Non-Rocket Space Launch and Flight pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Bolonkin, Alexander

出品人:

页数:488

译者:

出版时间:2006-6

价格:$ 322.05

装帧:HRD

isbn号码:9780080447315

丛书系列:

图书标签:

• 太空发射
• 非火箭发射
• 空间飞行
• 推进技术
• 未来技术
• 工程学
• 物理学
• 航空航天
• 创新
• 科幻

太空探索的另一条道路：地基驱动与创新推进技术 导言：人类的太空雄心与传统火箭的局限 自人类仰望星空伊始，便梦想着征服太空。长久以来，化学火箭以其强大的推力主宰了航天领域，将人类送上了近地轨道、月球，乃至更远的深空。然而，这种依赖高能化学燃料的推进方式，其本质上存在着难以逾越的局限性：沉重的燃料质量占据了总发射质量的绝大部分，这不仅造成了极高的发射成本，也极大地限制了有效载荷的规模和任务的灵活性。进入21世纪，随着太空经济的兴起和深空探索需求的增加，传统的“一把火烧光燃料”的模式已显现出其固有的瓶颈。 本书并非探讨化学火箭的优化与演进，而是聚焦于一个宏大而富有远见的议题：如何利用地球自身的资源和先进的非化学推进技术，实现更经济、更可持续、更具颠覆性的太空发射与飞行方式。 我们将深入剖析那些旨在绕开传统火箭体系、重塑我们进入和存在于太空方式的创新工程与物理概念。 第一部分：地基驱动的宏伟构想——突破大气层束缚 实现低成本进入太空的关键挑战在于克服地球引力对数千米大气层的穿透。传统火箭必须携带全部的燃料和氧化剂从地面启动，这效率低下。本部分将集中探讨那些将发射能量主要或完全来源于地基设施的工程奇迹。 1. 动能发射系统：弹道学与结构极限的挑战 动能发射系统，或称太空炮（Space Gun）概念，是最早被提出的大胆设想之一。它利用巨大的电磁或机械能将有效载荷加速至极高的初始速度，使其在进入大气层后依靠自身的动力学控制，完成最后的轨道捕获。 1.1 轨道轨道炮（Coilguns）与电磁加速器： 本章将详细分析超导磁体技术、脉冲功率管理以及导轨材料学在构建公里级甚至百公里级加速轨道中的核心作用。我们将探讨如何设计能承受数万G加速度的载荷舱，以及如何管理发射时产生的巨大热量和电磁脉冲对周围环境的影响。特别关注如何解决载荷在穿越稠密大气层时面临的烧蚀和气动加热问题，这不仅仅是材料科学的问题，更是流体力学与结构工程的综合考验。 1.2 巨型弹射器与缆索系统： 探讨基于弹性势能或预应力材料的弹射装置，例如基于巨型缆索或复合材料结构的“弹弓”式发射器。分析如何通过多级加速和精确的时序控制，将物体平稳地送入高超音速状态，同时研究减轻机械疲劳和保证发射精度所需的传感器与反馈系统。 2. 结构化太空电梯：材料科学的终极目标 太空电梯（Space Elevator）是地基驱动概念中最具革命性的设想。它提供了一种几乎零燃料消耗的垂直运输方式，将有效载荷直接送入地球静止轨道（GEO）或更高。 2.1 极端材料的探索： 重点分析碳纳米管（CNT）、氮化硼纳米管（BNNT）以及潜在的石墨烯基复合材料在满足结构完整性要求方面的进展与挑战。我们将详细计算保持数万公里长度、承受数万吨拉力的缆索所需的理论抗拉强度，并审视当前实验室合成技术与工程规模化生产之间的巨大鸿沟。 2.2 运行与动力学： 阐述电梯系统的核心组成部分——爬升器（Climber）的推进机制（可能是激光供能或感应供能），以及如何精确管理缆索在风力、潮汐力、太阳辐射压和电磁干扰下的动态平衡。涉及轨道力学、地质固定点的选择以及紧急情况下的失效保护设计。 第二部分：创新推进技术——超越化学火箭的推力源泉 一旦突破了进入低轨道的瓶颈，或者在深空任务中寻求更高的比冲（Specific Impulse）和更持久的推力，就必须依赖非化学推进系统。本部分聚焦于那些基于物理学原理，能够提供远超传统火箭效率的动力源。 3. 电热与电磁推进：效率的飞跃 电推进系统利用电能驱动工质（Propellant）产生高速喷流，虽然推力较小，但比冲极高，是轨道机动和深空探测的理想选择。 3.1 霍尔推力器与离子推力器的高级应用： 分析当前技术的最新进展，例如高功率密度设计、磁场屏蔽技术以及如何利用核反应堆或大型太阳能阵列为推力器提供稳定可靠的兆瓦级电力。重点讨论如何通过优化工质（如氙、氪、氩甚至碘）的管理，延长任务寿命。 3.2 等离子体推进器的新形态： 探讨磁约束聚变等离子体概念（如VASIMR的可行性），如何通过调节电磁场实现推力与比冲的灵活切换，从而适应从行星际巡航到近地轨道捕获等不同任务需求。 4. 核能驱动的太空动力：速度与力量的结合 核能为太空飞行提供了能量密度无与伦比的动力源，是实现快速深空旅行的关键。 4.1 核热火箭（NTR）的复兴： 详细分析固体核心与液态氢工质的相互作用，以及如何设计能承受数千度高温的核反应堆燃料元件。对比不同反应堆几何形状对推力效率的影响，并讨论其在载人火星任务中的时间优势。 4.2 核脉冲推进（Orion Concept）： 这是一个极具争议但推力强大的概念。深入研究基于受控核爆炸的推进方式，分析其工程可行性、安全防护（尤其是对地球环境的影响）、以及如何设计能够承受冲击波的巨大推板（Pusher Plate）和冲击吸收系统。 5. 颠覆性的远景技术：光帆与聚变驱动 面向太阳系边际的探索，需要依赖更前沿、甚至仍在理论验证阶段的技术。 5.1 激光驱动光帆（Laser-Pushed Light Sails）： 探讨如何通过地基或月球轨道上的巨型激光阵列，对超薄、高反射率的帆面进行精确聚焦，从而产生持续的、无工质消耗的推力。重点分析光压的微弱性质如何通过长时间加速累积为高超音速，以及光束准直与偏转技术的难度。 5.2 惯性约束聚变推进（ICF）： 讨论利用微型氢弹或靶丸进行受控聚变，并捕获聚变产生的高能等离子体作为工质，以实现极高的比冲和可观的推力。分析脉冲功率的有效管理和反应堆外壳的抗烧蚀设计。 结论：构建多模态的太空基础设施 本书最终描绘的蓝图是一个多层次、冗余化的太空进入与运输体系。它不再依赖单一的化学火箭，而是将地基驱动系统视为经济进入低轨道的“超级高速公路”，将高效率的电推进作为轨道内转运与深空探测的“货运卡车”，而将核动力作为实现快速载人星际旅行的“动力核心”。通过这些互补的技术路径，人类将能够以远超当前成本效益的方式，实现对太阳系乃至更远目标的全面探索和资源开发。本书旨在为工程师、物理学家和政策制定者提供一个系统性的视角，理解下一代太空探索的物理基础与工程挑战。

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