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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，我并没有太多的感觉。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巨著）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。

真实的世界是最无趣的。当科幻作者把自己限制在真实世界里的时候，他所面临的挑战将是非常巨大的。库布里克和他那伟大的《2001》让几乎每一个观众陷入沉睡。所以，妥协是不可避免的。所以，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，或者“Epstein Drive”（爱泼斯坦推进器）的比冲^[1]要求是多么不现实，等等。不过，想象一下，一艘战舰，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，观众肯定不会喜欢。所以，“设定”就成了救命稻草。不过，或说回来，《The Expanse》在废热上的设定并没有违背物理学，只不过需要用突破现有飞船推进系统设计理念的思维方式来解决。

《The Expanse》的确有违背现有已知物理学的“设定”。其中比较明显的一个，是在没有未知“黑科技”的支持下，轨道炮是无法用于作战的（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。

现在人类在地球上用的武器，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使用条件都比较苛刻，通用性不强。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。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。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。

于是，最后有效的武器就只有动能武器了。在现代军事装备里，动能武器威力最大的，应该就是轨道炮了。目前轨道炮能够把一枚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。在广阔的太空中，轨道炮显然是更恰当的武器。

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。

举个例子，一艘战舰以对人最好的加速度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？

当然事情并没有那么简单。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。所以，我们可以通过简单的计算，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。

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。

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，必须要修正。怎么修正呢？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。

其实，不复杂。面对《The Expanse》我们有一个锚——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”。

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“设定物化”和“未来三步评估”。

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、设定物化法和时代平行比较法来具体分析。

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。

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。具体来教，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任何物质的熔点，甚至是沸点。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。

轨道炮是没戏的。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，它在物体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 回收。它在“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）。

严格来讲，轨道炮是满足不了需求的。必须得是电磁炮，特别是电磁重接炮。我们可以认为，“The Expanse”宇宙里，“轨道炮”应该就是“电磁重接炮”的俗称，至少里面的人们（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）^[]。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！

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，我们只关心炮厂。因为炮弹只沿着电磁炮的长度加速。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。我们的明星主角儿轻型护卫舰/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（只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。

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$62,500,000 m/s^2$，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$50,000 N•s$（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。

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时，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^[强磁力对结构的要求反推]，即使到了那时候，也需要用最尖端材料和工艺。比如，高强度的纤维增强的高熵陶瓷，通过分子/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，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。弹体材料没有相应的电磁特性。）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。

“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。

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。

这里，尴尬的地方在于，距离仅仅只有100km。这个距离即使放在现在，都是个很近的距离。

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