[{"content":" 值得称道的是，他没有质疑她。就在一瞬间，重力消失了，“罗西”的爱泼斯坦引擎推力降到零。她的抗压座椅猛地撞向一侧，姿态机动推进器带来的剧烈旋转把他们甩了过去。安装在龙骨上的定制轨道炮开火时，整艘船都猛地一震。那是“罗西”唯一一件不属于火星轻护卫舰标准配置的武器。旋转继续，直到他们重新回到原来的航线上；随后，爱泼斯坦引擎重新启动，十个 g 的加速度把她狠狠压回座椅，同时反向推进器消除了旋转。\n—— The Expanse: 6 Babylon\u0026rsquo;s Ashes\n我已经不记得是如何了解到《The Expanse》（苍穹浩瀚，太空无垠）这部美剧。刚开始的时候，我对它也没啥感觉，似乎那就是一部冒险类的美剧。现在回头看，可能是因为它太真实了。当一部科幻作品真实到我这个老科幻迷差点没把它当科幻，说明我对于科幻的认知又回到了少儿时代。这部剧（和藏在它背后的一整套作品）让我突然之间明白，太空歌剧作品也可以建立在真实的已知的物理学基础之上，而不是拿“设定”来堵上各种无法自圆的漏洞。在晦涩乏味的真实物理学面前，想象力是永远是最大的羁绊。\n真实的世界是最无趣的。当科幻创作者把自己限制在真实世界里的时候，他会面临巨大的挑战。库布里克和他那伟大的《2001》1让几乎每一个观众陷入沉睡。所以，妥协是不可避免的。我们会在网上看到很多关于《The Expanse》在物理、技术、工程等等很多方面的问题。谈到《The Expanse》科技背景的几乎每一篇文章，每一条视频，都会在一开头就讲述太空战舰没有几千平方米的散热片是多么不科学2，或者“Epstein Drive”（爱泼斯坦推进器）的比冲3要求是多么不现实，等等。不过，想象一下，一艘战舰，像只蝴蝶一样展开几千平方米的两片翅膀拼命地进行着剧烈的机动，观众显然不会买账的。而两艘战舰按照物理学，缓慢而优雅地相互追逐，观众肯定也不会喜欢。所以，“设定”就成了救命稻草。\n《The Expanse》的确有不少违背现有已知物理学的“设定”。不过，并不是散热片。比较明显的一个问题是，在没有未知“黑科技”的支持下，轨道炮4是无法作为主炮用于作战的（确切地说，是没有实用价值）。 这个说法有些违反直觉。但是，它却是物理学带来的结果。我大概能猜到作者们的想法：既然要真实，并且符合物理学，那么引入现代已经接近成熟的武器，自然是非常安全的。不过，显然他们没有真正仔细计算过。\n现在人类在地球上用的主要武器，按照作用机理差不多就是：1、动能：子弹、穿甲弹等等；2、化学能：榴弹、炸弹等等；3、核能：原子弹和氢弹。其他的化学武器和生物武器之类的使用条件都比较苛刻，通用性不强，在太空里也没法用，这就略过。这三种类别的武器里面，化学能在太空里作用很小。因为太空里没有空气，炸药的那点能量无法传播。最终只能退化到动能，依靠爆炸推动弹片攻击目标。不过，无论是单片数量、还是杀伤力，都削弱很多。核弹比化学能稍微好一点。没有空气传播冲击波，但是有辐射。核弹产生的各种类型的辐射能在近距离上产生强烈的杀伤。但是，杀伤力随着距离以平方反比的方式迅速下降5。或许核爆产生的强烈电磁波烧毁电子电气系统的能力还更强些。在更远的距离上，核弹杀伤力可能还不如炸弹。因为核弹爆炸时基本上就把自己气化了，没有够大的弹片来传递动能。\n于是，最后真正有效果的就只有动能武器了。在当今军事装备里，动能武器里威力最大的，应该就是轨道炮了。现在的轨道炮能够把一枚10kg的弹丸加速到差不多2.5km/s的速度。弹丸能够携带着30MJ的能量扑向目标。能够打击200海里外的目标，穿透任何坦克装甲。在虚空的太空中，轨道炮显然是更恰当的武器。\n凭直觉是这样。不过，我们得算。《The Expanse》的背景里，人类已经扩散到了大半个太阳系。月球上形成了城市群，成为了地球的一个“外省”；火星上已经住满了人，成立了独立政权；小行星带里，人类住满了能住人的小行星；甚至在木卫三上建立了粮食基地。这就意味着人类的活动范围将以百万公里为单位计算。在这样的空间尺度上，在这样的经济关系下，太阳系大小各天体之间的往来都可以在数天到数周的时间内完成。简单算一下就能知道，飞船需要以0.1～0.3g6的加速度持续航行，才能满足需要。在《The Expanse》里，这不是什么问题。背景设定里，各类飞船在爱泼斯坦推进器的帮助下，都能随意达到2、3g以上的长时间加速能力。甚至连庞大笨重的运冰船都能给人带来难以坚持的过载。再简单计算一下还能知道，哪怕0.1g的持续加速的情况下，中途最大的速度将会达到几百km/s。\n举个例子，一艘战舰以对人最友好的加速度1g加速，半小时后达到17.65km/s。我们再换一个更贴合《The Expanse》设定的加速度——5g。在《The Expanse》中，战舰具有极强的加速能力，强到把人紧紧地按在座椅上，需要依靠外来的药物激励才能保证正常的呼吸。5g是达到这种效果的底线。5g加速10分钟，可以达到29.42km/s。现在，我们再回过头看轨道炮，2.5km/s，是不是显得很可笑？\n当然，事情没那么简单。如果目标以30km/s的速度直直地飞过来，哪怕在它的路径上放一颗静止的弹珠，只要撞上就能造成很大的破坏（高速下，谁撞谁已经不重要了）。所以，我们可以通过仔细的计算，得到一个合适的发射角，用2.5km/s发射一个弹丸。这颗弹丸可以同目标在同一时间到达空间中同一个点。这就命中了。\n接下来，更复杂的情况来了。假设目标的飞行方向垂直于射击线，并且计算出来的拦截点在100km外，2.5km/s的弹丸需要飞行40秒钟。目标在发现你的弹丸出膛的时候，开始拼命加速，比如用5g。在弹丸到达预计拦截点的时候，目标的速度比原来高出1.96km/s，并且已经越过拦截点39.2km。即便目标用非常温柔的0.1g加速，届时也已经增加了39.23m/s，已经在784.5m之外了。如果目标更加机敏，它还有更有效的办法——稍稍改变速度方向就可以更轻松地躲开攻击。2.5km/s显然不是一个合适的战斗速度。\n我知道，我知道。在《The Expanse》的时代，核聚变都已经上天入地，轨道炮怎么可能只有区区2.5km/s呢？这话不错，所以我们的讨论必须要调整。怎么调整呢？不太容易。我们不可能确切知道未来世界的技术水平，没法确切知道那时候轨道炮的技术性能。不过，我们有办法。\n其实，不复杂。面对《The Expanse》我们有一个锚7——核聚变。在那个时代，核聚变非但已经实现、投入实用，而且还达到极高的效率，能让飞船长时间往返于太阳系的各色天体，如同我们现在的海上船舶。我们可以通过分析和计算明确达到这样的水平所需的技术水平。很显然，那个时代的轨道炮技术也应该达到相当的水平。实际上，轨道炮跟核聚变会共享不少相关技术，比如超导、高能脉冲电源、热管理、高端材料等等。所以，根据《The Expanse》背景时代的锚点技术来推测某一项事物的特性，是颇为扎实可靠的。为了方便讨论，我将这种方法称为“时代平行比较”。\n不过，还有个问题。我们如何知道锚点技术确切的水平呢？有两个参考点：第一，达到时代背景中所描述的锚点技术所需的水平。比如，我们可以从Epstein Drive的描写上推断出它的技术指标，然后通过分析和计算获得相关技术所需要的水平。第二，为了防止推断的结果过于乐观，需要通过更加严谨的方法做独立分析。这种方法先把某项技术当前的水平作为锚点，然后从已知的物理学上推导出它的极限。最后，根据技术发展的一般性规律，推测时代背景下被讨论技术能在多大程度上接近物理极限。两个方向结合起来，可以比较确切地框出一项技术的相对可靠的水平。这两个参考点所用的方法，我分别称其为“设定解析”和“未来三步评估”。\n如果《The Expanse》的时代成真，电磁炮究竟能够达到什么样的水平？这个水平是否能够满足书/剧中所描述的战术场景呢？我们抄起未来三步法评估法、设定解析法和时代平行比较法来具体分析。\n首先，我们得把轨道炮拆了，具体分解成若干可以分析的组成部分。轨道炮肯定有轨道，对吧。两根长长的平行轨道，弹头夹在轨道之间，输入巨大的电流之后，在电磁力的作用下飞出导轨。然后还有供能系统，包括电源、开关、汇流、诊断控制等等系统。再有炮弹。再有支撑结构。再有热管理。最后还有诊断和控制系统。\n这些系统投射到时代背景下的核聚变系统上，我们就大体能知道轨道炮的技术水平。这里面涉及到超导电磁体的发展、储能技术的提升、开关和能量释放控制的进步、承力结构的强化等等方面。经过一系列的反复推演、计算和修正，我们大致可以确定，在《The Expanse》的时代背景下，电磁炮能够把1-5kg的弹头以70～100km/s发射出去。这很好，不是吗？没那么简单。首先，《The Expanse》里面说的是轨道炮，不是电磁炮。这是有差别的。具体来讲，轨道炮是电磁炮的一种。是最简单的那种。现实世界的物理学中，轨道炮有两个大问题。一个是轨道炮在理论上就是低效率的，通常只有50%的电能可以被转换成弹丸的动能。理论上倒是可以通过调整电流的变化曲线，比如弹丸出膛时电流正好是0等方法，把效率提高到50%以上。还可以在弹丸出膛后通过某些装置回收残余的磁能。不过那都很难，并且和弹丸的电磁推力需求相矛盾。再一个问题，就是更加致命的。轨道炮的弹丸必须接触轨道。它必须要有一个电枢在导轨之间形成回路。通常使用的是等离子体电枢。等离子体有强烈的侵蚀性，会不断刨削轨道。目前的电磁炮的轨道打那么几炮就废掉了。这也就是轨道炮在经历了几十年的发展后，始终没能投入实用的核心原因。在未来的时代背景之下，材料肯定会有长足进步。但是，这些进步更多的是集中在强度、硬度之类机械性能方面的提升，顶多在抗化学腐蚀性方面有很大的升级。但在面对1、2万度的，带有强烈侵蚀性的等离子体的时候，物理天花板是很低的。轨道炮弹丸的电枢本质上就是一道承载着上千万安培电流的电弧，会不断熔化、蒸发轨道材料。等离子体中四处乱窜的高温离子会疯狂冲刷轨道表面，将其激发成一层炽热的电浆。等离子体本身导电性很不错，但是它跟轨道的界面上会有电阻，在上千万安培的电流下，丁点电阻都能释放出足够融化，甚至气化，任何物质的热量。总而言之，轨道炮在理论上就存在一众天花板，重重的压在它的应用前景上。未来的材料技术发展，也只能在一定程度上缓解这些问题，却无法解决它们。\n轨道炮是没戏了。但电磁炮还没有完蛋。还有其他很多种类的电磁炮。比如说线圈炮、感应电磁炮等等，都在电磁能利用率和非接触特性方面远远好于轨道炮。不过，它们对弹丸的加速能力不如轨道炮，结构也更复杂，往往需要多级串联的结构，在供能和控制方面要求高很多。现在我所知道的电磁炮中，有一类具有超越其他两位的能力。这就是“电磁重接炮”（EM reconnection gun）。这是一种非常特殊的感应式电磁炮。它的基本原理是，把一个具有很强抗磁性的物体，比如铝块或者铝片，塞进一对电磁体之间的时候，瞬间启动一个强磁场，磁力线会被这个物体阻挡。当物体稍稍前移的时候，一些原本被分割磁力线会重新连接。磁力线连接的过程中，电磁场会将能量传递给物体，变成它的动能。它具有很高的电磁能利用率，单位尺寸和质量下的电磁力强度，虽然不及轨道炮，但还是远远高于其他类型的感应电磁炮。它也不需要电枢，没有接触，也没有等离子体的侵蚀。它不只是无接触，它在弹丸偏移磁场中心线的时候会产生强大的反向推力，让物体回到中间。这个特性对于高过载状态下的射击，以及炮管的准直性要求方面，有很大的益处。它还天然具备磁能回收能力，可以将那部分没有传递到弹丸上的磁场能量重新回收，储存起来。它可以在《The Expanse》时代的诸多核聚变技术，比如高温超导强磁体、大容量高功率储能设备、高精度电能控制系统等等的加持下，应该能够成为满足太空作战需要的动能武器（把1-5kg的弹头加速到70～100km/s）。\n轨道炮满足不了需求，必须得是电磁炮，特别是电磁重接炮。所以，我们可以认为，《The Expanse》宇宙里，“轨道炮”应该就是“电磁炮”的俗称，至少里面的人们（还有作者）是这么认为的。我们有证据：作品中有时会把railgun称为gauss gun。gauss gun实际上就是coilgun（线圈炮）8。好了，这下该是没问题了吧？不！有问题！有拖后腿的：电磁炮本身是没问题了，拖后腿的是炮弹！\n我特地去找了一下《The Expanse》里的各种战舰的轨道炮的尺寸。多数战舰的电磁炮都没有具体的尺寸数据，其他的只能靠推算。炮有多粗不重要，我们只关心炮长。因为炮弹只沿着电磁炮的长度加速，炮长决定了炮弹能够获得多少速度。有明确炮长数据的只有Scirocco-class assault cruiser（Scirocco级巡洋舰）。这船有200m长，装一门V-14 “Stiletto”轻型炮，炮长32m。另外，在第六册/第六季中出现的Ring Station固定轨道炮（可以理解为超级岸炮），长230-250m。简单起见，我们只看战舰上的电磁炮。除了这些以外，还有些可以估算出来的电磁炮尺寸。我们的明星主角——轻型护卫舰/巡防舰“Rocinante”，舰长46m，装载的电磁炮估计应该在20m上下。不可能更长了，因为在Roci加装了电磁炮之后，舰体中后部的工程舱和货仓都没有明显的变化（这能从电视剧的画面看出来）。所以她的电磁炮长度不会超过舰体的一半。\n对于20m的轻型电磁炮，不能要求它有多强的炮口动能。所以，我们选定1kg的弹丸，出膛速度50km/s。简单计算能得到：炮口动能1.25GJ，相当于299kg TNT当量；整个发射过程平均加速度$6,250,000 m/s^2$，大约635万g；加速时间0.8ms；平均推力64.5MN；功率$1,000,000,000,000 W$；后座冲量$50,000 N\\cdot s$（开一炮能让Roci减速0.0105m/s）。这里有一个耀眼的数字——635万g。g是重力加速度。也就是635万个重力加速度。在这个加速度之下，一粒1克重的豆子，会产生6350吨的重量。相当于在地球表面，一艘6350吨的大船压在豆子大的面积上。\n这下子就清楚了，眼下没有哪种材料能够承受住这个加速度下产生的应力。实心的也不行。在《The Expanse》时代，核聚变反应堆对与强磁体提出了很高的要求。聚变反应堆所需的强磁场会对磁体产生了很强的反作用力，进而要求支撑结构材料具有远超现在的强度要求。要知道625万g相当于是一发1000m/s的步枪子弹击中装甲钢板，被压扁破碎时受到的冲击力！根据核聚变反应堆的材料要求可以反向推导得到的结果表明9，即使到了那时候，也需要用最尖端材料和工艺才能勉强满足这类弹药的强度需求。比如，高强度的纤维增强的高熵陶瓷。通过纳米级、分/原子级的3D打印，精确地将材料分子/原子组织成所需的形态的，一体成型，构成弹体。同时，将那些抗磁材料（与电磁场相互作用，对弹体产生推动力的材料）做成几～几十微米级颗粒，以设计好的密度嵌入到整个弹体中。而且，抗磁材料与弹体材料必须渐进融合在一起，避免两种材料的界面上产生各种应力。显然，这种要求下，抗磁材料也只能在打印弹体的时候，一并打印进去。\n《The Expanse》在材料方面似乎非常保守。作者们把Roci的电磁炮出膛弹速压低到了9.98km/s，弹丸重量也设定在2磅的钨弹丸（剧里面设定的是1kg）。这也算是合理的设定。毕竟把前面说的这些原本用在反应堆核心的高端材料，用在炮弹这种耗材上，实在舍不得。但是，“舍不得”的结果有些尴尬。\n还是前面计算的那个案例，我们用新数据重新算一下。方便起见，炮弹速度四舍五入到10km/s。拦截点还是在100km距离上。这下，炮弹到达拦截点的时间变成了10s。10s时间内，目标还能做些什么对抗？目标还是按规定动作来：在发现你的弹丸出膛的时候，开始用5g拼命加速。在弹丸到达预计拦截点的时候，目标的速度比原来高出0.49km/s，并且已经越过拦截点2.45km。还是打不着。那么，目标用温柔的0.1g加速呢？速度也增加了9.8m/s（注意是m/s，不是km/s），并且在49m之外了。如果目标是Roci这样的小型战舰，基本上是打不中的。如果目标是100～200m的大家伙，命中还是可能的。所以，小说里也的确是把轨道炮作为百公里级别的近战武器10。\n百公里就是近战了？这个你得看在什么场合。这个距离即使放在现在，大体上算一个不远不近的距离（近程导弹、远程火箭炮、滑翔炸弹都能覆盖这个距离）。然而，在未来的太空里，战舰是可以轻而易举地在几秒钟跑完这个距离。在太空时代，1000km以下的都属于“地板技”。为什么这么说？如果目标在仍旧在100km的距离上。就在你开炮的时候，目标开始以5g加速朝你冲过来，即便是中了一炮，炸开了花，四散的碎片也能以500m/s的速度撞在你的身上，躲都躲不开11。\n回过头，我们再算一下50km/s的炮弹速度会怎么样。弹丸速度快了5倍，那么到达拦截点的时间也缩小了5倍。也就是2s。2s时间，目标横向以5g加速，速度只增加了98m/s，距离98m。也是只能勉强打中100m以上的大型战舰。0.1g加速就不用算了，显然是躲不过的。换句话说，哪怕在100km这种贴身肉搏的距离上，用50km/s的炮口速度发射的炮弹，也只能勉强打击大型目标。\n《The Expanse》的设定中，电磁炮/轨道炮属于中近距离战斗的武器。但是，从上面的分析来看，只要目标距离在100km以上，目标横向加速度超过0.3g，打中目标也完全得靠对方的配合。即便是我们这里自由发挥出来的50km/s，也难以将电磁炮的交战距离外推到500km以外12。所以，在剧中，我们基本上只会看到电磁炮朝迎面冲锋而来的敌舰射击的场景。哪怕在近距离射击，只要对方警觉，也很难打中目标13。\n电磁炮还有一个问题——过穿。一样武器并非威力越大越好。武器最佳的威力是能够刚好将所有的能量存留在目标内部尽可能深的地方。而电磁炮的弹丸强度很高，在撞击目标的过程中，会一路穿破各层舰体结构。弹丸的确打穿了整条船，但是却没有把能量留存在船体内。除非直接打中几个关键的部位14，否则基本不会对战舰产生明显的破坏。在《The Expanse》中，Canterbury号的幸存者登上了Donnager号。随后就爆发了一场战斗。一发电磁炮弹穿过了他们所在的舱室，不幸的Shed正巧在炮弹的路径上，被销掉了脑袋。炮弹显然以很高的速度穿过舱室，除了把可怜的Shed脑袋削掉，并且留下了一对造成空气泄漏的弹孔外，没有造成其他的任何破坏15。反观鱼雷的破片，一大把1、2kg重的，相对柔软的碎片，以10、20，甚至30km/s的速度一路冲进舰体，穿透层层舰壳和结构的同时，自身也不断破碎、溅射，最终将大把的能量留在了舰体内部。对于舱室及其内部的人和物产生巨大的杀伤。\n作为一个爱好军事的科幻迷，我在得到上面那些结论之后，仍旧相信电磁炮在《The Expanse》里还是有机会的。我想到的办法，就是制导炮弹。如果炮弹能够追踪目标，在目标躲避的时候也能跟着机动，那么就可以确保打中目标\u0026hellip;\u0026hellip;吗？可以，但是有条件。条件就是炮弹的速度要够快。炮弹只有够快，才能“按时”到达目标跟前。“按时”？在太空中，广阔的空域里，炮弹不会掉到地面上，不会有空气阻力把它减速到0，为什么还需要“按时”？个中缘由颇为复杂，需要慢慢解释。\n在前面的案例里，目标是在做加速（或者减速）运动。而且，它还会改变方向。如果电磁炮发射了一枚制导炮弹，这颗炮弹能够跟随着目标的运动不停地修正飞行的方向，直到击中目标。但是，需要注意的是，制导炮弹的机动来源于它上面的推进器。炮弹带着很高的速度飞向目标。所以，只需要推进器推动炮弹横向移动就行了。推进器推动炮弹需要消耗燃料。如果目标运动的比较剧烈，炮弹上的推进器耗尽了燃料也没能跟上，这就打偏了。如果炮弹发射速度很高，飞到目标跟前的时间很短，目标机动的范围就没有那么大，炮弹就能在耗尽燃料之前取得命中。反之，则炮弹会在飞行的途中失去动力。\n所以，当炮弹速度是10km/s，拦截点距离100km的时候，目标以5g机动，10s里会获得0.49km/s速度增量。推进器则需要推动炮弹横向增加0.49km/s的速度，才能与目标同步。当炮弹速度提高到50km/s的时候，目标仍旧以5g机动，2s里只获得了9.8m/s速度增量。炮弹的推进器也只需要推动炮弹横向增加9.8m/s的速度就能命中目标。如果炮弹的推进器只能提供0.3km/s的横向速度增量，那么在用10km/s发射炮弹的情况下，打不到5g机动的目标的。但在50km/s发射速度的情况下，就能轻而易举地捕捉，并且命中目标。很显然，即使是用了制导炮弹，发射速度也是越快越好——只要电磁炮做得到，受的了。经过仔细计算，我们差不多可能认为，电磁炮在配备制导炮弹的情况下，面对距离5000km以上，具有5g加速能力的目标时，50～100km/s的发射速度是合理的选择。\n这下，又回到了“昂贵耗材”的方向上去了。但是，跟物理问题比起来，成本是个（钱能解决的）小问题。炮弹要制导，需要在炮弹上增加传感器、计算和控制装置，以及推进器。这种推进器是不是飞船上的那种大型的、装在尾部的推进器。它是分布在炮弹四周的小型推进器，主要推动炮弹横向移动。这些小推进器必须要有足够的推力，让炮弹能够追上目标的加速度。同时又必须有足够的比冲，以获得足够的$\\Delta v$16。此外，小推进器里的燃料必须“自带能量”，不需要额外的储能设备为它供能。最后，小推进器和里面的燃料必须足够坚固，能够扛住几百万g的加速度。\n这最后一条要求，是最致命的要求。即便到了核聚变满天飞的时代，能够填充在炮弹里的推进剂，也很难具备抵抗几百万g加速度的能力。想象一下，把一节推进剂用步枪射到钢板上还能够保持完整，不能有一点碎裂！不光不能碎裂，还不能被点燃！这实在是有违物理学。等一下，为什么要用固体燃料？液体不行吗？液体不会碎啊！液体是不会碎。但是，在几百万g的加速度下，液体也会对容器产生冲击力。当这个冲击力集中到喷口的时候，喷口的密封将要经受极其严重的考验（既要自己承受高g力，还要顶住液体的冲击）。即便喷口密封挺住了，液体燃料可能会产生空泡17，在内部强烈冲击容器内壁。液体碰撞产生的热量也可能引燃燃料。总之，燃料成了炮弹中最脆弱，最困难的障碍。如果再考虑到各类电子/光子器件，控制部件，传感器的脆弱性，制导炮弹在电磁炮里是没有生存的可能性的。\n既然这样，电磁炮基本没有战术价值18。那么，太空战舰就只有鱼雷这一种战术武器了？这倒也未必。在已知物理上更适合太空作战的武器是激光炮。激光炮属于能束武器，通过一束光子将能量传递给目标。自从上世纪60年代，激光诞生时刻开始，人类就一直想把它做成武器。从1990年代的ABL（Airborne Laser）到现在的各种紧凑型高功率激光武器，再到最近以色列人的Iron Beam（铁束）的实战首杀，虽然威力不大，只够打下一些炮弹、火箭弹、小导弹、无人机之类的轻型目标，但是一直在稳健地进步。\n在我们这个宇宙中，没有什么已知东西比光更快。这就意味着，一门激光炮向你射击的时候，当你看到光束，就表明你已经中弹了。大部分关于高能激光武器的书籍和文章，都会列出一大堆激光武器的缺点。比如，容易受天气影响，空气被激光加热后会扭曲光束，能量还太低，对于高反光率的目标的杀伤力很弱等等。不过其中很多问题在太空中是不存在的。太空作战里，激光武器最主要的难点是光束能量、杀伤效应和光束精度。现在的激光武器集中在红外线波段，主要通过加热目标外壳，将其烧穿，破坏其结构完整性。这种杀伤机理非常薄弱。目标简单地旋转就能分散激光束的能量，提高表面反射率也能反射掉大部分光束能量。光束直径越小，能量密度越高，杀伤力越大。但是，受限于红外线的波长和发射装置孔径尺寸，照射到目标上的光斑存在理论上的下限19。光束发射系统的瞄准精度也影响着目标上光斑的大小和稳定。这些问题综合起来，导致激光炮很难在太空中远距离使用。\n然而，激光炮的物理天花板远远高于电磁炮。光子一诞生就以光速飞驰，几万km也都是眨眼就到。目标根本没有机动躲避的余地。光子之间没有作用力，不会相互干扰。这意味着一束光里面的光子数量没有上限。或者说光束的能量没有上限。激光炮的发射没有加速问题，没有后坐力问题，没有炮管损耗问题。总而言之，但从物理特性看，激光炮几乎是完美太空武器。可是，前面提到的那些缺陷怎么办？不解决的话，再完美也没法成为武器。放心，只需要一招，就能搞定这些问题——波长。根据光量子理论，光子的能量取决于光子波长。波长越短，能量越高。能量越高，破坏性越大。光子能量的计量通常用eV（电子伏特）20作为单位，下面表格包含了各波段的光子能量：\n波段 典型波长范围 单个光子能量范围 红外 IR，infrared 1000–0.78 μm 0.00124–1.59 eV 可见光 visible light 780–380 nm 1.59–3.26 eV UV，紫外 400–100 nm 3.10–12.4 eV 极紫外 EUV，extreme ultraviolet 100–10 nm 12.4–124 eV X 射线 X-ray 10–0.01 nm 124 eV–124 keV γ 射线 gamma ray 通常短于约 0.01 nm，且边界与 X 射线有重叠 大于约 124 keV；常见核 γ 线可到 MeV 级，更高能天体 γ 射线可到 GeV、TeV 级 表格最下面两行是最凶猛的光子。能量巨大，具有打飞电子，击碎原子的能力。是最适合用作武器的波段。但是，要用它们做激光，很难。X射线和$\\gamma$射线穿透里很强，几乎没有光学系统能够对它们进行折射、反射，更无法进行聚焦。一般的气体、固体、化学、半导体等等激光器都无法产生整个级别的光子。目前能看到的，唯一的候选者是FEL（Free Electron Laser，自由电子激光器）。这种特殊的激光器是让一束密集的电子束以接近光速的速度通过一连串正反交替密集排列的磁场。电子在磁场的作用下上下摆动，摆动过程中就会发射出光子。通过调整电子束的速度、磁场强度和磁场的波动间隔，可以获得不同波长的激光。最短可以一直到硬X射线。FEL的一些衍生类型，甚至可以达到低级别的$\\gamma$射线。现在，这类激光器还是非常庞大、低效。但是，可以想像《The Expanse》的时代各类FEL激光炮所需的技术都应当进入成熟可用的阶段，X/$\\gamma$射线激光炮可以成为主战武器。因为FEL大量依赖高性能的超导技术、电磁体、高功率射频装置、高强度结构材料等等。而成熟的核聚变反应堆同样也需要这些核心技术。核聚变成熟意味着高能FEL也具备了技术基础。\n另外，还有一个更具科幻色彩、更强大的方向——核跃迁。核跃迁的理论基础是核同质异能态现象。这是真实存在的一个物理领域。说的是，一些元素的原子核在一定条件下会进入一个高能激发态。这个高能高到什么程度？一个原子的核同质异能态可以包含从几eV到几百keV的能量，最高能够达到MeV级别。这就意味着1kg这样的物质就能包含几百GJ/kg的能量，相当汽油的数万倍。\n核同质异能态并非原子结构发生变化，它是原子核的某些量子状态发生变化，比如自旋、空间形变、壳层组态、角动量等等。当这些量子状态发生某种特定变化时，就能激发原子核进入更高能的状态。大部分原子核进入某个高能状态后，很快就会回到低能状态。高能状态可以维持的时间有长有短，从飞秒到纳秒，一直到几秒、几十秒。少数能够达到分钟、小时，乃至天的级别。有些物质的某种核同质异能态甚至可以维持长达几十年21！\n核跃迁的行为其实跟普通激光很像。普通激光是依靠一群原子的电子跃迁到高能态，在外部激励的刺激下，一同跃迁到低能态，释放出光子。于是，利用选择合适的核同素异能态物质，将其原子核激发到恰当的状态，维持一小段时间，然后用某种方式刺激它们一同跃迁到低能态，释放出高能光子。这就形成了激光。核跃迁的光子能量高，能量密度高，有希望制造出威力更大、重量体积更小的激光武器。\n核同质异能态领域几乎还是一片处女地，目前只是观察到了大量现象，对其中的原理还不甚了解。核同质异能态所涉及的量子状态非常庞杂，各种能级众多，目前已经观察到的现象已经达到几千的级别。这是一个充满应用潜力的领域。或许在《The Expanse》的年代，经过长期的理论研究，人类已经能够精准地把控核同质异能态现象，将其应用到太空战舰上，也是顺理成章的事了。\n我不清楚《The Expanse》的作者为什么把战舰的武器限制在鱼雷和轨道炮上，却没有将激光炮纳入考虑范围。或许是因为一旦激光炮成为了主战武器，由于其远程高能杀伤方式，会将战斗外推到几千上万km的光束对轰的形态。基本上就是到了发现即挨炮的程度。突袭将是主要的攻击方式。几乎所有的战斗都会变成隐匿突袭，或者高速冲锋后的截击作战。没有缠斗、没有追逐。太空战斗将成为精于算计的，偷偷摸摸的冷枪冷炮行动。一切索然无味。但是，这就是真正的未来战争，一切本质都将回归到数学和物理的对抗。\n这篇文章是一个引子。它将引出一个庞大的系列文章。我将其命名为《太空战术指南》。在这个系列中，我将基于现有的、已知的、真实的数学和物理原理，深入研究太空作战基本原理和形态。我将从太空作战的环境、目标、需求等等方面入手，仔细探讨每一个具体环节，逐步建立起一套基于现实的太空战术理论，以及相应的技术和装备理论。\n《2001:A Space Odyssey》（1968）。Stanley Kubrick编剧、执导的经典电影。以背景设定非常真实著称，被称为“science fact”电影。电影思想深刻，但晦涩难懂，而且节奏缓慢。很多观众在观影中睡着。包括我在内。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n关于飞船的散热问题的确是被大多数人忽视的部分。在地球上，一个高温的物体可以通过对流、传导、蒸发、辐射等等方式排走热量。但是，在太空里，没有空气。飞船上的热量只能通过辐射这一种方式向外排出。辐射传热效率很低。热辐射散热器的散热能力还跟散热表面的温度有关，温度越高，散热能力越强。在300摄氏度的时候，每排出MW热量需要大约$200 m^2$的面积。温度提高到1000度的话，则需要$9 m^2$的面积。2000度的话，需要$0.9 m^2$。《The Expanse》的那些船只的推进功率大约有1PW～100PW。Donnager这类超级战舰甚至可以达到。这些舰船的推进器哪怕达到99%的运行效率，也会产生10TW～1PW的废热。这些热量聚集在船内的话，没几分钟就能把整条船融化掉。而排走这些废热，哪怕让散热器工作在2000摄氏度的情况下，也需要$8.26\\sim 826 km^2$（注意是$km^2$）。这就是《The Expanse》被人诟病的最大一项。然而，我个人认为，事情还没有那么糟糕。如果换一种能量管理方式，问题还是可以得到解决的。这，我们将来仔细讲。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n比冲，Specific Impulse。单位质量推进剂能够产生的冲量。冲量：力在一段时间内持续作用所产生的累积效果，等于物体动量的变化量。数值上等于力和作用时间的乘积$J=F\\Delta t$。比冲：$I_{sp}=\\frac{F}{\\dot m g_0}$。这里面$F$是发动机推力；$\\dot m$是推进剂质量流量，每秒消耗多少kg推进剂；$g_0$：地球表面重力加速度，$g_0=9.80665 m/s^2$，单位是$秒$。有时也可以用推进器喷流的速度表示比冲，因为两者只差一个$g_0$因子。比冲代表了飞船推进器的推进剂使用效率。比冲当然越高越好。通常，推进器的功率固定的情况下，提高比冲就会降低推力。这就是为什么现在卫星上用的电推进器比冲可以达到几千秒，但是推力只有毫牛顿级别。《The Expanse》中的Epstein Drive拥有超高的比冲，粉丝们估计达到190万秒。相比现在最高几万秒的推进器，这简直就是天文数字。但是，理论上$D-He^3$核聚变推进器的比冲最高可以达到260万秒，反应能量-\u0026gt;喷流的效率大约是51%左右。考虑到几百年的技术发展，Epstein Drive的比冲反而是合情合理的设定。真正的问题是在功率上。将1～100PW的反应堆功率塞进几个大巴车大小的推进器里，是不小的工程挑战。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n轨道炮，电磁炮的一种。目前，美国军方的电磁炮项目已经进入工程开发的晚期阶段。但是，由于炮管寿命等问题，这个项目处于冻结状态，尚未进入实用。轨道炮是最简单的电磁炮。将炮弹置于两根间隔开的平行轨道末端，将兆安级的电流通入两根轨道。电流在轨道-炮弹-轨道之间形成回路。在洛伦兹力的作用下，炮弹在瞬间被加速到几km/s的速度。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n对于非聚能弹药而言，爆炸的冲击波和辐射以球面向外扩散。球面的面积与直径平方成正比。所以，爆炸能量会随着冲击波和辐射扩散距离平方成反比。一枚100万吨TNT当量的核弹在太空中爆炸，如果在一艘战舰表面爆炸，大半条船就直接气化了。如果在100m的距离上爆炸，会气化战舰表面的裸露结构，舰体产生严重烧蚀，结构遭到严重破坏。1km的距离上，主要的破坏就只有表面外露的装备和舰壳表层遭到烧蚀破坏。10km距离的话，基本上也就是烧掉一点漆皮。所以，《The Expanse》开头，百万吨级，几百米长的运冰船Canterbury哪怕同时挨了6枚核弹，应该也不至于被完全炸碎掉。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\ng，就是重力加速度。一个标准重量加速度$g_0=9.80665 m/s^2$，通常简写成$g$。在一艘1g加速的飞船上，人的感觉就如同站立在地面上一样。2g，则会感觉到两倍的体重，人只能勉强站立。3g人就难以站立，必须躺下，以正面朝向加速方向。5g以上，人必须躺在专门的座椅里，依靠专门的正压装置帮助呼吸。在《The Expanse》里，还设定了一种被称为“juice”的药剂，促使人体肌肉紧绷，帮助抵抗高g加速（剧中Roci就以超过15g的加速度追击被protomolecule劫持的小行星Eros，连人带船都到了极限）。而0.1g差不多就相当于站在月球表面。0.3g则接近站在火星表面。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n所谓“锚”，是指具有明确技术水平的基本设定。在这个设定上，可以分解出各种所需的技术项。这种设定需要有具体的特性描述，比如推进器的比冲、功率、质量、尺寸等等。通过这些特性就可以依托物理理论反向计算出所涉及的技术水平，比如电磁体的磁场强度、材料的机械强度、能量的转换效率等等。在这些数据的基础上，就能够更合理地推算出其他各类装置、设备的性能水平。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\ngauss gun的这个名称比较混乱。其实并非卡尔·弗里德里希·高斯发明的。作为数学家的高斯，也参与了很多物理方面的研究。他曾与威廉·韦伯合作研究过地磁场。1902年，挪威物理学家Kristian Birkeland发明了电磁炮。后来，人们为了纪念高斯对地磁研究的贡献，非正式地将他的名字作为线圈炮的统称。现在的一些科幻作品又扩大了gauss gun的范围，不仅仅涵盖了轨道炮，还把各种超现实的电磁武器也归入其中。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n按照粗略的计算，能够支持成熟的$D-He^3$核聚变反应的电磁体至少需要有30～50T的恒定磁场强度的要求（当今超导磁体的最高纪录大约在30T上下）。脉冲磁场的话，需要达到60～100T。而30T的磁体会产生358MPa的磁压力，100T能达到3.98GPa。这就要求材料具备1.2GPa的持久屈服强度和15GPa的短时抗拉强度。所以，当时的高端材料尚能满足弹丸的强度要求。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n小说第11章的末尾是这么写的：“But here they were, firing the ship’s big cannons, which meant that the range was sufficiently short that a nonguided weapon was viable. Hundreds or even dozens of kilometers, not thousands.”（可现在他们确实已经在用舰上的大炮开火了，这就意味着距离已经短到足以让无制导武器派上用场。距离是几百公里，甚至几十公里，而不是几千公里）。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n思考一下这种场景：一个物体（鱼雷，或者飞船）以一定速度（比如20km/s）朝你飞来。当它在一定距离（比如500km）上炸开。这个物体的碎片就会向四周飞散。但是物体还在向前飞速前进。碎片就会沿着一个虚拟圆锥飞向你。只要炸开的力度恰到好处，你哪怕用最大的加速度向一个方向拼命加速，也无法逃出碎片的范围。我把这个虚拟的圆锥称为“杀伤锥”。鱼雷或者导弹（还有自杀冲锋的战舰）并不需要有多大威力的战斗部，甚至不需要战斗部。只要它能以尽可能高度速度瞄准目标，在正确的距离上，以正确的方式解体，就能形成一个让目标无法逃脱的碎片杀伤区域。经过仔细计算，一枚30km/s前进的鱼雷或者导弹，只需要在500km的距离上，让自己均匀地破碎成平均1、2kg的碎片，以几百米每秒的速度向四周均匀地散开，就能形成一个让目标无法逃脱的杀伤锥。当几百g的碎片能以30km/s的速度命中目标，基本上没有什么能够挡得住它的杀伤力。这才是太空里，动能武器真正的杀伤机制。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n战舰如果能侵入到500km～1000km上发射鱼雷的话，并且鱼雷能够加速到10～20km/s，哪怕鱼雷被对手的防御系统（防空导弹和PDC（Point Defence Cannon））击中失能，只要正确触发解体，就能形成无法逃逸的杀伤锥。所以，任何反舰武器，只要射程低于1000km，基本就是摆设。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n在第6册第27章/第6季第3集中，有一场“Roci vs. Free Navy”的酷炫战斗。著名的电磁炮“甩狙”就是出自这里。Roci在被三艘Free Navy的战舰追逐的时候，它停止推进器，快速回转360°，在炮口扫过目标时，瞬间击发。第一炮便击中一个对手。但是，后面几炮却因为对手已经惊觉，在Roci回转开炮之时便开始向一侧躲避，就躲开了炮弹。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n太空战舰的关键部位其实跟很多人想象的不一样。太空时代的战舰基本上不会包含什么爆炸物。因为在没有空气的太空里，炸药没啥用。即使是有核弹，也会采用更加“文雅”、高效的起爆方式，不太会再靠炸药了。太空战舰上肯定也不会有燃油、化学推进剂之类的东西。鱼雷和导弹上的少量推进剂通常也不会引发啥像样的殉爆。所以，现实中太空战舰中弹之后会不会像电视剧里面那样绚烂地炸成一朵祥云。现实中的太空战舰中弹后更多的是一种剧烈的解体。太空战舰里面最危险的反而是一个看上去不会爆炸的东西——飞轮。飞轮在太空战舰上一方面用来储能，另一方面可以用来控制姿态。为了驱动庞大的战舰回转，飞轮必须要有非常高的转速。往往在临近解体的转速上运行。尺寸也往往要达到5m以上的直径。高速旋转的飞轮储存了几十GJ的巨大能量，稍稍受到冲击，就会解体，击穿外壳和各层船体。战舰上另一个蕴含着巨大能量的物件是超导磁体。超导磁体主要集中在推进器上。它产生的磁场在几十T的级别，蕴含着几GJ的能量（相当于几百kg的TNT），承受着几十MN的压力。稍有损伤，或者失去超导，就会迅速崩解，像炸弹一样摧毁周围的所有东西。其他的等离子体之类的顶多也就是烧穿一片舰壳，毁掉一个舱室，完全无法跟前两者相提并论。所以，真正需要重装甲防护的反而是飞轮和推进器。其他地方反而越软越好，就是希望高速破片和弹丸能够顺利地穿透，尽量少留下能量。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n在原著第一册的第11章结尾（10引用的那段文字后面)，描述了Shed的死亡：“The gauss round that killed Shed didn’t even make a noise. Like a magic trick, two perfectly round holes appeared on either side of the room in a line that intersected Shed’s couch. One moment, the medic was there; the next, his head was gone from the Adam’s apple up. Arterial blood pumped out in a red cloud, pulled into two thin lines, and whirled to the holes in the walls of the room as the air rushed out.”（杀死谢德的那发高斯弹甚至没有发出声音。像变魔术一样，房间两侧忽然出现了两个完美的圆洞，连成一条直线，正好穿过谢德的抗压座椅。前一刻，那个医务员还在那里；下一刻，他从喉结往上的头部已经不见了。动脉血喷成一团红雾，又被拉成两条细细的血线；随着空气急速外泄，那些血线旋转着卷向房间墙上的两个洞）。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n$\\Delta v$，描述飞行器在太空中的机动能力的指标。加速度描述的是飞行器能机动的多快，而$\\Delta v$描述的是飞行器的机动总量有多大。太空中的物体没有阻力，在不受到任何力的情况下，只会保持原有的运动状态（这里暂时不考虑天体引力和太阳光压的作用）。它只会保持原有的速度。这样，只要有速度，就能到达远方的任何地方。然后，重点就变成了如何到达这个速度。很显然，每一次航行都会有一个起点。这个起点可能是轨道上的空间站，也可能是一颗小行星，甚至就是空间中的某一点。我们在这个起点上建立一套坐标系，把这个起点当作原点。然后，飞船出发了。它需要加速到某一个合适的速度，以便在要求的时间内到达目的地。为了避免从目的地旁一掠而过，飞船通常也需要减速。这种将飞船加速到的这个速度就被称为$\\Delta v$，意思就是速度增量。需要注意的是，减速也必须算作正的速度增量，因为为了抵消这部分速度，也消耗了燃料。所以，一趟最高速度为20km/s的航程，它的$\\Delta v=20km/s+20km/s=40km/s$。因为太空里速度可以一直保持下去，只要时间够，理论上可以到达无穷远的地方。用距离来度量的航程显然毫无意义。所以，太空飞船真正意义上的“航程”就是$\\Delta v$。它标志着飞船能够在太空中进行多大程度的机动。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n当液体受到强烈搅动的时候，会在局部产生低压。当低压区的压力降到一定程度，这个区域的液体就会沸腾，形成蒸汽空泡。一旦这个区域的压力回复，空泡会迅速崩塌，产生冲击波和强烈的震动。严重的时候，会造成结构破坏。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n严格而言，电磁炮在远程打击时缺乏战术价值。但是，轻型的近程速射电磁炮却非常适合用作近程防御，用来拦截鱼雷和击碎碎片。近防电磁炮用比较低的速度发射百克级别的无制导霰弹，在空中形成弹幕。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n理论上，激光炮投射到目标上的光斑大小的极限大概可以用公式$d=\\frac{\\lambda L}{D}$计算。其中，$\\lambda$是光的波长，$D$是发射装置的孔径，$L$是距离。从公式能够看出，激光炮的口径越大，光斑尺寸越小；光的波长越短，光斑尺寸越小。光斑越小，能量密度越高，杀伤力越强。所以，X和$\\gamma$射线激光在光斑大小和杀伤力上具有先天优势。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\neV：电子伏特，能量单位。常用于原子物理、核物理、粒子物理和等离子体物理等领域。表示带有1个元电荷的粒子，经过1V电势差时，获得的能量就是1eV。$1eV=1.602176634\\times10^{-19}$。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n核同质异能态$^{178m2} Hf$具有约2446keV，半衰期长达31年。$^{180m} Ta$则有76.79keV，至今没有观测到衰变。据估计，其半衰期至少在$1.5\\times 10^{19}$。\u0026#160;\u0026#x21a9;\u0026#xfe0e;\n","permalink":"https://vulcan-academy.com/universes/future_universe/glitch_of_the_expanse/","summary":"\u003cblockquote\u003e\n\u003cp\u003e\u003cem\u003e值得称道的是，他没有质疑她。就在一瞬间，重力消失了，“罗西”的爱泼斯坦引擎推力降到零。她的抗压座椅猛地撞向一侧，姿态机动推进器带来的剧烈旋转把他们甩了过去。安装在龙骨上的定制轨道炮开火时，整艘船都猛地一震。那是“罗西”唯一一件不属于火星轻护卫舰标准配置的武器。旋转继续，直到他们重新回到原来的航线上；随后，爱泼斯坦引擎重新启动，十个 g 的加速度把她狠狠压回座椅，同时反向推进器消除了旋转。\u003c/em\u003e\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e\u003cem\u003e—— The Expanse: 6 Babylon\u0026rsquo;s Ashes\u003c/em\u003e\u003c/p\u003e\n\u003c/blockquote\u003e\n\u003chr\u003e\n\u003cp\u003e我已经不记得是如何了解到《The Expanse》（苍穹浩瀚，太空无垠）这部美剧。刚开始的时候，我对它也没啥感觉，似乎那就是一部冒险类的美剧。现在回头看，可能是因为它太真实了。当一部科幻作品真实到我这个老科幻迷差点没把它当科幻，说明我对于科幻的认知又回到了少儿时代。这部剧（和藏在它背后的一整套作品）让我突然之间明白，太空歌剧作品也可以建立在真实的已知的物理学基础之上，而不是拿“设定”来堵上各种无法自圆的漏洞。在晦涩乏味的真实物理学面前，想象力是永远是最大的羁绊。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e真实的世界是最无趣的。当科幻创作者把自己限制在真实世界里的时候，他会面临巨大的挑战。库布里克和他那伟大的《2001》\u003csup id=\"fnref:1\"\u003e\u003ca href=\"#fn:1\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e1\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e让几乎每一个观众陷入沉睡。所以，妥协是不可避免的。我们会在网上看到很多关于《The Expanse》在物理、技术、工程等等很多方面的问题。谈到《The Expanse》科技背景的几乎每一篇文章，每一条视频，都会在一开头就讲述太空战舰没有几千平方米的散热片是多么不科学\u003csup id=\"fnref:2\"\u003e\u003ca href=\"#fn:2\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e2\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e，或者“Epstein Drive”（爱泼斯坦推进器）的比冲\u003csup id=\"fnref:3\"\u003e\u003ca href=\"#fn:3\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e3\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e要求是多么不现实，等等。不过，想象一下，一艘战舰，像只蝴蝶一样展开几千平方米的两片翅膀拼命地进行着剧烈的机动，观众显然不会买账的。而两艘战舰按照物理学，缓慢而优雅地相互追逐，观众肯定也不会喜欢。所以，“设定”就成了救命稻草。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e《The Expanse》的确有不少违背现有已知物理学的“设定”。不过，并不是散热片。比较明显的一个问题是，在没有未知“黑科技”的支持下，轨道炮\u003csup id=\"fnref:4\"\u003e\u003ca href=\"#fn:4\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e4\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e是无法作为主炮用于作战的（确切地说，是没有实用价值）。 这个说法有些违反直觉。但是，它却是物理学带来的结果。我大概能猜到作者们的想法：既然要真实，并且符合物理学，那么引入现代已经接近成熟的武器，自然是非常安全的。不过，显然他们没有真正仔细计算过。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e现在人类在地球上用的主要武器，按照作用机理差不多就是：1、动能：子弹、穿甲弹等等；2、化学能：榴弹、炸弹等等；3、核能：原子弹和氢弹。其他的化学武器和生物武器之类的使用条件都比较苛刻，通用性不强，在太空里也没法用，这就略过。这三种类别的武器里面，化学能在太空里作用很小。因为太空里没有空气，炸药的那点能量无法传播。最终只能退化到动能，依靠爆炸推动弹片攻击目标。不过，无论是单片数量、还是杀伤力，都削弱很多。核弹比化学能稍微好一点。没有空气传播冲击波，但是有辐射。核弹产生的各种类型的辐射能在近距离上产生强烈的杀伤。但是，杀伤力随着距离以平方反比的方式迅速下降\u003csup id=\"fnref:5\"\u003e\u003ca href=\"#fn:5\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e5\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。或许核爆产生的强烈电磁波烧毁电子电气系统的能力还更强些。在更远的距离上，核弹杀伤力可能还不如炸弹。因为核弹爆炸时基本上就把自己气化了，没有够大的弹片来传递动能。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e于是，最后真正有效果的就只有动能武器了。在当今军事装备里，动能武器里威力最大的，应该就是轨道炮了。现在的轨道炮能够把一枚10kg的弹丸加速到差不多2.5km/s的速度。弹丸能够携带着30MJ的能量扑向目标。能够打击200海里外的目标，穿透任何坦克装甲。在虚空的太空中，轨道炮显然是更恰当的武器。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e凭直觉是这样。不过，我们得算。《The Expanse》的背景里，人类已经扩散到了大半个太阳系。月球上形成了城市群，成为了地球的一个“外省”；火星上已经住满了人，成立了独立政权；小行星带里，人类住满了能住人的小行星；甚至在木卫三上建立了粮食基地。这就意味着人类的活动范围将以百万公里为单位计算。在这样的空间尺度上，在这样的经济关系下，太阳系大小各天体之间的往来都可以在数天到数周的时间内完成。简单算一下就能知道，飞船需要以0.1～0.3g\u003csup id=\"fnref:6\"\u003e\u003ca href=\"#fn:6\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e6\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e的加速度持续航行，才能满足需要。在《The Expanse》里，这不是什么问题。背景设定里，各类飞船在爱泼斯坦推进器的帮助下，都能随意达到2、3g以上的长时间加速能力。甚至连庞大笨重的运冰船都能给人带来难以坚持的过载。再简单计算一下还能知道，哪怕0.1g的持续加速的情况下，中途最大的速度将会达到几百km/s。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e举个例子，一艘战舰以对人最友好的加速度1g加速，半小时后达到17.65km/s。我们再换一个更贴合《The Expanse》设定的加速度——5g。在《The Expanse》中，战舰具有极强的加速能力，强到把人紧紧地按在座椅上，需要依靠外来的药物激励才能保证正常的呼吸。5g是达到这种效果的底线。5g加速10分钟，可以达到29.42km/s。现在，我们再回过头看轨道炮，2.5km/s，是不是显得很可笑？\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e当然，事情没那么简单。如果目标以30km/s的速度直直地飞过来，哪怕在它的路径上放一颗静止的弹珠，只要撞上就能造成很大的破坏（高速下，谁撞谁已经不重要了）。所以，我们可以通过仔细的计算，得到一个合适的发射角，用2.5km/s发射一个弹丸。这颗弹丸可以同目标在同一时间到达空间中同一个点。这就命中了。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e接下来，更复杂的情况来了。假设目标的飞行方向垂直于射击线，并且计算出来的拦截点在100km外，2.5km/s的弹丸需要飞行40秒钟。目标在发现你的弹丸出膛的时候，开始拼命加速，比如用5g。在弹丸到达预计拦截点的时候，目标的速度比原来高出1.96km/s，并且已经越过拦截点39.2km。即便目标用非常温柔的0.1g加速，届时也已经增加了39.23m/s，已经在784.5m之外了。如果目标更加机敏，它还有更有效的办法——稍稍改变速度方向就可以更轻松地躲开攻击。2.5km/s显然不是一个合适的战斗速度。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e我知道，我知道。在《The Expanse》的时代，核聚变都已经上天入地，轨道炮怎么可能只有区区2.5km/s呢？这话不错，所以我们的讨论必须要调整。怎么调整呢？不太容易。我们不可能确切知道未来世界的技术水平，没法确切知道那时候轨道炮的技术性能。不过，我们有办法。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e其实，不复杂。面对《The Expanse》我们有一个锚\u003csup id=\"fnref:7\"\u003e\u003ca href=\"#fn:7\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e7\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e——核聚变。在那个时代，核聚变非但已经实现、投入实用，而且还达到极高的效率，能让飞船长时间往返于太阳系的各色天体，如同我们现在的海上船舶。我们可以通过分析和计算明确达到这样的水平所需的技术水平。很显然，那个时代的轨道炮技术也应该达到相当的水平。实际上，轨道炮跟核聚变会共享不少相关技术，比如超导、高能脉冲电源、热管理、高端材料等等。所以，根据《The Expanse》背景时代的锚点技术来推测某一项事物的特性，是颇为扎实可靠的。为了方便讨论，我将这种方法称为“时代平行比较”。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e不过，还有个问题。我们如何知道锚点技术确切的水平呢？有两个参考点：第一，达到时代背景中所描述的锚点技术所需的水平。比如，我们可以从Epstein Drive的描写上推断出它的技术指标，然后通过分析和计算获得相关技术所需要的水平。第二，为了防止推断的结果过于乐观，需要通过更加严谨的方法做独立分析。这种方法先把某项技术当前的水平作为锚点，然后从已知的物理学上推导出它的极限。最后，根据技术发展的一般性规律，推测时代背景下被讨论技术能在多大程度上接近物理极限。两个方向结合起来，可以比较确切地框出一项技术的相对可靠的水平。这两个参考点所用的方法，我分别称其为“设定解析”和“未来三步评估”。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e如果《The Expanse》的时代成真，电磁炮究竟能够达到什么样的水平？这个水平是否能够满足书/剧中所描述的战术场景呢？我们抄起未来三步法评估法、设定解析法和时代平行比较法来具体分析。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e首先，我们得把轨道炮拆了，具体分解成若干可以分析的组成部分。轨道炮肯定有轨道，对吧。两根长长的平行轨道，弹头夹在轨道之间，输入巨大的电流之后，在电磁力的作用下飞出导轨。然后还有供能系统，包括电源、开关、汇流、诊断控制等等系统。再有炮弹。再有支撑结构。再有热管理。最后还有诊断和控制系统。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e这些系统投射到时代背景下的核聚变系统上，我们就大体能知道轨道炮的技术水平。这里面涉及到超导电磁体的发展、储能技术的提升、开关和能量释放控制的进步、承力结构的强化等等方面。经过一系列的反复推演、计算和修正，我们大致可以确定，在《The Expanse》的时代背景下，电磁炮能够把1-5kg的弹头以70～100km/s发射出去。这很好，不是吗？没那么简单。首先，《The Expanse》里面说的是\u003cstrong\u003e轨道炮\u003c/strong\u003e，不是\u003cstrong\u003e电磁炮\u003c/strong\u003e。这是有差别的。具体来讲，轨道炮是电磁炮的一种。是最简单的那种。现实世界的物理学中，轨道炮有两个大问题。一个是轨道炮在理论上就是低效率的，通常只有50%的电能可以被转换成弹丸的动能。理论上倒是可以通过调整电流的变化曲线，比如弹丸出膛时电流正好是0等方法，把效率提高到50%以上。还可以在弹丸出膛后通过某些装置回收残余的磁能。不过那都很难，并且和弹丸的电磁推力需求相矛盾。再一个问题，就是更加致命的。轨道炮的弹丸必须接触轨道。它必须要有一个电枢在导轨之间形成回路。通常使用的是等离子体电枢。等离子体有强烈的侵蚀性，会不断刨削轨道。目前的电磁炮的轨道打那么几炮就废掉了。这也就是轨道炮在经历了几十年的发展后，始终没能投入实用的核心原因。在未来的时代背景之下，材料肯定会有长足进步。但是，这些进步更多的是集中在强度、硬度之类机械性能方面的提升，顶多在抗化学腐蚀性方面有很大的升级。但在面对1、2万度的，带有强烈侵蚀性的等离子体的时候，物理天花板是很低的。轨道炮弹丸的电枢本质上就是一道承载着上千万安培电流的电弧，会不断熔化、蒸发轨道材料。等离子体中四处乱窜的高温离子会疯狂冲刷轨道表面，将其激发成一层炽热的电浆。等离子体本身导电性很不错，但是它跟轨道的界面上会有电阻，在上千万安培的电流下，丁点电阻都能释放出足够融化，甚至气化，任何物质的热量。总而言之，轨道炮在理论上就存在一众天花板，重重的压在它的应用前景上。未来的材料技术发展，也只能在一定程度上缓解这些问题，却无法解决它们。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e轨道炮是没戏了。但电磁炮还没有完蛋。还有其他很多种类的电磁炮。比如说线圈炮、感应电磁炮等等，都在电磁能利用率和非接触特性方面远远好于轨道炮。不过，它们对弹丸的加速能力不如轨道炮，结构也更复杂，往往需要多级串联的结构，在供能和控制方面要求高很多。现在我所知道的电磁炮中，有一类具有超越其他两位的能力。这就是“电磁重接炮”（EM reconnection gun）。这是一种非常特殊的感应式电磁炮。它的基本原理是，把一个具有很强抗磁性的物体，比如铝块或者铝片，塞进一对电磁体之间的时候，瞬间启动一个强磁场，磁力线会被这个物体阻挡。当物体稍稍前移的时候，一些原本被分割磁力线会重新连接。磁力线连接的过程中，电磁场会将能量传递给物体，变成它的动能。它具有很高的电磁能利用率，单位尺寸和质量下的电磁力强度，虽然不及轨道炮，但还是远远高于其他类型的感应电磁炮。它也不需要电枢，没有接触，也没有等离子体的侵蚀。它不只是无接触，它在弹丸偏移磁场中心线的时候会产生强大的反向推力，让物体回到中间。这个特性对于高过载状态下的射击，以及炮管的准直性要求方面，有很大的益处。它还天然具备磁能回收能力，可以将那部分没有传递到弹丸上的磁场能量重新回收，储存起来。它可以在《The Expanse》时代的诸多核聚变技术，比如高温超导强磁体、大容量高功率储能设备、高精度电能控制系统等等的加持下，应该能够成为满足太空作战需要的动能武器（把1-5kg的弹头加速到70～100km/s）。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e轨道炮满足不了需求，必须得是电磁炮，特别是电磁重接炮。所以，我们可以认为，《The Expanse》宇宙里，“轨道炮”应该就是“电磁炮”的俗称，至少里面的人们（还有作者）是这么认为的。我们有证据：作品中有时会把railgun称为gauss gun。gauss gun实际上就是coilgun（线圈炮）\u003csup id=\"fnref:8\"\u003e\u003ca href=\"#fn:8\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e8\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。好了，这下该是没问题了吧？不！有问题！有拖后腿的：电磁炮本身是没问题了，拖后腿的是炮弹！\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e我特地去找了一下《The Expanse》里的各种战舰的轨道炮的尺寸。多数战舰的电磁炮都没有具体的尺寸数据，其他的只能靠推算。炮有多粗不重要，我们只关心炮长。因为炮弹只沿着电磁炮的长度加速，炮长决定了炮弹能够获得多少速度。有明确炮长数据的只有Scirocco-class assault cruiser（Scirocco级巡洋舰）。这船有200m长，装一门V-14 “Stiletto”轻型炮，炮长32m。另外，在第六册/第六季中出现的Ring Station固定轨道炮（可以理解为超级岸炮），长230-250m。简单起见，我们只看战舰上的电磁炮。除了这些以外，还有些可以估算出来的电磁炮尺寸。我们的明星主角——轻型护卫舰/巡防舰“Rocinante”，舰长46m，装载的电磁炮估计应该在20m上下。不可能更长了，因为在Roci加装了电磁炮之后，舰体中后部的工程舱和货仓都没有明显的变化（这能从电视剧的画面看出来）。所以她的电磁炮长度不会超过舰体的一半。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e对于20m的轻型电磁炮，不能要求它有多强的炮口动能。所以，我们选定1kg的弹丸，出膛速度50km/s。简单计算能得到：炮口动能1.25GJ，相当于299kg TNT当量；整个发射过程平均加速度$6,250,000 m/s^2$，大约\u003cstrong\u003e635万g\u003c/strong\u003e；加速时间0.8ms；平均推力64.5MN；功率$1,000,000,000,000 W$；后座冲量$50,000 N\\cdot s$（开一炮能让Roci减速0.0105m/s）。这里有一个耀眼的数字——635万g。g是重力加速度。也就是635万个重力加速度。在这个加速度之下，一粒1克重的豆子，会产生6350吨的重量。相当于在地球表面，一艘6350吨的大船压在豆子大的面积上。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e这下子就清楚了，眼下没有哪种材料能够承受住这个加速度下产生的应力。实心的也不行。在《The Expanse》时代，核聚变反应堆对与强磁体提出了很高的要求。聚变反应堆所需的强磁场会对磁体产生了很强的反作用力，进而要求支撑结构材料具有远超现在的强度要求。要知道625万g相当于是一发1000m/s的步枪子弹击中装甲钢板，被压扁破碎时受到的冲击力！根据核聚变反应堆的材料要求可以反向推导得到的结果表明\u003csup id=\"fnref:9\"\u003e\u003ca href=\"#fn:9\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e9\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e，即使到了那时候，也需要用最尖端材料和工艺才能勉强满足这类弹药的强度需求。比如，高强度的纤维增强的高熵陶瓷。通过纳米级、分/原子级的3D打印，精确地将材料分子/原子组织成所需的形态的，一体成型，构成弹体。同时，将那些抗磁材料（与电磁场相互作用，对弹体产生推动力的材料）做成几～几十微米级颗粒，以设计好的密度嵌入到整个弹体中。而且，抗磁材料与弹体材料必须渐进融合在一起，避免两种材料的界面上产生各种应力。显然，这种要求下，抗磁材料也只能在打印弹体的时候，一并打印进去。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e《The Expanse》在材料方面似乎非常保守。作者们把Roci的电磁炮出膛弹速压低到了9.98km/s，弹丸重量也设定在2磅的钨弹丸（剧里面设定的是1kg）。这也算是合理的设定。毕竟把前面说的这些原本用在反应堆核心的高端材料，用在炮弹这种耗材上，实在舍不得。但是，“舍不得”的结果有些尴尬。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e还是前面计算的那个案例，我们用新数据重新算一下。方便起见，炮弹速度四舍五入到10km/s。拦截点还是在100km距离上。这下，炮弹到达拦截点的时间变成了10s。10s时间内，目标还能做些什么对抗？目标还是按规定动作来：在发现你的弹丸出膛的时候，开始用5g拼命加速。在弹丸到达预计拦截点的时候，目标的速度比原来高出0.49km/s，并且已经越过拦截点2.45km。还是打不着。那么，目标用温柔的0.1g加速呢？速度也增加了9.8m/s（注意是m/s，不是km/s），并且在49m之外了。如果目标是Roci这样的小型战舰，基本上是打不中的。如果目标是100～200m的大家伙，命中还是可能的。所以，小说里也的确是把轨道炮作为百公里级别的近战武器\u003csup id=\"fnref:10\"\u003e\u003ca href=\"#fn:10\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e10\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e百公里就是近战了？这个你得看在什么场合。这个距离即使放在现在，大体上算一个不远不近的距离（近程导弹、远程火箭炮、滑翔炸弹都能覆盖这个距离）。然而，在未来的太空里，战舰是可以轻而易举地在几秒钟跑完这个距离。在太空时代，1000km以下的都属于“地板技”。为什么这么说？如果目标在仍旧在100km的距离上。就在你开炮的时候，目标开始以5g加速朝你冲过来，即便是中了一炮，炸开了花，四散的碎片也能以500m/s的速度撞在你的身上，躲都躲不开\u003csup id=\"fnref:11\"\u003e\u003ca href=\"#fn:11\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e11\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e回过头，我们再算一下50km/s的炮弹速度会怎么样。弹丸速度快了5倍，那么到达拦截点的时间也缩小了5倍。也就是2s。2s时间，目标横向以5g加速，速度只增加了98m/s，距离98m。也是只能勉强打中100m以上的大型战舰。0.1g加速就不用算了，显然是躲不过的。换句话说，哪怕在100km这种贴身肉搏的距离上，用50km/s的炮口速度发射的炮弹，也只能勉强打击大型目标。\u003c/p\u003e\n\u003cp\u003e《The Expanse》的设定中，电磁炮/轨道炮属于中近距离战斗的武器。但是，从上面的分析来看，只要目标距离在100km以上，目标横向加速度超过0.3g，打中目标也完全得靠对方的配合。即便是我们这里自由发挥出来的50km/s，也难以将电磁炮的交战距离外推到500km以外\u003csup id=\"fnref:12\"\u003e\u003ca href=\"#fn:12\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e12\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。所以，在剧中，我们基本上只会看到电磁炮朝迎面冲锋而来的敌舰射击的场景。哪怕在近距离射击，只要对方警觉，也很难打中目标\u003csup id=\"fnref:13\"\u003e\u003ca href=\"#fn:13\" class=\"footnote-ref\" role=\"doc-noteref\"\u003e13\u003c/a\u003e\u003c/sup\u003e。\u003c/p\u003e","title":"The Expanse的瑕疵"},{"content":"Vulcan，经典科幻系列Star Trek中的一个外星种族。他们极端崇尚理性。通过各种肉体和心灵上的磨练让自身不受情感的左右。我是人类，无法做到这样极端理性。我不应该也不愿意成为Vulcan人那样冰冷固执的心灵。我希望能够在需要理性思考和判断的时候，依靠逻辑分析和事实依据去认识这个世界。\n","permalink":"https://vulcan-academy.com/posts/hello-vulcan/","summary":"\u003cp\u003eVulcan，经典科幻系列Star Trek中的一个外星种族。他们极端崇尚理性。通过各种肉体和心灵上的磨练让自身不受情感的左右。我是人类，无法做到这样极端理性。我不应该也不愿意成为Vulcan人那样冰冷固执的心灵。我希望能够在需要理性思考和判断的时候，依靠逻辑分析和事实依据去认识这个世界。\u003c/p\u003e","title":"欢迎来到 Vulcan Academy"}]