由 于进入空气稀薄的平流层，没有飞行阻力，所以射程可达130公里。每发炮弹能达到每秒1600公尺的速度（音速的5倍）。全炮被安装在火车轨道上，重 256吨；有一个28米，210mm口径的炮管外加6米长的滑膛炮管，发射66发炮弹后必须换炮管。
二战中，德国不但发展了V-1火箭，V-2火箭，还研制了V-3超级大炮，但来不及投入使用。V-3是一门五段加速的大炮，口径150mm，每小时可发射300发炮弹，炮弹初速每秒1100公尺，射程90公里。其原理是利用多段炮管中依次引爆火药，多次加速单一弹丸，来使炮弹有更高的初速。该炮炮身全长为120公尺，是史上体积最庞大的大炮。试验后期更改设计，使用5对火箭引擎作为爆发能源，而非初期设计时的炮弹药柱。这些火箭引擎被固定在炮管里面，和炮身大约成30度角。这炮管的长度使得此大炮难以改变角度来瞄准其他方向，但是因为本来设计就是长距离炮击英国伦敦，所以不需要改变射击角度。
纳粹德国，或者说克虏伯公司所代表的德意志工科男的另一杰作，是德国800mm K (E)铁道炮，又称为“古斯塔夫炮”（Schwerer Gustav，英文：Heavy Gustav）。
该火炮口径高达800毫米，全炮重达1344吨，可将重达7吨的弹丸投射到37公里以外的目标，是人类有史以来最大口径可移动的（膛线）大炮。在东线，“白色峭壁（The White Cliff）”战斗行动中，该炮攻击苏军一座位于塞汶那亚湾（Severnaya Bay）海平面下的弹药库，弹药库距离海平面30公尺深，由厚达10公尺的混凝土墙保护。
“古斯塔夫炮”发射9次后成功引爆弹药库，同时掀翻海湾内的一艘船。
它发射的炮弹，如果是高爆弹，弹丸4.8吨，离膛初速820米/秒，弹头炸药当量700公斤，射程48公里；如果是穿甲弹，弹丸重7.1吨，弹丸长3.6米，直径0.82米，初速720米，射程38公里，可击穿7公尺厚混凝土。
换句话说，今天我们的“北京天梯”，以电磁力发射一枚长度3米，直径0.9米，全重3吨的“无人货运飞船”（以下称为“铅笔”飞船），初速800米/秒，带自旋，飞到平流层后，自备小火箭点火，继续上升到近地轨道，同“神舟”或者“天宫”会合，还是可能做到的，至少射出去后的弹道轨迹，同上述大炮们的炮弹没有太大的差别。
“铅笔”飞船可以设计为六棱型，尖头平尾，到了太空后抛弃底部（小火箭发动机和燃料舱），像蜂窝一样连接起来。
上图：未来的“蓬莱空间站”，先做一个钢框架，然后一艘艘货运飞船像蜂巢一样，逐步堆积起来（图中黄色部分）,由于物体在太空里失重，因此装配在底层的“小飞船货舱”不会被越砌越高的“飞船墙”压垮。
（二）
接下来，我们说说“国际空间站（ISS）”。
我对ISS的评价，就三个字：挺搞的。
ISS是一个在近地轨道上运行的空间站，目前由六个国家或地区合作运营：美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局、巴西航天局和欧洲空间局，共涉及的成员国约22国。国际空间站原计划在2020年后结束使命，脱离轨道，直接坠入大海。中国曾表达参与国际空间站建设的意向，但最终被排斥在外。自1998年至今，该项目耗资约1500亿美元。
国际空间站的预算远远超过了NASA最初的预计，其建造进度也比预定的要晚，原因就是2003年初“哥伦比亚号航天飞机”失事，美国宇航局停飞了所有的航天飞机。空间站上的科学研究活动也尽可能地被压缩了。
有很多持批评观点的人认为国际空间站计划是在浪费时间和金钱，并且抑制了其他更有意义的计划。持有这种观点的人认为，花费在国际空间站上的1500亿美元和近乎30年的时间，可以用来实施无数的无人太空任务，或者将这些时间和金钱花在地球上更有意义的研究项目中。
更重要的是，空间站其实相当脆弱，无法承受一次较大块宇宙陨石的撞击。
（我们在“蓬莱空间站”的解决办法，是把“铅笔”飞船的尖头全部对外，正对受撞击风险较大的那一方向，然后像长城的砖一样越砌越高，起到“防弹墙”的作用。）
由于是美俄主导的国际开放性项目，任何一国都无法在ISS这个空间站里搞自己的“私活”，所以各国军方都兴趣缺缺，而行政部门一贯的官僚主义使我们不得不怀疑，在没有电视转播的无聊的值班日子里，丫几个宇航员是不是在穿着睡衣打麻将?
这个项目，几乎可以说是美国的阴谋，用“苦肉计”利用民事部门官僚主义的拖沓无能，羁縻了具有航天雄心的其他国家，抽干了他们的专项资金；而俄国则正好解决航天局工数万科男的就业问题，所以现在俄国航天局很起劲要把项目延寿到2028年以后。
从ISS失败性的前例来看，中国必须建设自己独用的空间站，而且在建站前，要满足三个前提条件：
1，中国的GDP达到美国的1.5倍以上。
2，解决了摆渡运输工具问题（技术上和成本上都可以承受）。
3，有具体的开发目标（比如月球），不是仅仅满足于自豪感的盲动。
我们现在在讨论的，就是第二个条件。
因为枪管（发射身管）是固定的，只能依靠地球自转，一圈一次地“瞄准”神舟附近的区域，发射“顺风快递”小飞船。好在技术发展后，可以打连发，遇见一次，打几个上去，水连珠。这大概可以部分取代“快舟”的作用。当然，打到平流层后自己点火了，就自主了，能拐弯了，突然再入一下，倒也可能。
我看在国防上，可以对“太空反导，侦察”有帮助，当然万一尺寸跟神龙差不多，那是纯属巧合。
总之，我们只谈和平利用外太空。有时天上十万火急要什么零件，等不及用“天梯”打，可以用运-20把小飞船载到高空，再点火发射。
这里的关键，是火箭发射太浪费了，第一分钟的燃料烧掉，只是为了把第二分钟要烧的燃料举得高一点，3000吨的土星5只能带120吨载荷，完全是在燃料举燃料。这对于载人有好处，过载小，但绝大多数行李不必跟着宇航员走嘛，你杨伟利随手带根牙刷就可以了嘛。所以我们分开，载人用“中医疗法”，温吞；送货用西医的外科手术，爽快而且省钱。3马赫的速度，很多战斗机都能达到，小飞船里的设备该怎么加固一下，不是难题。
反正不用转动方向，也没有大量废气和震动，前面开个蚌壳状三防大门，要打时才开门就行了。
建在青藏高原的某处山坡上，利用山坡地的坡度，一半发射身管在坑道内。你最多把身管炸断，坑道内的发射主阵地和核心设备/工作人员伤不着。
建在青藏的另一个好处，是就地消化雅江上的水电。雅江拦坝发电后，这电一年三季用来提水，到冬季江水带冰，可发电不可提水时，电力用于电解江水，产生氢气和氧气，用输气管分别后送。氢气送到格尔木制成液氢，用于汽车用燃料电池；氧气送到青藏/云贵高原，各节点城镇/兵站，象征性收费后供给宾馆，部队营房等，便于外来人口适应高原。而“天梯”一年四季随时要打，天晴就打，正好用掉一些水电，绿色环保。土星-5一次能送120吨货到近地轨道，我们分开，每个2.2米直径的小飞船，全重5吨，净载货3吨，打个40发，等于打一次土星-5。但我们的优势在于：
1）分摊风险。土星-5是把所有鸡蛋放一个篮子里，你失事一回是什么代价？航天战线的同志们压力太大了。
2）随时可打。打土星-5，是两年一趟，小飞船是天天有班车，公共汽车化。
3）成本低。
（一）
平流层的海拔高度在10KM到50KM之间，“北京天梯”工程等于是一个超级大号的“炮射导弹”项目，把“铅笔(无人货运)飞船”弹射到平流层后，也仅仅离地高度十几公里。要靠飞船自身的火箭发动机，继续挣脱地球引力，胜利到达海拔360公里高处的“天宫”，需要多大的发动机功率？需要自备多少燃料和氧化剂？
由于“北京天梯”是电磁弹射，对强迫储能装置的要求很高，所以为了降低技术难度和发射成本，“铅笔”的吨位还真是不宜贪大。但“铅笔”的吨位小了，刨去飞船的火箭发动机和燃料，还能装多少货呢？
这个矛盾里，我们要找到最佳的平衡点。
首先，“北京天梯”工程有其优点，就是发射准备的时间成本和资源成本都比较低，可以想发射就发射，特别适合救急；对于天宫的呼叫，响应时间短。那楼上的刚吃完年夜的饺子，还没来得及找餐巾纸呢，咣，一把热手巾就扔上去了。
“北京天梯”的缺点，第一是不能送人到太空站(但临时作为救生舱，空船上去，接了宇航员返回地球，再入一次大气层，降落伞溅落，是可以的)。
第二是打不高。2007年1月TG导弹打卫星，打到离地865公里高处，摧毁一颗750公斤重的报废卫星，估计打上去的那个导弹战斗部，负责解决目标的那一块，也就几十公斤吧。任何一艘“铅笔”的全重都上吨，爬科技树爬到360公里高，已经喘死了；就算打别人的低轨道卫星(比如370公里高)，这身形也太肥，腾挪不灵活------你让人猿泰山去当忍者，还是不太合适。当然，既然已经摆脱地心引力爬到低轨道空间站了，在这里加满油再发一根狼牙棒，那36000公里高轨道的通信卫星远远望见，也得一哆嗦。
第三是吨位不可能太大。目前中国火箭一次能打到低轨道的最大载荷，是12吨。“天宫”的核心舱最少要20吨，所以还在加紧研制大码火箭。由此我们可以看到，要把火箭的载荷做大，有多么难------毕竟中国的炮仗技术，在全世界也是数二数三的。同样的，“铅笔”想要载荷很大，也是不现实的，我们只能拿出愚公移山的劲头，零敲牛皮糖，一小船一小船地跑码头，最后跑成大买卖。
这铅笔，太小了不行，不能像电影<上甘岭>里那样，运输队拼死拼活送进坑道的，只剩一颗苹果；而太大又不现实。这样一看，“北京天梯”就有点鸡肋。
我们解决这个难题的方法，是增加“北京天梯”的附加价值。
如果你50块钱买条鱼回来，蒸蒸吃了，然后发现把鱼骨熬汤，也很美味。结果一条鱼一点渣都没浪费，是不是觉得赚到了？
（二）
可以反复使用的“航天飞机”，中国要不要搞？
美国在航天事业上做出了令人敬佩的努力，留给世人很多宝贵的经验。其中一条，就是“航天飞机的局限性”。使用航天飞机的初衷，就是节约闹革命，因为火箭打上去就扔，太浪费。但崭新的航天飞机上去一个来回后，机体表面的防热瓦和机体内部的各种机件，都受到了极为严酷的虐待，是不是留下了内伤隐患，是非常难彻底查清弥补的，或者说彻底查清/翻新的成本无法承受。这样一来，飞了多次的老航天飞机就积累了不少的隐患苗子，从量变到质变，最后可能就是大悲剧。
所以，航天飞机未必省钱，载人的航天飞机越飞到后来越提心吊胆，防不胜防。从这个角度讲，可以设计寿命比较短的无人航天飞机，用到半新不旧了赶紧退役，抢在出事前报废。
第二，到目前为止，外太空的人造卫星和空间站，都没有切实的防护，就是撞大运，侥幸没挨刀就好。可以说，现在宇航员在太空的每一分钟，都是有一定危险的。这对于很小（普遍不足一吨）的卫星，和370吨的国际空间站ISS，都是无奈的选择，因为建设得早，当时条件不够好，摆渡的火箭和航天飞机载荷宝贵，只能先满足运转需求，无力兼顾防护。
但外太空的危险，却在逐步增加。首先是宇宙中原有的陨石，彗星等，可能会高速撞中。其次是这几十年来人类在近地空间遗留的太空垃圾，比如最近俄国有颗卫星，被某块厘米见方的太空垃圾撞击而失灵。第三是将来可能有敌方的反卫星武器，刻意撞来或近炸，用破片杀伤我方空间设备。所以如果中国计划建立一个180吨左右的空间站的话，从对“耗费巨资的保护”和“设备使用寿命的保障”出发，也应该有适当的防护，就是先起一道栅栏，防火防虫防传销，然后在栅栏后面安心造房子，住下来。
所以，我的建议，是中国未来的天宫空间站，在设计初期，就考虑到要发展成规模大得多的“第二空间站”（我们就称为“蓬莱空间站”）。“蓬莱空间站”跟“天宫”是一体的，“天宫”长大了长高了，就是“蓬莱空间站”。
上图：以“天宫”为地基，建设“蓬莱”。
现有的空间站设计，多数是“雪花状”，由核心舱向四周发散开。
但“蓬莱空间站”可以考虑设计为“晶体状”，向心收拢，既有足够的“泊位”供多艘太空船同时系泊，也有大面积的太阳能发电板阵，在“晶体”的核心部分则是受到妥善保护的核心指挥舱和小型核电站。
“蓬莱空间站”在“天宫”的背脊上开始，像珊瑚一样慢慢生长，这个生长过程，可以是数十年甚至上百年。首先是搭建钢架，搭出一截后，在正面（即受撞击可能性最高的一面）依托钢架，敷设“墙板”。墙板配满后，再继续搭钢架，升高一截，然后再铺墙板，如此循环，直到铺满正面为止。相邻于正面的左右两个侧面，也铺半幅墙板，与正面一起，C型环绕核心部位。
至于“铅笔”飞船，初期的缩微试验型，直径40CM左右：
上图：缩微型大概就这么大。
实用的“铅笔-1”，直径1.7米，内部足够坐下一名穿简单防护服的宇航员（应急撤离时载人）。
升级的“铅笔-2”，直径2.2米以上：
“铅笔”的设计寿命，是“穿越一次大气层”，就是打上去就不指望再回来，当然用到极限，冒险再返回一次，还是可以的。
“铅笔”分为三段，“笔尖”（上图中A段）是防烧蚀的硬质整流罩，内部有飞控主机等设备：
中段（B-1）是货舱：
尾部（C段，会嵌入B段）是推力发动机和调姿发动机舱和燃料舱，燃料为液体燃料和液氧（氧化剂）。
“铅笔”顺利抵达“天宫”，掏空了所带货物后，就被空间站的机械手分解。残余的燃料被抽出，集中起来供发电机发电。“笔尖”和尾部被拆下，中段则抽去结构钢梁，平摊成6块链接在一起的墙板。
墙板铺在空间站外墙的正面；从“铅笔”抽出的结构钢梁用于搭建空间站大钢架；“笔尖”坐在外墙面上，尖头向外，有陨石飞来时保护墙板。
同时A舱内的导航主电脑联网，为空间站主控电脑做辅助运算；各尾部动力舱（内含一个小燃料舱）则挂在各面墙上，喷口向外，由主电脑控制，用于调整空间站的姿态，或主动躲避飞来的“不速之客”。
有了这个一个功能完备的大型中转空间站，中国人民就能够带领世界人民，分享月球上的资源了，到那时候，童谣是这么唱的：
万里长城万里长，一直修到月亮上
冲压发动机的飞机低速的时候飞不起来。如果用这个大炮来发射，冲压飞机就免去了挂载在别的飞机上了。
冲压飞机好处是，还可以回收整个飞机，不象炮弹打出去就没了。
电磁轨道发射飞船，我也想过这个主意，有个技术上的问题一直没想通。
飞船上必须有大电流通过才能获得电磁加速。而这个电流是通过和导轨的接触获得的。7公里长的加速距离上，无论滑块和导轨的接触面有多光滑，恐怕摩擦产生的热量都会把滑块融化成金属液体了吧？还有大电流对金属接触面的烧蚀可能也是必须解决的问题。
具体电磁加速的大电流供电问题我不了解，假如这个问题能够解决，那么我刚刚说的滑块融化的问题有可能就是阻碍这个主意实现的最大技术障碍了吧？
绿色?环保.
[...这电一年三季用来提水，到冬季江水带冰，可发电不可提水时，电力用于电解江水，...绿色环保...]
冬季哪来绿色?这有点不科学.
我首先考虑的方案，是常规大炮和“高斯炮(电磁炮)”的组合，就是先用常规大炮打出一个初速，再用电磁弹射器接力加速(类似于纳粹德国的5段加速法)。这样难度更大，但你说的问题就被缓解了，容易克服了。
就算单用电磁弹射器，这不是把航母上的电磁弹射器简单放大加长就可以的，比如你说的金属融化，就是一个难点。
第二种方法是复合加速，就是同航母弹射一样，在弹射器工作的同时，被弹射的飞机也开到最大马力。“铅笔”可以如美国NASA的设计，做成小飞机的形状，翼根下携带助推火箭，而弹射器只有滑轨，没有身管。弹射时助推火箭先点火，滑入弹射段后电磁弹射发力。最后飞离滑轨，电磁弹射完成时，火箭也烧完，立刻抛弃。此时“铅笔”拥有最大动能，同时重量又突然减少(抛掉2个火箭)，风阻更小，一举冲到平流层，是很可能的，因为技术上不比德国大炮们更困难。问题在于德国的大炮们把炮弹打到平流层后，还是要弹丸落回地面的，我们则要求“铅笔”扶摇直上，这就难了。
但是我认为举中国之力，加上天才的马教授，这个方案可行，只不过打出去的“铅笔”自重是200公斤还是5吨的问题。
这个方案最大的短板，是小飞船自重有上限，顶多5，6吨吧，运力不强。但如果我们考虑把小飞船也拆解利用，等于是赶驴上山送军粮，送到后驴肉就面条，驴就是军粮，小飞船就是建太空站的建材。至于多出的很多小推力火箭发动机，我想用于未来开发月球，容后细说。
空间站有使用寿命，大约20年。中国的“天宫”，用过20年怎么办？再入大气层烧毁？我建议拆解部分舱段，送到月球表面上去，建立半永久科考站，至少建材部分还是能继续利用的。如果想这样做，在初始设计时就必须留有余地。
总之这个“天梯”是牵连很多的系统工程，不仅仅是电磁弹射一个子系统的事。