李水旺新一期视频：
在我们拥有火箭之前，我们能想到的进入太空的唯一方法，就是把人从巨型大炮中发射出去，这当然是个相当荒谬的想法。所以今天我们要探讨的是——哦对，把人从巨型大炮里发射出去。
我们今天的主题，可能是我们将要探讨的所有发射辅助系统中概念上最简单的一个，但同时也存在诸多工程难题，其中许多难题我们会因复杂度而略过。它还有很多别称：质量投射器、太空炮、电磁弹射器、轨道炮、线圈炮、V型炮等等。不出所料，我更喜欢“太空炮”这个名字，因为里面没有字母R，而且我念“轨道炮”的时候，总会让人联想到我们把一头鲸鱼从巨型大炮里射出去。
不过，无论叫什么，基本原理都是一样的：你让一个抛射体沿着一根长长的炮管加速，以极高的速度从炮口飞出。用于太空旅行时，这种方式的优势在于，能让物体达到高速，而无需火箭或机载动力系统，只在脱离大炮后进行一些机动操作即可。
它们通常还用电磁铁代替火药提供推力，这能让你在全程保持平稳、恒定的加速度——这一点至关重要，因为人体无法承受普通火炮内部的那种作用力，大多数电子或机械设备也不行。这些设备通常可以比人类更耐受这种加速度，因此可以缩短炮管长度，但即便如此，和我们印象中的任何火炮相比，它依然长得惊人。
这个构想是打造一条抽成真空的长管道轨道，让载人或载货舱沿着轨道加速，在没有空气干扰的情况下不断提速。从很多方面来说，太空炮和真空列车（比如提议中的超级高铁）没有区别。
像超级高铁这样的真空列车，面临的一大难题是建造数百公里长的密封隧道成本极高，质量投射器也面临同样的问题，只不过我们需要把管道的末端抬到高空，那里的空气稀薄得多，位置越高越好。
虽然用电磁力推动舱体在真空隧道中运动的物理原理非常可靠，但实际工程难度要大得多。接下来我们来聊聊基本物理原理。
每当我们讨论物体沿着长轨道加速时，末速度、加速度和轨道长度之间都存在一个简单的关系。如果物体从静止开始做匀加速运动，且不受空气阻力（至少在理想状态下），那么末速度等于两倍加速度乘以距离的平方根。
速度随加速度或距离的平方根增加。如果你想让末速度翻倍，就需要让加速度变为原来的四倍，或者让轨道长度变为原来的四倍。
我们希望加速度保持平稳恒定，且达到人和货物能承受的最大值，这样轨道就能更短。我们来算一下达到轨道速度7800米/秒的情况。
如果以10米/秒²的加速度（略大于1倍重力）加速，轨道长度需要约3000公里（2000英里）才能达到这个速度，整个过程大约需要13分钟。如果你想在纽约市附近射出，轨道就得从落基山脉开始。
不过，如果你看过天钩那一期，就会记得我们可以用天钩把物体送入轨道，只要它能以正常速度的一半与天钩对接，这只需要四分之一的轨道长度。即便如此，轨道依然很长，但这意味着从纽约射出的轨道，只需要从我所在的俄亥俄州开始就行。
同样的轨道，如果把加速度提升到4倍重力，而非仅仅1倍重力，就能达到完整的轨道速度。这个加速度高得让人不适，尤其是没有抗荷服的时候，不过和火箭发射时乘员承受的加速度差不多。
对于固定的末速度（本例中为7800米/秒），轨道长度和加速度成反比：加速度翻倍，轨道长度减半，末速度不变；加速度翻四倍，轨道长度减为四分之一。
如果以4倍重力的加速度沿轨道加速，用于和天钩以一半正常速度对接，轨道长度大约只需200公里，是原本设计以1倍重力将飞船加速到完整轨道速度的轨道长度的十六分之一。
这一期不是讲天钩的，我们之前已经讲过了，但你能明白我为什么喜欢把这两种方式结合使用——它能省下大量昂贵的轨道建设成本。
当然，你可以用更高的加速度进一步缩短轨道，但人体承受能力存在极限。货物也是如此，不过大多数货物可以承受更短的轨道和更高的加速度。
比如子弹，在炮管内会承受数千倍重力的加速度。普通子弹在长度不足一米的炮管中加速后，以数倍音速射出，加速度通常达到10万倍重力，是能把人压成肉酱的加速度的一千多倍。要达到轨道速度，这种加速度只需要300米长的炮管。
不过在地球上，这种级别的加速度没有任何优势，因为我们需要足够长的管道，延伸到大气层高处，那里的空气阻力很小，至少要到山顶高度，而且我们更希望出口位置更高，空气更稀薄。
我们也不想让抛射体垂直射出，而是希望轨道长度大于高度，这样速度主要是水平方向，而非垂直方向——这是进入轨道所需的速度方向，也是火箭升空一段距离后会侧翻的原因。
我们不想在浓密的空气中加速，也不想在浓密空气中射出，所以必须让出口位于空气稀薄得多的地方。
轨道也不一定是直线，但转弯和变向会带来新的问题。以轨道速度转弯时，会产生巨大的离心力，这会额外增加我们本想控制在最低水平的加速度。在轨道速度下，往往需要上千公里的转弯半径，才能避免被离心力压碎。
所以你不能把轨道沿着地面铺设，在某座山或塔上急剧向上转向，再在顶端再次转向保持水平。这也是我们不能让飞船在圆形轨道上反复盘旋加速的原因——只有本系列末尾会讨论的轨道环，能让你在那样的尺度上绕圈加速，而不被离心力压碎。
而且轨道环还有一个特殊优势：可以让你倒着运行，这样重力会抵消一部分转弯时感受到的力。
但我们确实希望出口位置尽可能高，这也是大量工程难题和成本的来源。
把管道出口设在高空的原因，是让被发射的物体脱离大气层，避开所有摩擦和阻力。到50公里高空时，空气密度降至正常的千分之一；到100公里高空时，不足百万分之一。
想把任何物体送到那样的高度并保持静止，几乎是不可能的。而且管道自身结构就有很大重量，更不用说磁铁、电线和维持接近真空状态的真空泵了——不过随着海拔升高、空气变稀薄，抽真空会变得更容易。
即便顶端空气稀薄，如果没有封堵措施，空气还是会很快顺着炮口倒灌进来。
你可以在末端装一扇门，在抛射体即将射出时滑开。这不需要我们通常想象的、类似银行金库门那样坚固的气密舱门，因为压力差很小，作用在舱门上的力也很小，只要密封就行，甚至一张厚塑料片就够了。
当然，你肯定不想以15马赫的速度撞上它，但设置一些自动安全装置并不难，一旦正常开启机构失灵，就可以把炮口封盖炸飞。
不过我们还有一个相当高科技的选择，让人联想到科幻作品中航天飞机货舱里常见的力场——等离子窗。
等离子窗本质上是用等离子体代替玻璃的窗口。我们可以用磁场约束等离子体，在圆柱体内形成一个平面，高温下它与空气的相互作用，类似油和水互不相溶，能阻止空气穿过。
这种技术不仅在低压下有效，在高达标准气压九倍的压力下也能工作，所以在金星、木星等大气密度大得多的星球上也可能派上用场。
它对地球上的质量投射器来说并非必需，但相当巧妙，显然除了给巨型大炮当炮口封盖外，还有更多用途。
当然，它和整门巨型太空炮一样，需要消耗相当大的能量。接下来我们就聊聊能量问题。
因为能量由地面供应，所以发电端不需要什么高科技设备。我个人偏爱核能，但只要电量充足，任何能源都可以。
对于一枚10吨重、以4倍重力加速的舱体，峰值功耗会达到数吉瓦。这是巨大的电量，堪比胡佛水坝，但绝对可行，尤其是因为它只是短暂运行——你可以用电容器、电池，或者专门配备裂变反应堆、太阳能板。
传输电力则更难一些，因为需要高压线路沿着管道全程铺设，为管道各处的磁铁供电。这会给本就很重的管道增加额外重量，而我们还需要想办法把管道支撑到比人类建造过的任何建筑、任何山峰都高的高度。
这是一个相当大的工程难题，因为炮管要伸出地面数公里，重量是个大问题，风也是。
说到太空电梯，我们一直讨论的是相当细且密度大的绳索，即使在飓风中，相比张力和重量等其他作用力，作用在绳索上的力也不算大。
但这里我们说的是一根数米宽的空心管道，自身重量不大，却要承受巨大的风力。不过随着高度升高，管道不需要像底部那样坚固，因为外部压力降低，风力也会减弱。
所以必须想办法把管道悬空固定，最好还能抵御风力。
第一个也是最明显的方案，是巨型塔架，按需要间隔布置，支撑管道，底部比顶部宽，原因我们在太空电梯那期讲过。这是一种相当耗材的方案，摩天大楼造价极其昂贵，而这些塔架要高得多，但物理上是可行的。而且我们建的是塔架，不是摩天大楼，成本要低得多。
1963年建于北达科他州的KVLY电视塔，至今仍是西半球最高的建筑，2010年之前一直是世界最高，直到被哈利法塔超越。不过后者在21世纪耗资数十亿美元、耗时数年建成，而前者半个世纪前、技术更落后的情况下，只花了50万美元，只用了一个月就建成了。
如今用现代材料和更高预算，我们可以建得更高，所以不要轻易否定这种更传统的方案。
不过我还要简单提另外两种方案，详细解释会留到本系列后期。
一种是气球，可以是悬挂管道的气球，也可以是本身具备浮力的塔。我们已经能把气球送到50公里高空，当然如果要承载重量，高度会低一些，但即便如此，对太空炮来说也足够了——那里的空气比地面稀薄好几个数量级，虽然仍有显著的空气动力学影响，但能让物体以更高速度射出，而不会承受过大的空气作用力。
如果不追求抛射体达到轨道速度，只需要天钩对接速度，这是个不错的选择。不用说，用气球支撑结构会面临很多问题。
我们还有主动支撑方案，我之前提到过。详细解释会放在即将推出的太空塔一期，现在先简单说明：它通过向上发射物体，让平台或塔悬浮起来。从某种意义上说，它和质量投射器相反——地面上有一个小型投射器，向上发射高速带电粒子，管道通过电磁力让粒子减速，而非加速，管道获得向上的动量，从而保持悬空。切断粒子流，管道就会下落，这也是“主动支撑”的由来。
不过别以为这会让管道猛地砸向地面，我们说的就是用来加速舱体的那根空心管道，只是更薄一些，稍后我们会看到这相当安全。
首先我们来聊聊在地球以外使用这种技术。本系列主要聚焦于脱离地球，所以今天大部分内容都围绕地球展开，但和其他期一样，我想花几分钟聊聊在地球以外的星球使用这项技术。
在月球、小行星等无大气天体上，这是运输大宗金属的绝佳方式。我们可以在月球上建造大型金属加工厂，把产品运回地球轨道，成本可能比从地球发射低得多。
这里也是发射远征飞船的理想地点，因为引力极小，且没有空气消耗初始燃料。而且在那里建造设施成本低得多。
月球和其他类似天体引力小，所以搭建炮管支架更容易，甚至不需要搭建——我们把炮管抬高是为了避开大气层，减少飞船或抛射体受到的摩擦和阻力，而大多数低引力天体几乎没有大气层。
不过土星的卫星土卫六是个例外，它的引力只有地球的14%，逃逸速度仅2600米/秒，是地球的23%；但它的大气层比地球浓密得多。所以土卫六是建造地球式设备的理想地点，更低的引力让建造更轻松，金星可以说也是如此。
有趣的是，这两个星球都富含氮——氮在太阳系其他地方并不丰富，却是建造地外居住空间的关键物质，无论是改造商场之类的场所、在月球和小行星上建造栖息地，还是在太空中自由漂浮的旋转栖息地都需要。
所以我完全可以预见，金星和土卫六会发展出以太空炮为核心的大型出口产业，把装满加压氮气的巨型薄壁舱体射向太阳系其他地方。考虑到任何大型项目所需的氮气量，用“大炮”来比喻再合适不过了，因为发射舱体的频率可能和机关枪差不多。
在无大气的月球或小行星上，这种设备效果极佳：没有空气摩擦，也不需要坚固的隧道结构来维持真空，就像一条铺设在地表的铁轨，提供电力和反推力，直到速度足够高，就能释放舱体，让它飞入轨道。
但在金星这样有浓密大气层的星球，而且我们主要想开采的就是大气资源时，可以考虑把整个太空炮放在气球上，悬浮在高层大气中。这个气球方案我们会在后续一期详细讲解。
浮力在气态巨行星上效果不太好，因为它们主要由氢和氦组成，也就是我们在地球上用来让飞艇升空的气体，但飞行依然可行。
不固定在地面的太空炮还有一个问题：后坐力会把它向后推。
开采气态巨行星的主要原因，是拥有聚变经济，而且是规模极大的聚变经济——因为聚变虽然用氢，但消耗量极小，一小罐氢产生的能量就相当于一艘油轮。
氢还有很多其他用途，比如制造水或氨，但这些物质在太阳系外侧的冰质天体上储量丰富，而且不需要克服巨大的引力井就能获取。所以只有当能源需求比现在高数百万倍时，我们才会开始开采气态巨行星的氢。
不过如果真的拥有这样的聚变经济，就可以用大气中的气体为太空炮供能，让它把压缩氢舱体射向太空，同时作为自身的推进剂，保持自身位置稳定。
不难想象，巨型太空炮带着巨大的机翼，向太空喷射压缩气体作为喷气推力，维持悬浮状态。
最后，它们在任何天体的轨道上都很有用，尤其是太阳能充足的地方，可用于将飞船射出引力井，和我们在其他期讲过的天钩或太空电梯配合使用。
轨道质量投射器可能只需要一根提供电力的系绳和一个反推装置，就能让飞船高速飞向太阳系。
质量投射器也不一定是刚性物体，可能只是一根载有电流的绳索，一端有磁铁，用来抓住驶来的飞船，飞船再利用这根绳索减速、获取电力并获得反推力，有点像从绳索旁坠落，抓住绳索减速——就像滑索，只不过用磁铁代替靴子和手套。
同样的方法也可以用在太空中的大炮上：先射出系绳，让飞船沿其运动，完成后再收回，这样可以在短时间内以任意角度部署，不会在太空中留下杂物。
我们大多想到用它们来提升速度，但它们也可以像天钩一样用来减速，天钩还可以用来发电，而非恢复动量，或者用来让物体减速，缓慢进入大气层。
还要说明的是，驱动这些设备不一定非要用电磁力，但在大多数情况下，电磁力似乎是最佳选择。我们可以在舱体背面安装高反射层，让激光或微波来回反射，实现加速，就像我们在《星际高速公路》那看到的一样。
在某些情况下，轻气炮方案也适用——用最便宜、最安全的方式完成任务就行，而目前看来，电磁推进是最佳选择。
接下来我们聊聊安全性。正如“炮”这个名字所暗示的，这类技术显然可以武器化，但太空炮在这方面的安全风险并不大。
为送入轨道建造的太空炮，不太可能被劫持用来轰击城市；虽然把它改装成发射巨型炮弹的火炮确实可行，但过程耗时费力，逻辑上也不划算。想把炸弹送到任何地方，有更容易的方法。
和我们讨论过的其他系统一样，它们也可能遭遇事故或恐怖袭击，但正如我们之前提到的，可以配备降落伞和爆炸装置，让受损分段缓慢落回地面。
不过它们可能比太空电梯或天钩更重，而且没有任何分段会在重返大气层时烧毁，所以如果没有减速就落地，会对正下方造成一定破坏，就像倒塌的桥梁一样。
因此，把管道大部分建在人口稀少的地区是个好主意，而且较短的管道通常末端在山顶，你也可以把它建在海洋中。
这不算太大的问题，而且我们说的也不是整根管道倒塌，只是两个塔架或气球之间的分段。建造时一定会设计可分离分段，用爆炸螺栓断开，塔架也是如此——如果用气球悬空，也要能拆成小块，让它们侧向飘落，用降落伞减速。
即便没有这些装置，巨大的空心管道或细塔架落地时，速度和质量也不会造成毁灭性冲击。当然，你肯定不想把它们建在人口密集区，但发射站可以设在城市里，因为发射站在地面，发射过程既不会很吵，也不会有危险。
所以和太空电梯一样，它可以从人口密集区直接发射，让进入太空变得有点像乘坐加长的地铁或火车。
管道受损并没有有些人暗示的那么严重，超级高铁也是如此，原因相同。管道上的小孔不会导致空气剧烈对流。
在高空，这个问题更小，因为那里的气压只有地面的极小一部分。在舱体后方炸出一个洞不会有任何影响，因为空气来不及追上舱体造成麻烦；如果在前方炸出洞，需要很大的洞才能让足够多的空气快速涌入，造成严重问题。
这种情况下，只需要让舱体在受损分段处启动推进器，留出足够空间避开受损部分，然后滑翔落地即可。
而且泄漏最快的地方大多在地面附近，那里气压更高，也是泄漏影响最小的地方。轨道最初几公里的速度不算特别快，所以缓慢漏气不会造成太大阻碍。
成本方面，这种设备造价相当高。超级高铁的预估成本约为60亿美元，而我们还需要把整个管道抬高，估算成本很难，也很大程度上取决于建造方式。
但超级高铁的预估成本可以作为最低参考价，不包括更短、海拔更低、用于高加速度发射货舱的版本。
最著名的质量投射器设计名为“星际缆车”，他们提出了相当可靠的方案和成本估算，我们来看看。
星际缆车第一代方案预估成本190亿美元，设计用于无人舱体，沿130公里长的隧道以30倍重力加速，从山顶射出。
第二代方案是1000公里长的管道，出口海拔22公里，以3倍重力搭载乘客，预估成本670亿美元。
两个版本将有效载荷送入太空的成本都略高于每公斤100美元，远低于当前发射成本，不过仍高于太空电梯。
他们还有1.5代方案，设计用于更低的出口速度，与天钩配合使用，轨道长度比第二代短得多，只有约270公里，同样从山顶或更高位置射出。
我尤其喜欢星际缆车1.5代方案的变体：这种太空炮把高超音速飞机以实用范围内的最高速度和高度射出，然后与性能最佳的天钩对接。
这是一个三步流程，代表了当下我们若有需要就能建造、以低成本将大量货物送入轨道的最佳方式。
当然，它的每公斤发射成本远低于传统火箭，而我们现在已经不再专注于传统火箭了。
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