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本文經授權轉載自《浮空飛行器》微信公眾號
本文作者Riz Virk，翻譯：張航悅。
第一章：引言
「太空探索等同於今天的火箭科學。」是這樣嗎？「
最近，人類成為太空文明這一想法引起了很多關注，尤其是像SpaceX的創始人Elon Musk、亞馬遜的Jeff Bezos’s and Blue Origin、Richard Branson爵士的Virgin Galactic這樣的億萬富翁。隨著太空私有化發展趨勢逐漸顯現，我們基於太空的未來可能根本不依賴於政府，而依賴於私人公司。
這個新興產業最常談論的短期目標是更便宜地發射更小的衛星、太空旅遊、到空間站的渡輪、到月球和繞月飛行的任務，以及最終在火星上定居。
自2011年太空飛機項目關閉以來，美國NASA已經從發射火箭以將衛星送入軌道的行業中退出，它正在向波音和諾斯魯普·格魯曼等大型國防承包商，以及像SpaceX這樣的小型公司提供獵鷹火箭服務，以及為其他剛剛成立的諸如火箭實驗室（2018年首次商業發射）等一類初創公司簽訂使用合同。
太空旅遊是一個非常有前途的領域，盡管目前只對超級富豪開放。它開始於百萬富翁們花2000萬美元乘坐俄羅斯火箭和聯盟號太空艙到米爾空間站待一段時間。在太空旅遊方面，維珍銀河公司因搭乘「宇宙飛船一」號飛船前往太空邊緣的可重復使用交通工具而獲得X大獎，並且目前正以每次250000美元的價格吸引遊客進入。不幸的是，2014年的失敗延誤了他們的進展。SpaceX現在正在推銷一種載人飛船，這種飛船將使用可重復使用的火箭將其第一批乘客送入月球周圍（乘客為日本億萬富翁，Yusaku Maezawa，他已經下了「大筆保險」），日期則與所有的火箭發射一樣，還不確定。
這讓我們想到所有這些私人太空公司（或者政府）計劃所依賴的一件事：火箭發射。
任何看過火箭發射的人都知道這是危險的、不可靠的、非常有限的把物體和人送入太空的方法。例如土星五號火箭，這是迄今為止建造的最大的火箭，它服務了阿波羅登月任務，但是95%的燃料是在上升段被耗盡。
今天的太空科技依賴於更強大的火箭，意味著我們需要更大推力的火箭，並且祈禱著我們不會失敗。
太空飛機升空也需要依靠大推力火箭。事實上，正是這些助推火箭之一的失敗導致了1986年的挑戰者號爆炸，使太空飛機停飛兩年。
然後SpaceX和BlueOrigin以及其它公司正在致力於發展可重復使用的火箭，這些技術仍然是來源於50年代至60年代由NASA及蘇聯發展的技術。50年後，有可能我們會設計出替代的方法。
基於像羅伯特·戈達德和沃納·馮·布勞恩這樣的先驅們的工作，火箭（不管是使用液體燃料還是固體燃料）總體上有效載荷占總重量的百分比都不高。土星五號為4%，太空飛機僅僅1%。這是因為火箭過時的技術導致了發動機需要大量的燃料。
第二章：通過第一個百公里
到目前為止，成為行星際物種最困難的部分就是離開地球，進入軌道，我們稱之為「第一英里」問題。實際上，由於被廣泛接受的空間分界線是距離地表100公里（62英里）的卡門線，所以這確實是第一個「100公里」問題（盡管最近有一些建議說空間實際上更低，大約為40英里）。
一旦我們進入太空，到達太陽系的其餘地方，甚至可以通過各種推進技術和宇宙飛船到達銀河系。
但是，由於我們依賴火箭，火箭具有爆炸性（字面上）、不可靠和有限的能力，要將大量的人（或大量的設備）送離地面將是非常困難的。
第一個百公里是成為太空物種的瓶頸。那我們怎麼到達這里呢？
有時候（實際上，經常）科幻小說可以為未來科學指明方向，太空旅行也不例外。為了避免我們忽視這一點，科幻作家阿瑟·C·克拉克被公認為是提出在軌道上布置通信衛星的想法的第一人。
在科幻小說中，像《2001年發現：太空漫遊》這樣的飛船總是在太空中組裝的。
2001年：《太空漫遊》，也是由克拉克寫的，星際飛船「發現」號在軌道上組裝，其部件是從地球上發射的，不需要火箭。為行星際和（將來）星際任務組裝大型飛船是有意義的，因為各種原因，就像在月球上和周圍建立基地一樣。
大多數科幻小說都掩蓋了用未來主義尚未發明的技術進入軌道的技術，比如太空飛機，它可以像飛機一樣使用尚未發明的反重力裝置飛行，然後飛向母艦。在上世紀60年代的《星際迷航》系列中，太空人們使用隱形傳送來避開進入和離開軌道的費用（和所需的時間）。當然，在《星際迷航》中，為了效率而採用了隱形傳送方案，拍攝太空飛機上下飛行的場景會太昂貴。
運輸機在最初的《星際迷航》中被發明，以幫助解決「第一百公里」問題。
事實上，這對我們作為太空物種的未來是一個很好的比喻。如果我們沒有想出一種更便宜、更可靠、破壞性更小的方法來繞過「第一個100公里問題」，我們未來的「星際旅行」將只限於極少數人。
我認為，投入太空研究的數億美元（如果不是數十億美元）應該投入到發射的非火箭替代方案中。這包括（主要是）從地球上發射，但也可能包括將來從月球或火星發射，這些發射具有較低的重力，所以我們可以在這里工作的任何東西可能在其他天體上工作。
那麼，對於進入軌道的直升火箭，還有什麼替代方案呢？
下面是一些最受討論的替代方案，從簡單到困難，以及一些正在探索這些替代方案的初創公司或項目。我按照從簡單到深奧的順序列出它們：
第三章：氣球和混合解決方案。
氣球為到達亞軌道高度提供了一種有趣且被證明有效的方法，並且有利於我們進入太空。
2009年，當我參觀史密森航空太空博物館時，一本書吸引了我的注意，它展示了一個V形的飛行器漂浮在地球上。它不是UFO，而是JP Aerospace的創始人約翰·鮑威爾（John Powell）的想法，他提出了一個有趣的三階段方法，以做到讓人類（和設備）運送至低軌道，並最終進入軌道，在前兩個階段都使用了氣球。V形飛船是一個巨大的氣球平台，如同天空中一個具有2英里長的氣球浮動城市。它將在110000英尺高，足以看到頭頂上漆黑的宇宙和下面的地球曲率。
The Darkstar suborbital station concept from JP Aerospace is a two mile balloon city at 100,000 feet up
此外，與太空艙或火箭運送方案的擁擠不同，這將是一次舒適、緩慢的旅行，也許是遊客從太空邊緣觀看地球的理想方式。JP Aerospace仍然存在，鮑威爾已經為三個階段中的每個階段建立了原型。那麼第三階段是什麼？這是一艘利用化學和電力推進從氣球平台進入低地球軌道的飛船。
World view通過僅75000美元的氣球將太空旅遊帶給大眾。
最近成立的另一家氣球公司叫World View，是一家位於亞利桑那州圖斯康市的公司，它發展能使氣球利用平流層中不同的主流風力保持在理想的位置的技術。他們宣傳只要花75000美元，遊客就可以漂浮到100000英尺，並且可以在外太空呆上兩個小時，一邊舒服地啜飲香檳，一邊欣賞地球的曲率，欣賞外面的世界風光。
他們還在試驗用小型火箭發射衛星，將火箭吊到發射高度。除了設計復合飛行器發射火箭外（諸如維珍銀河飛船），美國NASA還嘗試了混合性方法做到火箭發射。西班牙一家名為Blooster的公司正在研制一種氣球/火箭混合動力平台以發射小型衛星。這些混合動力方法雖然發射高度提高了，減少了所需的燃料，但其仍然依賴於火箭，使得這種方案具有一定危險性。
第四章：自旋彈弓方案
現在我們擺脫已成熟的技術去探索真正的新概念，這需要更好地理解自然的原理和建立創新的解決方案來駕馭這種力量。
2007年，德里克·A·蒂德曼發表了《Slingatron——一個機械式超高速質量加速器》一書，提出了利用向心運動將物體「投」入太空而不需要火箭的想法。在概念上，它被描述為類似於通過前後搖動酒杯使得酒灑出。他有一些關於這個想法做到起來可能的圖片。
速度會超過1公里/秒，並且有20000G（每個G相當於地球重力）。雖然這樣可以把某些類型的物體發射到太空，但顯然不能用於運送人類。
Slingatron概念圖
這真的可以做到嗎？2013年，一家名為Hyper V Technologies的公司在Kickstarter（一個專為具有創意方案的企業籌資的眾籌網站平台）平台上集資以製作一個彈弓加速器的比例模型。但它並沒有籌集到需要的25萬美元。最近，就在2018年，矽谷初創公司Spinlaunch從像Kleiner Perkins、空中客車公司（Airbus.s）等這樣的頂級風投公司籌集到了4000萬美元來建造「太空彈射器」。該公司一直對可重復使用的發射裝置的詳細信息進行保密，據稱，他們能將小型衛星的發射成本降到每次發射僅需50萬美元，這將大大減小目前的成本。
這些利用幾何學的創新解決方案也許可以解決「衛星」發射問題，也許一些創新者會想出如何以這種方式來發射人類。
第五章：電磁發射器
電磁發射器的想法是使用超導磁鐵在軌道上加速發射運載火箭。磁懸浮愛好者會喜歡這種方式，它類似於磁懸浮列車軌道，只是它是向上爬升的。利用「飛行器」和軌道上的磁鐵的反極性，車輛通過交替的排斥力和吸引力被加速到下一個磁鐵。
電磁發射器也分為幾類，包括質量驅動器、軌道槍、線圈槍。質量驅動器指的是通過長曲線軌道加速以獲得較大電磁加速度升空，由亞瑟C.克拉克在1950年提出。之後由傑拉德·K·奧尼爾進一步開發，這個概念通常用於從月球或其他低重力環境下發射物體。
月球電磁發射器的概念
這到底能做嗎？有些科學家是這麼認為的。它的缺陷在於為了達到所需的速度，軌道必須很長（科學家可能軌道起碼超過100英里）。實際上，具有諷刺意味的是，發射人類則需要一條更長的軌道，這樣加速度對於乘客來說才不會太大。但是有可能建造一條較短的軌道以較大加速度將衛星送入軌道。
1994年，美國NASA高級概念研究部經理，約翰·C·曼金斯，他提出了MagLifter概念，這一種將物體發射到太空的磁懸浮軌道。之後，在一個名為StarTram的項目中，根據MagLifter的概念，將問題分成了幾個階段，第一代升降機（用於衛星和對象），第二代升降機（用於人類），將包括一個更長的軌道，該軌道將懸浮到天空中，就像實際的火車進入大氣層。還有一個1.5代，它是二者的結合，具有中等大小的軌道。研究小組可能，他們用第二代發射器每年可以送400萬人進入太空！
據可能，建造這些設施的成本高達數十億美元。截至目前，我不知道有任何初創公司被資助來探索這個概念。一種改進是使用超級回路（基本上是真空中的磁浮）來作為電磁發射器。創新型初創企業或許可以找到改善這些早期評估和概念的方法，而這些評估和概念正期待著政府的資助。
超環式電磁發射器的概念
第六章：太空塔和電梯。
在他1979年的小說《天堂的噴泉》中，亞瑟·C·克拉克詳述了22世紀建造太空電梯的過程。由於這種電梯最理想的地方是赤道附近，克拉克下半生都住在斯里蘭卡，所以這部關於建造人類歷史上最大的建築工程的小說就發生在那里。選擇的地點是亞當峰，斯里蘭卡最高的山和宗教場所。[順便說一句，如果你是克拉克的粉絲，你可能會喜歡我在斯里蘭卡亞瑟·C·克拉克的書架上找到的東西]。
1895年，俄羅斯作家K.E.Tsiolkovsky在他的《關於地球和天空以及Vesta的設想》中首次描述了這個概念，他還提出了地球靜止衛星的概念。這個概念被稱作空間塔，一種從地面開始建造的塔。隨著時間的流逝，科學家們逐漸意識到，要建造一座真正的直塔需要很大的塔底而且不實用，所以克拉克以及更多現代信徒們將塔底改為超強繩索，這種繩索將從空間站下來，就像電梯一樣。
空間塔概念圖
這樣的電梯可以建造嗎？直到最近，還沒有任何具有如此高抗拉強度的物質來作為電梯的「系繩」。最近，碳奈米管基纖維被認為具有所需拉伸強度的材料。
據太空網站顯示，日本公司Obayashi Corp.在2012年宣布，它計劃在2050年之前建造一台太空電梯。最近，來自靜岡大學的一個研究小組在2018年9月推出了小型立方體，該小組打算在強張力繩索上做一些實驗，看看它們是否可以在太空電梯上工作。2018年初，來自北京清華大學的一個中國研究小組說，他們已經研制出一種堅固的纖維材料，也許可以用於太空電梯。
天堂噴泉講述了有史以來最大的人類建築工程——太空電梯的故事！
雖然太空升降機看起來像是科幻小說，也可能是「替代」方法中最昂貴的（它可能需要巨額預算，可能與阿波羅任務的數量級相當），但私營公司的創新者有希望找到資金來探索這個想法。一旦建造完畢，太空升降機就可以把物體和人們運送到地球同步軌道上的一個空間站（或者沿途運送到中間的「基地」）。雖然與火箭相比，它需要幾個小時或更長的時間才能到達目的地，但是它是100%可重復使用的，並且每天（或者如果技術足夠好，每小時）上下行程的想法最終可能成為現實。
第七章：量子隱形傳輸。
這是一個遙遠的想法，只是最近才受到一些關注。我們提到了《星際迷航》的隱形傳送方法。這真的能夠做到嗎？最近，在2017年，中國一個研究小組首次將粒子（光子）從地面量子隱形傳入地球軌道。英國廣播公司的頭條新聞是「首次從地球傳送到軌道」。
當它確實發生時，真正發生的是光子的「狀態」，或者它的量子信息被傳送。粒子本身被傳送了嗎？對於光子來說，這可能是一個哲學問題，因為一個與另一個幾乎相同。如果我們能夠傳送其他原子或亞原子粒子，電子最初（至少是量子態）意味著什麼，但是質子和中子呢？畢竟，在《星際迷航》中麥考伊博士不想使用傳送器的原因是因為他擔心他的「原子散布在整個銀河系」！
這引發了關於什麼是物質的嚴肅討論，它是固體或是物質的，還是能量，甚至只是簡單的信息？
第八章：反重力和電重力學。
我們最後討論一個更發散的話題，但我認為它值得被認真考慮。不像太空電梯，沒有人見過工作電梯，成千上萬的人卻聲稱看到過使用無聲反重力推進器的物體。它們被稱為UFO，並且通常發出某種顏色，形狀為圓形（廣為人知的「飛碟形狀」），並且無聲，通常有一些飛碟還在在旋轉，並且似乎能夠違背慣性定律做到急停和瞬間加速到較高速度。
不管你是相信有外星人存在還是秘密的政府計劃，某些事物產生了這些在世界各地都有被報導的UFO目擊現象。
在你下結論之前，目擊者包括軍用飛行員，他們在天空中看到過物理飛行器飛行，盤旋，並加速到很高的速度，並且聲稱這些神秘飛船能夠突破慣性定律約束，因此被稱為「反重力」。
保羅·希爾是美國NASA的工程師，他認真對待了這些現象及特點，寫了一本名為《非常規飛行物體：科學分析》的書。希爾不是個怪人，他不僅擁有工程學學位，在加入NASA之前，他還是奧克蘭的航空學教授。他在書中的結論是，飛船以某種方式利用等離子體和旋轉場來加速和減速，並且它們發出的顏色與等離子體顏色一致。對那些感興趣的人來說，這本書值得一讀。
對這個課題的很多興趣是在電引力學研究領域，由T.湯森布朗開創，他發現通過在碟形物體的邊緣上施加高電壓電力時，可以得到電磁推進和升力。這種電力和重力之間的關係，被稱為比菲爾德-布朗效應，或更為通俗的「反重力」效應。布朗也不是車庫發明家，他是一名為海軍工作的工程師，從事過許多機密項目，並試圖像該領域的其他投資者一樣，去獲得資金以進行反重力實驗。
在20世紀50年代，主流航空太空工業中有許多關於反重力的說法，聲稱這些裝置將「在幾年內準備好」。但是，在20世紀50年代的某個時候，這些聲明突然從所有主流的航空太空出版物中消失了。這與20世紀40年代初曼哈頓計劃開始時關於核裂變的論文沒有什麼不同，這使得許多人相信這項工作已經保密。例如，我們知道靜電荷可以用在隱形戰鬥機上。
即使你不相信外星人，也沒有理由不去調查這些神秘的反重力裝置。事實上，如果它們是諱莫如深的秘密政府項目，如洛克希德臭鼬工廠前負責人本·里奇所宣稱的，那麼就有科學是「禁忌」的，並且不被今天大多數科學家所知曉。最令人難以置信的理論可能是，訓練有素的軍用飛行員實際上只是看到了「沼澤氣體」（誤認為是飛船）！
事實上，作為藍皮書計劃的一部分，最初提出這個理論的科學家J.艾倫·海尼克（芝加哥東北部的一位受人尊敬的天文學教授）也開始相信這些飛船是真的，需要對它們進行研究。他和他的助手雅克·瓦利（他在1963年為美國NASA製作了第一張火星電腦地圖）後來成為了風險投資家，被認為是斯皮爾伯格的《第三類近距離接觸》影片中法國科學家的靈感來源。
J. Allen Hynek and Jacques Vallee
事實上，大多數主流科學家，甚至那些認為是政府研制的飛行器被誤認為UFO的科學家，都不願意提起不明飛行物或反重力的話題。他們應該被問一個問題：「是什麼使這些飛行器如此怪異？」「。現在我們知道，五角大樓想要揭穿UFO目擊事件，這樣他們就不必遮遮掩掩。我們也知道，1969年之後，雖然國防部聲稱已經「停止調查UFO」，但他們繼續秘密調查這些異常物體。這足以讓人們懷疑：有人有意不讓這些領域被嚴謹地進行科學研究嗎？？
第九章：結論
總之，對於如何做到非燃燒運載火箭技術以更好達到太空文明，你們已經有了一些短期和長期的想法。
就像電動汽車花了很多年才超越「內燃機」一樣，我們也需要一段時間才能超越可燃火箭並且成為進入軌道的主要方法。然而，從長遠來看，無論從成本（例如，可重復性）還是危險性，還是從我們可以運載的有效載荷來看，這都是值得的。
想像一下，如果我們因為一些迫在眉睫的災難而需要大量撤離地球，然而世界上的火箭並沒有足夠能力去運送這麼多人。這時候就不僅僅是成本的問題，而是火箭容量的問題。
像SpaceX這樣的公司依賴於億萬富翁艾倫·馬斯克自己的一億美元資金（當然，Tesla也是這樣）。雖然我們已經從政府融資轉向私人融資，但仍然沒有足夠的風險投資基金或其他人願意在這些 新髮射技術上冒險。
應該通過各種大獎來鼓勵創業者建立新火箭學及非燃運載火箭技術。事實上，安薩里大獎正是鼓勵維珍一號去發展太空船一號的一個因素。
雖然空客和克萊納·珀金斯為Spinlaunch提供資金是難得可貴的，但是這些合資企業所需要的資金將會是數億或數十億美元，並且目前無論是在天使輪（100萬或200萬美元啟動資金），還是在A輪或B輪（3000萬美元以上）的投資上，都沒有足夠的風險保證基金。
今天的火箭解決方案就像是到西部旅行的馬車，這只適合於小部分願意冒險的人，但是西部的發展是需要建立在鐵路這樣能夠可靠、正規及安全地運送大量居民的基礎上的。
對於外太空探索也是如此，但更好的運送方案還沒有被創造出來。但願有億萬富翁能讀到這篇文章並且希望我們成為擁有新太空技術的太空物種，我們需要無畏的人，他們不僅願意為過去技術的改進提供資金，而且願意真正地創造未來！
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本文經授權轉載自《浮空飛行器》微信公眾號
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