第263章 太空大炮
李水旺新一期視頻：
在我們擁有火箭之前，我們能想到的進入太空的唯一方法，就是把人從巨型大炮中發射出去，這當然是個相當荒謬的想法。所以今天我們要探討的是——哦對，把人從巨型大炮里發射出去。
我們今天的主題，可能是我們將要探討的所有發射輔助系統中概念上最簡單的一個，但同時也存在諸多工程難題，其中許多難題我們會因複雜度而略過。它還有很多別稱：質量投射器、太空炮、電磁彈射器、軌道炮、線圈炮、V型炮等等。不出所料，我更喜歡「太空炮」這個名字，因為裡面沒有字母R，而且我念「軌道炮」的時候，總會讓人聯想到我們把一頭鯨魚從巨型大炮里射出去。
不過，無論叫什麼，基本原理都是一樣的：你讓一個拋射體沿著一根長長的炮管加速，以極高的速度從炮口飛出。用於太空旅行時，這種方式的優勢在於，能讓物體達到高速，而無需火箭或機載動力系統，只在脫離大炮後進行一些機動操作即可。
它們通常還用電磁鐵代替火藥提供推力，這能讓你在全程保持平穩、恆定的加速度——這一點至關重要，因為人體無法承受普通火炮內部的那種作用力，大多數電子或機械設備也不行。這些設備通常可以比人類更耐受這種加速度，因此可以縮短炮管長度，但即便如此，和我們印象中的任何火炮相比，它依然長得驚人。
這個構想是打造一條抽成真空的長管道軌道，讓載人或載貨艙沿著軌道加速，在沒有空氣干擾的情況下不斷提速。從很多方面來說，太空炮和真空列車（比如提議中的超級高鐵）沒有區別。
像超級高鐵這樣的真空列車，面臨的一大難題是建造數百公里長的密封隧道成本極高，質量投射器也面臨同樣的問題，只不過我們需要把管道的末端抬到高空，那裡的空氣稀薄得多，位置越高越好。
雖然用電磁力推動艙體在真空隧道中運動的物理原理非常可靠，但實際工程難度要大得多。接下來我們來聊聊基本物理原理。
每當我們討論物體沿著長軌道加速時，末速度、加速度和軌道長度之間都存在一個簡單的關係。如果物體從靜止開始做勻加速運動，且不受空氣阻力（至少在理想狀態下），那麼末速度等於兩倍加速度乘以距離的平方根。
速度隨加速度或距離的平方根增加。如果你想讓末速度翻倍，就需要讓加速度變為原來的四倍，或者讓軌道長度變為原來的四倍。
我們希望加速度保持平穩恆定，且達到人和貨物能承受的最大值，這樣軌道就能更短。我們來算一下達到軌道速度7800米/秒的情況。
如果以10米/秒²的加速度（略大於1倍重力）加速，軌道長度需要約3000公里（2000英里）才能達到這個速度，整個過程大約需要13分鐘。如果你想在紐約市附近射出，軌道就得從落基山脈開始。
不過，如果你看過天鉤那一期，就會記得我們可以用天鉤把物體送入軌道，只要它能以正常速度的一半與天鉤對接，這只需要四分之一的軌道長度。即便如此，軌道依然很長，但這意味著從紐約射出的軌道，只需要從我所在的俄亥俄州開始就行。
同樣的軌道，如果把加速度提升到4倍重力，而非僅僅1倍重力，就能達到完整的軌道速度。這個加速度高得讓人不適，尤其是沒有抗荷服的時候，不過和火箭發射時乘員承受的加速度差不多。
對於固定的末速度（本例中為7800米/秒），軌道長度和加速度成反比：加速度翻倍，軌道長度減半，末速度不變；加速度翻四倍，軌道長度減為四分之一。
如果以4倍重力的加速度沿軌道加速，用於和天鉤以一半正常速度對接，軌道長度大約只需200公里，是原本設計以1倍重力將飛船加速到完整軌道速度的軌道長度的十六分之一。
這一期不是講天鉤的，我們之前已經講過了，但你能明白我為什麼喜歡把這兩種方式結合使用——它能省下大量昂貴的軌道建設成本。
當然，你可以用更高的加速度進一步縮短軌道，但人體承受能力存在極限。貨物也是如此，不過大多數貨物可以承受更短的軌道和更高的加速度。
比如子彈，在炮管內會承受數千倍重力的加速度。普通子彈在長度不足一米的炮管中加速後，以數倍音速射出，加速度通常達到10萬倍重力，是能把人壓成肉醬的加速度的一千多倍。要達到軌道速度，這種加速度只需要300米長的炮管。
不過在地球上，這種級別的加速度沒有任何優勢，因為我們需要足夠長的管道，延伸到大氣層高處，那裡的空氣阻力很小，至少要到山頂高度，而且我們更希望出口位置更高，空氣更稀薄。
我們也不想讓拋射體垂直射出，而是希望軌道長度大於高度，這樣速度主要是水平方向，而非垂直方向——這是進入軌道所需的速度方向，也是火箭升空一段距離後會側翻的原因。
我們不想在濃密的空氣中加速，也不想在濃密空氣中射出，所以必須讓出口位於空氣稀薄得多的地方。
軌道也不一定是直線，但轉彎和變向會帶來新的問題。以軌道速度轉彎時，會產生巨大的離心力，這會額外增加我們本想控制在最低水平的加速度。在軌道速度下，往往需要上千公里的轉彎半徑，才能避免被離心力壓碎。
所以你不能把軌道沿著地面鋪設，在某座山或塔上急劇向上轉向，再在頂端再次轉向保持水平。這也是我們不能讓飛船在圓形軌道上反覆盤旋加速的原因——只有本系列末尾會討論的軌道環，能讓你在那樣的尺度上繞圈加速，而不被離心力壓碎。
而且軌道環還有一個特殊優勢：可以讓你倒著運行，這樣重力會抵消一部分轉彎時感受到的力。
但我們確實希望出口位置儘可能高，這也是大量工程難題和成本的來源。
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把管道出口設在高空的原因，是讓被發射的物體脫離大氣層，避開所有摩擦和阻力。到50公里高空時，空氣密度降至正常的千分之一；到100公里高空時，不足百萬分之一。
想把任何物體送到那樣的高度並保持靜止，幾乎是不可能的。而且管道自身結構就有很大重量，更不用說磁鐵、電線和維持接近真空狀態的真空泵了——不過隨著海拔升高、空氣變稀薄，抽真空會變得更容易。
即便頂端空氣稀薄，如果沒有封堵措施，空氣還是會很快順著炮口倒灌進來。
你可以在末端裝一扇門，在拋射體即將射出時滑開。這不需要我們通常想像的、類似銀行金庫門那樣堅固的氣密艙門，因為壓力差很小，作用在艙門上的力也很小，只要密封就行，甚至一張厚塑料片就夠了。
當然，你肯定不想以15馬赫的速度撞上它，但設置一些自動安全裝置並不難，一旦正常開啟機構失靈，就可以把炮口封蓋炸飛。
不過我們還有一個相當高科技的選擇，讓人聯想到科幻作品中太空梭貨艙里常見的力場——等離子窗。
等離子窗本質上是用等離子體代替玻璃的窗口。我們可以用磁場約束等離子體，在圓柱體內形成一個平面，高溫下它與空氣的相互作用，類似油和水互不相溶，能阻止空氣穿過。
這種技術不僅在低壓下有效，在高達標準氣壓九倍的壓力下也能工作，所以在金星、木星等大氣密度大得多的星球上也可能派上用場。
它對地球上的質量投射器來說並非必需，但相當巧妙，顯然除了給巨型大炮當炮口封蓋外，還有更多用途。
當然，它和整門巨型太空炮一樣，需要消耗相當大的能量。接下來我們就聊聊能量問題。
因為能量由地面供應，所以發電端不需要什麼高科技設備。我個人偏愛核能，但只要電量充足，任何能源都可以。
對於一枚10噸重、以4倍重力加速的艙體，峰值功耗會達到數吉瓦。這是巨大的電量，堪比胡佛水壩，但絕對可行，尤其是因為它只是短暫運行——你可以用電容器、電池，或者專門配備裂變反應堆、太陽能板。
傳輸電力則更難一些，因為需要高壓線路沿著管道全程鋪設，為管道各處的磁鐵供電。這會給本就很重的管道增加額外重量，而我們還需要想辦法把管道支撐到比人類建造過的任何建築、任何山峰都高的高度。
這是一個相當大的工程難題，因為炮管要伸出地面數公里，重量是個大問題，風也是。
說到太空電梯，我們一直討論的是相當細且密度大的繩索，即使在颶風中，相比張力和重量等其他作用力，作用在繩索上的力也不算大。
但這裡我們說的是一根數米寬的空心管道，自身重量不大，卻要承受巨大的風力。不過隨著高度升高，管道不需要像底部那樣堅固，因為外部壓力降低，風力也會減弱。
所以必須想辦法把管道懸空固定，最好還能抵禦風力。
第一個也是最明顯的方案，是巨型塔架，按需要間隔布置，支撐管道，底部比頂部寬，原因我們在太空電梯那期講過。這是一種相當耗材的方案，摩天大樓造價極其昂貴，而這些塔架要高得多，但物理上是可行的。而且我們建的是塔架，不是摩天大樓，成本要低得多。
1963年建於北達科他州的KVLY電視塔，至今仍是西半球最高的建築，2010年之前一直是世界最高，直到被哈利法塔超越。不過後者在21世紀耗資數十億美元、耗時數年建成，而前者半個世紀前、技術更落後的情況下，只花了50萬美元，只用了一個月就建成了。
如今用現代材料和更高預算，我們可以建得更高，所以不要輕易否定這種更傳統的方案。
不過我還要簡單提另外兩種方案，詳細解釋會留到本系列後期。
一種是氣球，可以是懸掛管道的氣球，也可以是本身具備浮力的塔。我們已經能把氣球送到50公里高空，當然如果要承載重量，高度會低一些，但即便如此，對太空炮來說也足夠了——那裡的空氣比地面稀薄好幾個數量級，雖然仍有顯著的空氣動力學影響，但能讓物體以更高速度射出，而不會承受過大的空氣作用力。
如果不追求拋射體達到軌道速度，只需要天鉤對接速度，這是個不錯的選擇。不用說，用氣球支撐結構會面臨很多問題。
我們還有主動支撐方案，我之前提到過。詳細解釋會放在即將推出的太空塔一期，現在先簡單說明：它通過向上發射物體，讓平台或塔懸浮起來。從某種意義上說，它和質量投射器相反——地面上有一個小型投射器，向上發射高速帶電粒子，管道通過電磁力讓粒子減速，而非加速，管道獲得向上的動量，從而保持懸空。切斷粒子流，管道就會下落，這也是「主動支撐」的由來。
不過別以為這會讓管道猛地砸向地面，我們說的就是用來加速艙體的那根空心管道，只是更薄一些，稍後我們會看到這相當安全。
首先我們來聊聊在地球以外使用這種技術。本系列主要聚焦於脫離地球，所以今天大部分內容都圍繞地球展開，但和其他期一樣，我想花幾分鐘聊聊在地球以外的星球使用這項技術。
在月球、小行星等無大氣天體上，這是運輸大宗金屬的絕佳方式。我們可以在月球上建造大型金屬加工廠，把產品運回地球軌道，成本可能比從地球發射低得多。
這裡也是發射遠征飛船的理想地點，因為引力極小，且沒有空氣消耗初始燃料。而且在那裡建造設施成本低得多。
月球和其他類似天體引力小，所以搭建炮管支架更容易，甚至不需要搭建——我們把炮管抬高是為了避開大氣層，減少飛船或拋射體受到的摩擦和阻力，而大多數低引力天體幾乎沒有大氣層。
不過土星的衛星土衛六是個例外，它的引力只有地球的14%，逃逸速度僅2600米/秒，是地球的23%；但它的大氣層比地球濃密得多。所以土衛六是建造地球式設備的理想地點，更低的引力讓建造更輕鬆，金星可以說也是如此。
有趣的是，這兩個星球都富含氮——氮在太陽系其他地方並不豐富，卻是建造地外居住空間的關鍵物質，無論是改造商場之類的場所、在月球和小行星上建造棲息地，還是在太空中自由漂浮的旋轉棲息地都需要。
所以我完全可以預見，金星和土衛六會發展出以太空炮為核心的大型出口產業，把裝滿加壓氮氣的巨型薄壁艙體射向太陽系其他地方。考慮到任何大型項目所需的氮氣量，用「大炮」來比喻再合適不過了，因為發射艙體的頻率可能和機關槍差不多。
在無大氣的月球或小行星上，這種設備效果極佳：沒有空氣摩擦，也不需要堅固的隧道結構來維持真空，就像一條鋪設在地表的鐵軌，提供電力和反推力，直到速度足夠高，就能釋放艙體，讓它飛入軌道。
但在金星這樣有濃密大氣層的星球，而且我們主要想開採的就是大氣資源時，可以考慮把整個太空炮放在氣球上，懸浮在高層大氣中。這個氣球方案我們會在後續一期詳細講解。
浮力在氣態巨行星上效果不太好，因為它們主要由氫和氦組成，也就是我們在地球上用來讓飛艇升空的氣體，但飛行依然可行。
不固定在地面的太空炮還有一個問題：後坐力會把它向後推。
開採氣態巨行星的主要原因，是擁有聚變經濟，而且是規模極大的聚變經濟——因為聚變雖然用氫，但消耗量極小，一小罐氫產生的能量就相當於一艘油輪。
氫還有很多其他用途，比如製造水或氨，但這些物質在太陽系外側的冰質天體上儲量豐富，而且不需要克服巨大的引力井就能獲取。所以只有當能源需求比現在高數百萬倍時，我們才會開始開採氣態巨行星的氫。
不過如果真的擁有這樣的聚變經濟，就可以用大氣中的氣體為太空炮供能，讓它把壓縮氫艙體射向太空，同時作為自身的推進劑，保持自身位置穩定。
不難想像，巨型太空炮帶著巨大的機翼，向太空噴射壓縮氣體作為噴氣推力，維持懸浮狀態。
最後，它們在任何天體的軌道上都很有用，尤其是太陽能充足的地方，可用於將飛船射出引力井，和我們在其他期講過的天鉤或太空電梯配合使用。
軌道質量投射器可能只需要一根提供電力的繫繩和一個反推裝置，就能讓飛船高速飛向太陽系。
質量投射器也不一定是剛性物體，可能只是一根載有電流的繩索，一端有磁鐵，用來抓住駛來的飛船，飛船再利用這根繩索減速、獲取電力並獲得反推力，有點像從繩索旁墜落，抓住繩索減速——就像滑索，只不過用磁鐵代替靴子和手套。
同樣的方法也可以用在太空中的大炮上：先射出繫繩，讓飛船沿其運動，完成後再收回，這樣可以在短時間內以任意角度部署，不會在太空中留下雜物。
我們大多想到用它們來提升速度，但它們也可以像天鉤一樣用來減速，天鉤還可以用來發電，而非恢復動量，或者用來讓物體減速，緩慢進入大氣層。
還要說明的是，驅動這些設備不一定非要用電磁力，但在大多數情況下，電磁力似乎是最佳選擇。我們可以在艙體背面安裝高反射層，讓雷射或微波來回反射，實現加速，就像我們在《星際高速公路》那看到的一樣。
在某些情況下，輕氣炮方案也適用——用最便宜、最安全的方式完成任務就行，而目前看來，電磁推進是最佳選擇。
接下來我們聊聊安全性。正如「炮」這個名字所暗示的，這類技術顯然可以武器化，但太空炮在這方面的安全風險並不大。
為送入軌道建造的太空炮，不太可能被劫持用來轟擊城市；雖然把它改裝成發射巨型炮彈的火炮確實可行，但過程耗時費力，邏輯上也不划算。想把炸彈送到任何地方，有更容易的方法。
和我們討論過的其他系統一樣，它們也可能遭遇事故或恐怖襲擊，但正如我們之前提到的，可以配備降落傘和爆炸裝置，讓受損分段緩慢落回地面。
不過它們可能比太空電梯或天鉤更重，而且沒有任何分段會在重返大氣層時燒毀，所以如果沒有減速就落地，會對正下方造成一定破壞，就像倒塌的橋樑一樣。
因此，把管道大部分建在人口稀少的地區是個好主意，而且較短的管道通常末端在山頂，你也可以把它建在海洋中。
這不算太大的問題，而且我們說的也不是整根管道倒塌，只是兩個塔架或氣球之間的分段。建造時一定會設計可分離分段，用爆炸螺栓斷開，塔架也是如此——如果用氣球懸空，也要能拆成小塊，讓它們側向飄落，用降落傘減速。
即便沒有這些裝置，巨大的空心管道或細塔架落地時，速度和質量也不會造成毀滅性衝擊。當然，你肯定不想把它們建在人口密集區，但發射站可以設在城市裡，因為發射站在地面，發射過程既不會很吵，也不會有危險。
所以和太空電梯一樣，它可以從人口密集區直接發射，讓進入太空變得有點像乘坐加長的地鐵或火車。
管道受損並沒有有些人暗示的那麼嚴重，超級高鐵也是如此，原因相同。管道上的小孔不會導致空氣劇烈對流。
在高空，這個問題更小，因為那裡的氣壓只有地面的極小一部分。在艙體後方炸出一個洞不會有任何影響，因為空氣來不及追上艙體造成麻煩；如果在前方炸出洞，需要很大的洞才能讓足夠多的空氣快速湧入，造成嚴重問題。
這種情況下，只需要讓艙體在受損分段處啟動推進器，留出足夠空間避開受損部分，然後滑翔落地即可。
而且泄漏最快的地方大多在地面附近，那裡氣壓更高，也是泄漏影響最小的地方。軌道最初幾公里的速度不算特別快，所以緩慢漏氣不會造成太大阻礙。
成本方面，這種設備造價相當高。超級高鐵的預估成本約為60億美元，而我們還需要把整個管道抬高，估算成本很難，也很大程度上取決於建造方式。
但超級高鐵的預估成本可以作為最低參考價，不包括更短、海拔更低、用於高加速度發射貨艙的版本。
最著名的質量投射器設計名為「星際纜車」，他們提出了相當可靠的方案和成本估算，我們來看看。
星際纜車第一代方案預估成本190億美元，設計用於無人艙體，沿130公里長的隧道以30倍重力加速，從山頂射出。
第二代方案是1000公里長的管道，出口海拔22公里，以3倍重力搭載乘客，預估成本670億美元。
兩個版本將有效載荷送入太空的成本都略高於每公斤100美元，遠低於當前發射成本，不過仍高於太空電梯。
我尤其喜歡星際纜車1.5代方案的變體：這種太空炮把高超音速飛機以實用範圍內的最高速度和高度射出，然後與性能最佳的天鉤對接。
這是一個三步流程，代表了當下我們若有需要就能建造、以低成本將大量貨物送入軌道的最佳方式。
當然，它的每公斤發射成本遠低於傳統火箭，而我們現在已經不再專注於傳統火箭了。
在我們擁有火箭之前，我們能想到的進入太空的唯一方法，就是把人從巨型大炮中發射出去，這當然是個相當荒謬的想法。所以今天我們要探討的是——哦對，把人從巨型大炮里發射出去。
我們今天的主題，可能是我們將要探討的所有發射輔助系統中概念上最簡單的一個，但同時也存在諸多工程難題，其中許多難題我們會因複雜度而略過。它還有很多別稱：質量投射器、太空炮、電磁彈射器、軌道炮、線圈炮、V型炮等等。不出所料，我更喜歡「太空炮」這個名字，因為裡面沒有字母R，而且我念「軌道炮」的時候，總會讓人聯想到我們把一頭鯨魚從巨型大炮里射出去。
不過，無論叫什麼，基本原理都是一樣的：你讓一個拋射體沿著一根長長的炮管加速，以極高的速度從炮口飛出。用於太空旅行時，這種方式的優勢在於，能讓物體達到高速，而無需火箭或機載動力系統，只在脫離大炮後進行一些機動操作即可。
它們通常還用電磁鐵代替火藥提供推力，這能讓你在全程保持平穩、恆定的加速度——這一點至關重要，因為人體無法承受普通火炮內部的那種作用力，大多數電子或機械設備也不行。這些設備通常可以比人類更耐受這種加速度，因此可以縮短炮管長度，但即便如此，和我們印象中的任何火炮相比，它依然長得驚人。
這個構想是打造一條抽成真空的長管道軌道，讓載人或載貨艙沿著軌道加速，在沒有空氣干擾的情況下不斷提速。從很多方面來說，太空炮和真空列車（比如提議中的超級高鐵）沒有區別。
像超級高鐵這樣的真空列車，面臨的一大難題是建造數百公里長的密封隧道成本極高，質量投射器也面臨同樣的問題，只不過我們需要把管道的末端抬到高空，那裡的空氣稀薄得多，位置越高越好。
雖然用電磁力推動艙體在真空隧道中運動的物理原理非常可靠，但實際工程難度要大得多。接下來我們來聊聊基本物理原理。
每當我們討論物體沿著長軌道加速時，末速度、加速度和軌道長度之間都存在一個簡單的關係。如果物體從靜止開始做勻加速運動，且不受空氣阻力（至少在理想狀態下），那麼末速度等於兩倍加速度乘以距離的平方根。
速度隨加速度或距離的平方根增加。如果你想讓末速度翻倍，就需要讓加速度變為原來的四倍，或者讓軌道長度變為原來的四倍。
我們希望加速度保持平穩恆定，且達到人和貨物能承受的最大值，這樣軌道就能更短。我們來算一下達到軌道速度7800米/秒的情況。
如果以10米/秒²的加速度（略大於1倍重力）加速，軌道長度需要約3000公里（2000英里）才能達到這個速度，整個過程大約需要13分鐘。如果你想在紐約市附近射出，軌道就得從落基山脈開始。
不過，如果你看過天鉤那一期，就會記得我們可以用天鉤把物體送入軌道，只要它能以正常速度的一半與天鉤對接，這只需要四分之一的軌道長度。即便如此，軌道依然很長，但這意味著從紐約射出的軌道，只需要從我所在的俄亥俄州開始就行。
同樣的軌道，如果把加速度提升到4倍重力，而非僅僅1倍重力，就能達到完整的軌道速度。這個加速度高得讓人不適，尤其是沒有抗荷服的時候，不過和火箭發射時乘員承受的加速度差不多。
對於固定的末速度（本例中為7800米/秒），軌道長度和加速度成反比：加速度翻倍，軌道長度減半，末速度不變；加速度翻四倍，軌道長度減為四分之一。
如果以4倍重力的加速度沿軌道加速，用於和天鉤以一半正常速度對接，軌道長度大約只需200公里，是原本設計以1倍重力將飛船加速到完整軌道速度的軌道長度的十六分之一。
這一期不是講天鉤的，我們之前已經講過了，但你能明白我為什麼喜歡把這兩種方式結合使用——它能省下大量昂貴的軌道建設成本。
當然，你可以用更高的加速度進一步縮短軌道，但人體承受能力存在極限。貨物也是如此，不過大多數貨物可以承受更短的軌道和更高的加速度。
比如子彈，在炮管內會承受數千倍重力的加速度。普通子彈在長度不足一米的炮管中加速後，以數倍音速射出，加速度通常達到10萬倍重力，是能把人壓成肉醬的加速度的一千多倍。要達到軌道速度，這種加速度只需要300米長的炮管。
不過在地球上，這種級別的加速度沒有任何優勢，因為我們需要足夠長的管道，延伸到大氣層高處，那裡的空氣阻力很小，至少要到山頂高度，而且我們更希望出口位置更高，空氣更稀薄。
我們也不想讓拋射體垂直射出，而是希望軌道長度大於高度，這樣速度主要是水平方向，而非垂直方向——這是進入軌道所需的速度方向，也是火箭升空一段距離後會側翻的原因。
我們不想在濃密的空氣中加速，也不想在濃密空氣中射出，所以必須讓出口位於空氣稀薄得多的地方。
軌道也不一定是直線，但轉彎和變向會帶來新的問題。以軌道速度轉彎時，會產生巨大的離心力，這會額外增加我們本想控制在最低水平的加速度。在軌道速度下，往往需要上千公里的轉彎半徑，才能避免被離心力壓碎。
所以你不能把軌道沿著地面鋪設，在某座山或塔上急劇向上轉向，再在頂端再次轉向保持水平。這也是我們不能讓飛船在圓形軌道上反覆盤旋加速的原因——只有本系列末尾會討論的軌道環，能讓你在那樣的尺度上繞圈加速，而不被離心力壓碎。
而且軌道環還有一個特殊優勢：可以讓你倒著運行，這樣重力會抵消一部分轉彎時感受到的力。
但我們確實希望出口位置儘可能高，這也是大量工程難題和成本的來源。
本書首發𝙏𝙒看書網→𝙨𝙝𝙪.𝙩𝙬,提供給你無錯章節，無亂序章節的閱讀體驗
把管道出口設在高空的原因，是讓被發射的物體脫離大氣層，避開所有摩擦和阻力。到50公里高空時，空氣密度降至正常的千分之一；到100公里高空時，不足百萬分之一。
想把任何物體送到那樣的高度並保持靜止，幾乎是不可能的。而且管道自身結構就有很大重量，更不用說磁鐵、電線和維持接近真空狀態的真空泵了——不過隨著海拔升高、空氣變稀薄，抽真空會變得更容易。
即便頂端空氣稀薄，如果沒有封堵措施，空氣還是會很快順著炮口倒灌進來。
你可以在末端裝一扇門，在拋射體即將射出時滑開。這不需要我們通常想像的、類似銀行金庫門那樣堅固的氣密艙門，因為壓力差很小，作用在艙門上的力也很小，只要密封就行，甚至一張厚塑料片就夠了。
當然，你肯定不想以15馬赫的速度撞上它，但設置一些自動安全裝置並不難，一旦正常開啟機構失靈，就可以把炮口封蓋炸飛。
不過我們還有一個相當高科技的選擇，讓人聯想到科幻作品中太空梭貨艙里常見的力場——等離子窗。
等離子窗本質上是用等離子體代替玻璃的窗口。我們可以用磁場約束等離子體，在圓柱體內形成一個平面，高溫下它與空氣的相互作用，類似油和水互不相溶，能阻止空氣穿過。
這種技術不僅在低壓下有效，在高達標準氣壓九倍的壓力下也能工作，所以在金星、木星等大氣密度大得多的星球上也可能派上用場。
它對地球上的質量投射器來說並非必需，但相當巧妙，顯然除了給巨型大炮當炮口封蓋外，還有更多用途。
當然，它和整門巨型太空炮一樣，需要消耗相當大的能量。接下來我們就聊聊能量問題。
因為能量由地面供應，所以發電端不需要什麼高科技設備。我個人偏愛核能，但只要電量充足，任何能源都可以。
對於一枚10噸重、以4倍重力加速的艙體，峰值功耗會達到數吉瓦。這是巨大的電量，堪比胡佛水壩，但絕對可行，尤其是因為它只是短暫運行——你可以用電容器、電池，或者專門配備裂變反應堆、太陽能板。
傳輸電力則更難一些，因為需要高壓線路沿著管道全程鋪設，為管道各處的磁鐵供電。這會給本就很重的管道增加額外重量，而我們還需要想辦法把管道支撐到比人類建造過的任何建築、任何山峰都高的高度。
這是一個相當大的工程難題，因為炮管要伸出地面數公里，重量是個大問題，風也是。
說到太空電梯，我們一直討論的是相當細且密度大的繩索，即使在颶風中，相比張力和重量等其他作用力，作用在繩索上的力也不算大。
但這裡我們說的是一根數米寬的空心管道，自身重量不大，卻要承受巨大的風力。不過隨著高度升高，管道不需要像底部那樣堅固，因為外部壓力降低，風力也會減弱。
所以必須想辦法把管道懸空固定，最好還能抵禦風力。
第一個也是最明顯的方案，是巨型塔架，按需要間隔布置，支撐管道，底部比頂部寬，原因我們在太空電梯那期講過。這是一種相當耗材的方案，摩天大樓造價極其昂貴，而這些塔架要高得多，但物理上是可行的。而且我們建的是塔架，不是摩天大樓，成本要低得多。
1963年建於北達科他州的KVLY電視塔，至今仍是西半球最高的建築，2010年之前一直是世界最高，直到被哈利法塔超越。不過後者在21世紀耗資數十億美元、耗時數年建成，而前者半個世紀前、技術更落後的情況下，只花了50萬美元，只用了一個月就建成了。
如今用現代材料和更高預算，我們可以建得更高，所以不要輕易否定這種更傳統的方案。
不過我還要簡單提另外兩種方案，詳細解釋會留到本系列後期。
一種是氣球，可以是懸掛管道的氣球，也可以是本身具備浮力的塔。我們已經能把氣球送到50公里高空，當然如果要承載重量，高度會低一些，但即便如此，對太空炮來說也足夠了——那裡的空氣比地面稀薄好幾個數量級，雖然仍有顯著的空氣動力學影響，但能讓物體以更高速度射出，而不會承受過大的空氣作用力。
如果不追求拋射體達到軌道速度，只需要天鉤對接速度，這是個不錯的選擇。不用說，用氣球支撐結構會面臨很多問題。
我們還有主動支撐方案，我之前提到過。詳細解釋會放在即將推出的太空塔一期，現在先簡單說明：它通過向上發射物體，讓平台或塔懸浮起來。從某種意義上說，它和質量投射器相反——地面上有一個小型投射器，向上發射高速帶電粒子，管道通過電磁力讓粒子減速，而非加速，管道獲得向上的動量，從而保持懸空。切斷粒子流，管道就會下落，這也是「主動支撐」的由來。
不過別以為這會讓管道猛地砸向地面，我們說的就是用來加速艙體的那根空心管道，只是更薄一些，稍後我們會看到這相當安全。
首先我們來聊聊在地球以外使用這種技術。本系列主要聚焦於脫離地球，所以今天大部分內容都圍繞地球展開，但和其他期一樣，我想花幾分鐘聊聊在地球以外的星球使用這項技術。
在月球、小行星等無大氣天體上，這是運輸大宗金屬的絕佳方式。我們可以在月球上建造大型金屬加工廠，把產品運回地球軌道，成本可能比從地球發射低得多。
這裡也是發射遠征飛船的理想地點，因為引力極小，且沒有空氣消耗初始燃料。而且在那裡建造設施成本低得多。
月球和其他類似天體引力小，所以搭建炮管支架更容易，甚至不需要搭建——我們把炮管抬高是為了避開大氣層，減少飛船或拋射體受到的摩擦和阻力，而大多數低引力天體幾乎沒有大氣層。
不過土星的衛星土衛六是個例外，它的引力只有地球的14%，逃逸速度僅2600米/秒，是地球的23%；但它的大氣層比地球濃密得多。所以土衛六是建造地球式設備的理想地點，更低的引力讓建造更輕鬆，金星可以說也是如此。
有趣的是，這兩個星球都富含氮——氮在太陽系其他地方並不豐富，卻是建造地外居住空間的關鍵物質，無論是改造商場之類的場所、在月球和小行星上建造棲息地，還是在太空中自由漂浮的旋轉棲息地都需要。
所以我完全可以預見，金星和土衛六會發展出以太空炮為核心的大型出口產業，把裝滿加壓氮氣的巨型薄壁艙體射向太陽系其他地方。考慮到任何大型項目所需的氮氣量，用「大炮」來比喻再合適不過了，因為發射艙體的頻率可能和機關槍差不多。
在無大氣的月球或小行星上，這種設備效果極佳：沒有空氣摩擦，也不需要堅固的隧道結構來維持真空，就像一條鋪設在地表的鐵軌，提供電力和反推力，直到速度足夠高，就能釋放艙體，讓它飛入軌道。
但在金星這樣有濃密大氣層的星球，而且我們主要想開採的就是大氣資源時，可以考慮把整個太空炮放在氣球上，懸浮在高層大氣中。這個氣球方案我們會在後續一期詳細講解。
浮力在氣態巨行星上效果不太好，因為它們主要由氫和氦組成，也就是我們在地球上用來讓飛艇升空的氣體，但飛行依然可行。
不固定在地面的太空炮還有一個問題：後坐力會把它向後推。
開採氣態巨行星的主要原因，是擁有聚變經濟，而且是規模極大的聚變經濟——因為聚變雖然用氫，但消耗量極小，一小罐氫產生的能量就相當於一艘油輪。
氫還有很多其他用途，比如製造水或氨，但這些物質在太陽系外側的冰質天體上儲量豐富，而且不需要克服巨大的引力井就能獲取。所以只有當能源需求比現在高數百萬倍時，我們才會開始開採氣態巨行星的氫。
不過如果真的擁有這樣的聚變經濟，就可以用大氣中的氣體為太空炮供能，讓它把壓縮氫艙體射向太空，同時作為自身的推進劑，保持自身位置穩定。
不難想像，巨型太空炮帶著巨大的機翼，向太空噴射壓縮氣體作為噴氣推力，維持懸浮狀態。
最後，它們在任何天體的軌道上都很有用，尤其是太陽能充足的地方，可用於將飛船射出引力井，和我們在其他期講過的天鉤或太空電梯配合使用。
軌道質量投射器可能只需要一根提供電力的繫繩和一個反推裝置，就能讓飛船高速飛向太陽系。
質量投射器也不一定是剛性物體，可能只是一根載有電流的繩索，一端有磁鐵，用來抓住駛來的飛船，飛船再利用這根繩索減速、獲取電力並獲得反推力，有點像從繩索旁墜落，抓住繩索減速——就像滑索，只不過用磁鐵代替靴子和手套。
同樣的方法也可以用在太空中的大炮上：先射出繫繩，讓飛船沿其運動，完成後再收回，這樣可以在短時間內以任意角度部署，不會在太空中留下雜物。
我們大多想到用它們來提升速度，但它們也可以像天鉤一樣用來減速，天鉤還可以用來發電，而非恢復動量，或者用來讓物體減速，緩慢進入大氣層。
還要說明的是，驅動這些設備不一定非要用電磁力，但在大多數情況下，電磁力似乎是最佳選擇。我們可以在艙體背面安裝高反射層，讓雷射或微波來回反射，實現加速，就像我們在《星際高速公路》那看到的一樣。
在某些情況下，輕氣炮方案也適用——用最便宜、最安全的方式完成任務就行，而目前看來，電磁推進是最佳選擇。
接下來我們聊聊安全性。正如「炮」這個名字所暗示的，這類技術顯然可以武器化，但太空炮在這方面的安全風險並不大。
為送入軌道建造的太空炮，不太可能被劫持用來轟擊城市；雖然把它改裝成發射巨型炮彈的火炮確實可行，但過程耗時費力，邏輯上也不划算。想把炸彈送到任何地方，有更容易的方法。
和我們討論過的其他系統一樣，它們也可能遭遇事故或恐怖襲擊，但正如我們之前提到的，可以配備降落傘和爆炸裝置，讓受損分段緩慢落回地面。
不過它們可能比太空電梯或天鉤更重，而且沒有任何分段會在重返大氣層時燒毀，所以如果沒有減速就落地，會對正下方造成一定破壞，就像倒塌的橋樑一樣。
因此，把管道大部分建在人口稀少的地區是個好主意，而且較短的管道通常末端在山頂，你也可以把它建在海洋中。
這不算太大的問題，而且我們說的也不是整根管道倒塌，只是兩個塔架或氣球之間的分段。建造時一定會設計可分離分段，用爆炸螺栓斷開，塔架也是如此——如果用氣球懸空，也要能拆成小塊，讓它們側向飄落，用降落傘減速。
即便沒有這些裝置，巨大的空心管道或細塔架落地時，速度和質量也不會造成毀滅性衝擊。當然，你肯定不想把它們建在人口密集區，但發射站可以設在城市裡，因為發射站在地面，發射過程既不會很吵，也不會有危險。
所以和太空電梯一樣，它可以從人口密集區直接發射，讓進入太空變得有點像乘坐加長的地鐵或火車。
管道受損並沒有有些人暗示的那麼嚴重，超級高鐵也是如此，原因相同。管道上的小孔不會導致空氣劇烈對流。
在高空，這個問題更小，因為那裡的氣壓只有地面的極小一部分。在艙體後方炸出一個洞不會有任何影響，因為空氣來不及追上艙體造成麻煩；如果在前方炸出洞，需要很大的洞才能讓足夠多的空氣快速湧入，造成嚴重問題。
這種情況下，只需要讓艙體在受損分段處啟動推進器，留出足夠空間避開受損部分，然後滑翔落地即可。
而且泄漏最快的地方大多在地面附近，那裡氣壓更高，也是泄漏影響最小的地方。軌道最初幾公里的速度不算特別快，所以緩慢漏氣不會造成太大阻礙。
成本方面，這種設備造價相當高。超級高鐵的預估成本約為60億美元，而我們還需要把整個管道抬高，估算成本很難，也很大程度上取決於建造方式。
但超級高鐵的預估成本可以作為最低參考價，不包括更短、海拔更低、用於高加速度發射貨艙的版本。
最著名的質量投射器設計名為「星際纜車」，他們提出了相當可靠的方案和成本估算，我們來看看。
星際纜車第一代方案預估成本190億美元，設計用於無人艙體，沿130公里長的隧道以30倍重力加速，從山頂射出。
第二代方案是1000公里長的管道，出口海拔22公里，以3倍重力搭載乘客，預估成本670億美元。
兩個版本將有效載荷送入太空的成本都略高於每公斤100美元，遠低於當前發射成本，不過仍高於太空電梯。
我尤其喜歡星際纜車1.5代方案的變體：這種太空炮把高超音速飛機以實用範圍內的最高速度和高度射出，然後與性能最佳的天鉤對接。
這是一個三步流程，代表了當下我們若有需要就能建造、以低成本將大量貨物送入軌道的最佳方式。
當然，它的每公斤發射成本遠低於傳統火箭，而我們現在已經不再專注於傳統火箭了。