第 4.4 節：第二階段 B - 空間工業地點（第 2 頁）
超高速發射器是火箭替代方案之一。它基於第 2.2 節中的粒子床加熱氣體槍。為了取代大部分傳統的火箭推進，採用了高加速度。這使得它適用於散裝貨物，但不適用於人員或複雜裝置。基於火藥的槍支有著悠久的歷史。輕氣槍使用低分子量氣體代替火藥的爆炸產物來達到更高的速度。它們自 20 世紀中葉以來一直被用於高速研究。過去曾多次提出將此類槍用於軌道發射，但尚未付諸實踐。因此，它們需要研發工作才能從現有的研究槍經驗過渡到能夠進行軌道發射的版本。我們將這種替代方案稱為高超音速發射器，因為槍口速度超過 5 馬赫，因此彈丸以高超音速穿過大氣層。我們選擇粒子床版本，因為它相對簡單且效能良好，儘管還有許多其他氣體槍設計。
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在建立先進製造能力之後，下一步是製造低成本發射器，主要用於散裝材料。散裝材料的例子包括燃料、水、氧氣、結構部件，甚至是冷凍食品。如果這種發射器具有足夠的成本優勢，您可以有目的地為更高的加速度設計零件。例如，電子裝置如果安裝得當，可以承受高 g 力，但大多數商用裝置的設計是為了降低組裝成本，而不是高 g 力。一般來說，這種發射器的加速度會隨著尺寸的增加而下降。例如，與美國 M777 野戰炮相比，它的槍口速度可能高 5 倍，但炮管長 150 倍，因此加速度更低。在最大實用槍的極限範圍內，加速度將足夠低以適用於人類（60 m/s^2 或 6 g），但這種初始發射器位於尺寸範圍的另一端，因此加速度水平相對較高。
傳統火箭與這種發射器並行使用，以平衡無法承受高加速度的精密貨物和人員。所選的特定發射器型別是17 粒子床加熱氣體槍，它屬於當前技術範圍，開發成本最低，可以開始交付貨物，並且與當前火箭相比具有相當的成本優勢。然而，如果傳統發射成本降至足夠低的水平，則可以消除此步驟。
已知最大的高超音速輕氣槍是 1990 年代初的勞倫斯利弗莫 SHARP 槍，它使用 5 公斤彈丸達到 3 公里/秒，動能為 22.5 兆焦耳。最大的高超音速槍發射器是它的同名前身，即 1960 年代的高空研究計劃 (HARP)。該槍是由兩門 16 英寸戰艦炮串聯焊接而成的，能夠以 2300 米/秒的速度發射 250 公斤[1]，使用了一種火棉炸藥。這產生了 660 兆焦耳的動能，如果彈丸上裝有合適的推進系統，可以將可測量的有效載荷送入軌道。已知能量最大的任何型別的槍是第二次世界大戰期間德國鐵路攻城炮古斯塔夫。它以 820 米/秒的速度發射了 4800 公斤的彈丸，能量為 1.6 吉焦耳。
出於開發目的，如果你要超越過去的經驗，最好不要在規模上跳躍太大。由於 SHARP 槍是迄今為止建造的最大此類槍，我們假設原型機的能量約為 5 倍，即 100 兆焦耳（12.5 公斤彈丸以 4 公里/秒的速度飛行）。然後將建造一個足夠大的槍，能夠將有用的有效載荷送入軌道，我們假設是將 10 公斤送入 250 公里高度的圓形軌道。除此之外，更大的槍將根據預期的貨物運輸量進行尺寸設計。詳細的分析可能會改變這些數字，但我們至少需要一個起點來進行設計。請注意，以下所有計算僅是初步的，旨在說明如何進行縮放。有關更詳細的工作，請參考手冊，例如槍支內彈道學，它考慮了更多實際因素，或者進行計算機模擬。
原型槍的位置並不關鍵。它的主要目的是在設計軌道炮之前減少未知因素。為了方便起見，我們假設白沙導彈靶場是彈丸的著陸點，因為它大，空曠，並被指定為導彈測試區。然後將槍放置在距離靶場合適的距離處，避開彈丸路徑下方的任何人口稠密地區。滿足類似條件的任何其他發射和著陸點組合都可以。我們還將假設 SHARP 槍和軌道炮之間的中間物理尺寸和特性，除非有技術原因選擇其他尺寸和特性。
設計輸入
- 彈丸質量 = 12.5 公斤
- 槍口速度 = 4000 米/秒
初始假設
- 炮管長度 = ~200 米 - 這是 50 米 SHARP 炮管和估計的 800 米軌道炮的幾何平均值。可能會在以後的計算中更新。
- 炮管仰角 = 12 度 - 這是基於白沙北部典型山坡的仰角
- 彈丸長徑比 = 8 - 這是基於圓柱形狀的長徑比。實際形狀將是最大限度地減少阻力，因此前端為錐形。您希望最小化面積以降低阻力和炮管尺寸，因此彈丸要又長又細，但不要太細，以免發生彎曲問題。8 是在進行結構分析之前的一個合理的起點。
- 彈丸密度 = 1 克/立方厘米 - 這是水的密度，可能是測試彈丸的填充物，並且類似於液氧/煤油的密度，可能是軌道炮彈丸的燃料。
推算值
- 彈丸直徑 = 12.5 釐米 - 圓柱體積為 pi*r^2*h，我們假設 h = 8D = 16r。因此 v = 16*pi*r^3，並且我們從質量和密度得到 v=12,500 立方厘米。求解 r 得出 6.29 釐米，我們將 2r 的直徑四捨五入為 12.5 釐米。如果加上一個很小的滑動配合公差，彈丸直徑也是炮管直徑。
- 彈丸加速度 = 40,000 米/秒^2 (4,000 g) - 這與 SHARP 槍的峰值加速度 640,000 米/秒^2 和傳統火炮的 60,000 米/秒^2 相比。槍口速度為 sqrt(2*a*d)，其中 a 是平均加速度，d 是炮管長度。求解 a 得到上述值。由於槍支效率在高速時會下降，我們假設*峰值*加速度比平均加速度高 25%，因此為 50,000 米/秒^2。
- 峰值壓力 = 51 兆帕 (7,400 磅/平方英寸) - 炮管面積為 0.01223 平方米，氣體壓力必須產生 F = m * a = 12.5 公斤 * 50,000 米/秒^2 = 625,000 牛頓 (N) 的力。壓力為力/面積。請注意，這遠低於 SHARP 槍的峰值壓力 400 兆帕。
- 彈丸射程 = 54 公里 - 如果炮管傾斜角為 12 度，則彈丸離開炮管時的上升速度為 830 米/秒。地球大氣的密度隨著海拔高度的增加而降低，但等壓下的等效厚度，稱為 **標高**，約為 7.5 公里。在 12 度仰角下，彈丸穿過大氣的總路徑相當於 37.5 公里。我們可以從公式 F(D)= 0.5* CD * rho * A * v^2 中找到彈丸的阻力。對於圓錐形高超音速彈丸，CD 約為 0.15。Rho 是空氣密度，對於 2000 米的初始高度，約為 0.95 公斤/立方米。彈丸的面積和初始速度如上所示。
初始空氣阻力約為 14000 牛頓，導致負加速度為 1119 米/秒平方。這佔初始速度的很大一部分，因此需要使用數值積分（例如電子表格）在較小的時間間隔內找到實際的彈道，以便每時間間隔內的速度和阻力變化，以及由此產生的誤差都很小。這樣一來，彈丸射程為 54 公里，飛行時間為 63 秒，到達海拔 7350 米的最高點。如果沒有著陸裝置，撞擊速度約為 400 米/秒。彈丸尺寸小，炮口仰角低，這意味著空氣阻力對其彈道有嚴重的影響。這對原型炮來說不是問題，因為我們主要測試的是炮。54 公里的射程意味著彈丸可以落在白沙導彈靶場內，不會危及公眾安全。
原型炮主要關注的是演示炮的各個部件是否能正常工作。軌道炮展示了一個更大的版本，以及一個可以將小型有效載荷送入軌道的功能性彈丸。該炮的能量為 1.18 吉焦，約為原型炮的 12 倍。
設計輸入
- 淨有效載荷到軌道 = 10 公斤到 250 公里
- 炮管仰角 = 23 度 - 正如下面“位置”部分所述，內華達凱亞姆貝是最佳位置，我們使用該山脈西側 4200 米到 4600 米海拔之間的實際坡度。高於該海拔高度的是冰川，因此我們儘量保持在該高度以下。
- 彈丸 L/D = 8 - 使用與原型炮相同的數值。實際的彈丸設計需要進行更精確的估計。
- 彈丸密度 = 1 克/立方厘米 - 使用與原型炮相同的數值。
初始假設
- 炮管長度 = 800 米 - 這是對合理數值的初步猜測。要確定實際長度，需要足夠詳細的設計，使你能夠改變炮管長度，觀察變化對炮系統其他部分的影響，然後找到最佳數值。這種方法稱為引數變化或系統最佳化，但我們需要更多設計細節才能嘗試它。現在我們選擇一個合理的起點。
- 炮口速度 = 4500 米/秒 - 這是基於以往的炮發射器工作的合理猜測。它將在以後進行最佳化。
推算值
- 彈丸加速度 = 12650 米/秒平方（1290 G） - 使用與原型炮相同的方法得出。同樣，這是平均數值，因此峰值加速度估計為 15835 米/秒平方（1615 G）。請注意，這比原型炮低約三倍，主要是因為炮管更長。
- 峰值壓力 = 33.88 兆帕（4910 磅/平方英寸） - 使用與原型炮相同的方法得出。請注意，峰值壓力比原型炮低約 1/3，主要是因為炮管更長。
- 彈丸質量 = 122.5 公斤 - 已知炮口速度和仰角，我們可以嘗試不同的彈丸質量（在接下來的幾段中），找到能夠將 10 公斤的有效載荷送入軌道的質量。彈丸質量可以分為三個主要部分：有效載荷、燃料和空車。後者包括所有元件，如制導電子裝置，以及燃料箱和有效載荷支架。假設機載火箭的排氣速度為 3.3 公里/秒，這是一種真空條件下良好的 LOX/煤油發動機。
- 阻力損失 = 1725 米/秒 - 作為初步近似，假設阻力損失等於 1200 米/秒，地球赤道自轉速度為 465 米/秒，海平面軌道速度加上 250 公里高度的能量由火箭 + 炮提供，為 8065 米/秒。如果阻力損失後的淨速度為 3300 米/秒，則火箭需要提供 4300 米/秒。根據火箭方程式，火箭燃燒後的淨質量為總質量的 27.2%。根據以往的火箭設計，我們對空車硬體質量進行了初步估計，為 15%。那麼淨有效載荷為 27.2% - 15% = 12.2%，原始質量為 10 公斤/12.2% = 82.2 公斤。假設彈丸密度為 1.0 克/立方厘米。那麼它的體積為 82.2 升（0.0822 立方米），可以用直徑為 23.5 釐米，長度為 188 釐米的圓柱體來近似。由於彈丸結構承受著已知的加速度，我們可以根據它所承受的載荷估算結構質量。
82.2 公斤的質量承受 15835 米/秒平方的峰值加速度，需要 1.302 兆牛頓的力。石墨複合材料的強度可以假定為 600 兆牛頓/平方米，密度為 1.82 克/立方厘米。對於給定的載荷，我們需要 1.302/600 平方米的結構 = 21.7 平方釐米。結構的前部只需要支撐它前面的部分，因此我們假設結構在整個主體長度上的平均面積為 65%。因此，整個結構將為 21.7 x 65% x 188 = 2651 立方厘米，質量為 4.8 公斤。這僅佔車輛總質量的 5.87%，因此我們對空車總質量的 15% 的假設是合理的。
為了更準確地估計火箭的實際速度，我們必須對阻力損失進行更準確的估計。使用電子表格彈道計算器，我們發現彈丸在阻力損失下降 99% 後，速度將降至 2613 米/秒，估計損失為 1900 米/秒。由於這比我們的原始估計值高，我們重新計算彈丸質量並嘗試多次，直到得到一致的答案。這稱為 **收斂到一個解**。經過 5 次迭代，我們可以估計最終結果是彈丸質量為 122.5 公斤，阻力損失為 1725 米/秒。
- 彈丸直徑 = 27 釐米 - 這是根據質量和上述公式得出的。彈丸和炮管的面積均為 0.05725 平方米。
- 彈丸射程 = 615 公里 - 如果火箭 **沒有** 點火，這是彈丸將飛行的距離。這是透過跟蹤彈道計算器，直到海拔高度再次降至地面水平。選擇發射地點時，請注意未點火時彈丸的著陸點。在這種情況下，著陸點將位於哥倫比亞的奇裡比凱特國家公園附近，飛行時間為 4 分鐘，如果彈丸完整地到達地面，末端速度將為 1500 米/秒，但這並不一定，因為彈丸裝滿了燃料，還會受到氣動加熱的影響。如果火箭發動機點火，並在到達軌道之前停止，著陸點將在赤道上，位於彈道範圍的東部某處，燃料量減少。
這是一個用於交付與先前設計相同有效載荷的替代概念。它使用兩級火箭來觀察它是否能改善整體尺寸。炮本質上具有比火箭發動機高約 50% 的“排氣速度”，因此我們將總速度分為 3.5 部分，以使每個階段的“難度”相等。從先前的設計中，我們得到了總的飛行速度，包括阻力損失，為 9325 米/秒，因此炮將進行 (1.5/3.5)* 9325 = 約 4000 米/秒。那麼每個火箭階段必須執行約 2660 米/秒。
根據我們先前的假設，即 15% 的空車重量和 3.3 公里/秒的排氣速度，我們可以計算出各階段的質量，如下所示
- 質量比/階段 = 2.241 - 根據火箭方程式得出。這意味著最終質量 = 1/質量比 = 初始質量的 44.63%。
- 第二級有效載荷 = 10 公斤 = (44.63% 最終質量 - 15% 空車重量) = 29.63% 第二級初始質量。
- 第二級初始質量 = 33.75 公斤 - 根據 10 公斤 / 29.63% 得出。
- 第一級最終質量 = 44.63% 初始質量，第一級空車重量 = (15% x 57.2% 燃料使用) = 8.31% 初始質量，因此第二級初始質量 = 36.32% 第一級初始質量。
- 第一級初始質量 = 93 公斤 = 33.75 公斤 / 36.32%。這遠小於之前的質量，而且炮的速度假設降低了 500 米/秒，因此我們使用彈道計算器重新計算阻力損失，並收斂到一個解。最終，我們得到 1655 米/秒的阻力損失，因此可以將炮的速度降低 70 米/秒，降至 3930 米/秒。
- 平均加速度由 a = v2/2d = (3930 米)2/ 2 * 800米 = 9653 米/秒平方（984 G）得出。峰值加速度為 1.25 a = 12066 米/秒平方。
- 彈丸直徑如上所述，為 24.5 釐米，炮管面積為 0.0473 平方米。
- 峰值壓力由 P = (質量 x 加速度)/面積 = (93 公斤 x 12066 米/秒平方)/0.0473 = 23.72 兆帕得出。
炮管面積和壓力降低的組合導致炮管總質量為之前版本的 57.85%。我們假設炮的其他部分將隨著炮管一起縮放。彈丸質量為之前版本的 76%。第二級的複雜性是否超過了系統尺寸的縮減，目前尚不清楚。
作戰炮旨在將付費貨物送入軌道。實際尺寸將由預期的客戶流量決定，但為了討論的目的，我們假設發射 1200 公斤的彈丸，速度為 5 公里/秒。位置與之前的炮相同。該炮的動能為 15 吉焦，將比以往任何一種最大的炮高出近 10 倍。
設計輸入
- 彈丸質量 = 1200 公斤 - 由假設決定。
- 彈丸 L/D = 8 - 與之前的尺寸相同。
- 彈丸密度 = 1 克/立方厘米 - 與之前的尺寸相同。
- 炮口速度 = 5000 米/秒 - 也由假設決定。這接近輕氣炮的上限。
- 炮管長度 = 1600 米 - 這由山坡底部到冰川線的距離決定。對於這種尺寸的槍來說，在冰層中建造可能並不值得額外的難度。
- 炮管仰角 = 23 度，與之前尺寸相同。
推算值
- 彈丸尺寸 = 直徑 57.5 釐米 x 長 460 釐米 - 根據之前的尺寸計算質量和密度得出。
- 彈丸加速度 = 7810 米/秒^2 (795 g) - 同樣是透過與之前尺寸相同的計算方法得出。考慮到 25% 的峰值增加，這將使峰值加速度達到 9765 米/秒^2 (略低於 1000 g)。對於更大的彈丸，我們希望降低加速度，以使炮管壓力保持在合理範圍內，並減少彈丸結構在更大質量下的負荷。
- 峰值壓力 = 45.1 兆帕 (6545 磅/平方英寸) - 這比之前尺寸略高。請注意，在大型槍支中，隨著發射過程中的壓力下降，只有底部會承受峰值壓力。槍口端可以使用強度較低的管道。使用高強度鋼作為炮管，峰值壓力需要炮管壁厚約 6 釐米，這是合理的。
- 空車重量 = 180 千克 - 彈丸足夠大，因此我們應該檢查空載重量，而不是假設之前百分比。峰值加速度力為 11.7 兆牛，在底部給出 195 平方釐米的結構面積，以及 58,300 立方厘米的總結構體積。這相當於 106 千克的質量，因此我們對總空車重量 (180 千克) 15% 的假設仍然合理。
- 阻力損失 = 1000 米/秒 - 這可以透過使用彈道計算器找到你處於 99% 以上大氣層 (海拔 34.5 公里) 的位置。
- 有效載荷 = 180 千克 - 達到軌道速度為 8065 米/秒。減去地球自轉 (463 米/秒) 和阻力損失後的剩餘速度 (4000 米/秒) ，則彈丸需要再增加 3602 米/秒。火箭方程式給出剩餘重量為 360 千克。減去空車重量，淨有效載荷為 180 千克 (400 磅)。
請注意，彈丸質量增加了約 10 倍，而有效載荷增加了之前尺寸的 18 倍。這是由於槍口速度更高，以及更大的彈丸產生的相對阻力損失更小。
這支槍的長度接近在卡亞姆貝山坡上可以建造的最高限度。直徑設定為 1.2 米。這假設有足夠的散裝貨物運輸來證明更大的槍支尺寸是合理的。
設計輸入
- 彈丸 L/D = 8 - 與之前的尺寸相同。
- 彈丸密度 = 1 克/立方厘米 - 與之前的尺寸相同。
- 槍口速度 = 5000 米/秒 - 與之前尺寸相同。
- 炮管長度 = 3200 米 - 這是可以安裝在山坡上的最大長度。底部位於海拔 3960 米處，頂部位於海拔 5300 米處，上升 1340 米。由於我們正在最大化長度，因此山坡在兩端並不那麼平緩，因此炮管的一部分需要在地面上方支撐。此外，這將延伸到冰川線以上，因此炮管要麼需要在冰層上方支撐，要麼需要免受冰層移動的影響。
- 炮管仰角 = 24.75 度 - 透過 arcsin(上升/炮管長度) 的簡單三角函式得出。
推算值
- 彈丸尺寸 = 直徑 1.2 米 x 長 9.6 米 - 從上面的設計輸入得出。
- 彈丸質量 = 10,850 千克 - 從上面的尺寸和密度得出。
- 彈丸加速度 = 3905 米/秒^2 (400 g) 平均 - 同樣是透過與之前尺寸相同的計算方法得出。考慮到 25% 的峰值增加，這將使峰值加速度達到 4880 米/秒^2 (略低於 500 g)。透過保持槍口速度相同，但將炮管長度加倍，加速度減半。
- 峰值壓力 = 46.8 兆帕 (6790 磅/平方英寸) - 這與之前尺寸大致相同。
- 空車重量 = 1625 千克 - 我們再次檢查空載重量，而不是假設之前百分比。峰值加速度力為 52.95 兆牛，在底部給出 882.5 平方釐米的結構面積，以及 423.5 升的總結構體積。這相當於 771 千克的質量，因此我們對總空車重量 (1625 千克) 15% 的假設仍然合理。
- 阻力損失 = 總速度 460 米/秒 - 這可以透過使用彈道計算器找到你處於 99% 以上大氣層 (海拔 34.5 公里) 的位置。假設火箭級沒有點火，彈道弧頂部的水平速度分量為 4,160 米/秒，此時高度將為 194 公里。
- 有效載荷 = 180 千克 - 對於這種尺寸的槍，我們假設可以使用稍後步驟中的天鉤。天鉤相對於地球中心的尖端速度為 5074 米/秒。減去地球自轉 (465 米/秒) 和阻力損失後的剩餘彈丸水平速度 (4160 米/秒) ，則彈丸需要再增加 449 米/秒。火箭方程式給出剩餘重量為 9330 千克。減去空車重量，淨有效載荷為 7,705 千克 (17,000 磅)。
請注意，彈丸質量增加了約 10 倍，而有效載荷增加了之前尺寸的 43 倍。除了彈丸尺寸之外，額外的 4 倍增益是由於天鉤。如果槍口速度或天鉤速度或軌道高度略有提高，彈丸將不需要增加任何速度，只需要進行機動以滿足天鉤著陸平臺。在這種情況下，淨有效載荷將再增加 20% 達到 9,225 千克。
完成發射器和彈丸的縮放後，你現在可以進行初步設計。初步設計在開始最終圖紙和計算之前停止，並且足夠詳細，你可以進行成本估算，並確定任何部件是否需要新的研究。
如上所述，亞軌道原型的位置並不關鍵。對於完整的軌道炮，地球上最佳的位置可能是厄瓜多卡亞姆貝火山，它是厄瓜多第三高的山峰，也是赤道上世界最高點，位於北緯 0 度，西經 78 度，海拔 5790 米。它有一個很好的坡度 (23 度仰角) 朝東指向雪線下方，你可以放置一門槍，這樣地形的坡度在槍口之後往往會減小。這顯然至關重要，這樣彈丸就不會擊中山峰本身。目前，這座山頂上有一座冰川，儘管它位於赤道上，因此這座山最上面的 1200 米將難以建造。從海拔 4600 米發射可以讓你免受 46% 大氣的阻力，這可以顯著減少阻力損失和熱量，而赤道空間站作為目的地，每 90 分鐘左右就會從頭頂經過。任何偏離赤道的發射場都將限制每天發射一次或兩次。其他地方也可以作為發射場，只是效率略低。
由於地球的自轉，地球在赤道處略微膨脹。因此，即使從海平面測量有更高的山峰，赤道山峰在到達軌道的意義上“更高”，並且從地球自轉中獲益更多。後者可以透過赤道半徑 (6378.1 公里) 加上發射高度 (4.6 公里) 除以自轉一週所需的時間來找到，這被稱為恆星日。這是 86,164 秒，因此自轉速度在這個位置達到 465 米/秒，或達到軌道總速度的 5.77%。
發射場地的其他考慮因素包括到人口稠密地區的距離，因為槍聲非常響，避免雪崩區域，以及最佳坡度。為了到達軌道，你希望在阻力影響之後獲得最大的動能和高度能量。某些炮管仰角將對此最佳，找到具有匹配坡度的山脈將最大限度地降低建設成本。隧穿或建造炮管支撐結構的替代方案將更加昂貴。要找到給定槍支設計的最佳仰角，請使用彈道計算器並輸入不同的角度以找到最佳角度。
這種發射器的炮管基本上是一根大型高壓管道。最相似的工業產品是天然氣管道。出於成本原因，炮管的大部分強度可能來自高強度鋼。由於內部將在短時間內暴露在高溫氫氣中，並且會受到彈丸摩擦的磨損，因此可能需要襯裡或塗層。這方面的需求將由材料和熱分析決定，這是機械工程的標準部分。氣體和彈丸不會對炮管產生很大的縱向力，槍支發射的反應力主要集中在後端，在槍支術語中稱為炮膛。即使這樣，炮管也可能由螺栓連線的部分組成，這允許拆卸以進行維護，安裝和對準地面，以及滑動配合部分以適應一般天氣變化和發射產生的熱量。
炮管的頂端可能有一個擋板系統，以防止大部分空氣進入炮管。擋板由彈丸前方堆積的剩餘空氣推開。槍口可能需要“消聲器”型別的裝置，要麼是實際降低聲學水平，要麼是減少熱氫與空氣相遇時燃燒產生的槍口火焰，要麼是捕獲氫氣以便再次使用。最後，槍口可能需要一個成形噴嘴或蒸汽噴射器，以緩解從炮管內的快速加速到離開炮管後空氣阻力產生的負加速度的變化。這些選項應在原型槍上進行分析和測試。
熱交換器從一個方便的來源 (可能是燃氣燃燒器或電加熱元件) 儲存熱量，然後在槍支發射時快速將熱量傳遞給氫氣。氧化鋁顆粒 (通常用作砂紙) 用作儲存介質。它們可以承受高溫，並且由於表面積大，以顆粒形式可以快速傳遞熱量。
這部分槍支是用來裝載彈丸，如果需要則進行燃料補充，並且槍支的主要反作用力傳遞到地面。
用於發射炮彈的氫氣在常溫下儲存在普通的高壓儲氣罐中。儲氣罐內的儲壓高於炮管內的工作壓力，以確保氣體能夠正確流動，但儲氣罐的體積將小於炮管，因為常溫氣體所佔的體積比相同數量的熱氣體少。
- 參見：低密度隧道
理論上，可以使用炮管末端的真空隧道來消除穿過大氣層的阻力和熱量。該隧道的直徑將大於炮管，以消除摩擦，並向上延伸至阻力節省和成本決定的高度。實際上，使用氫氣隧道可以獲得真空隧道93%的效果。阻力與氣體密度成正比，氫氣密度比空氣低93%。它還傾向於漂浮，這簡化了在發射山頂的炮管末端上方支撐隧道的操作。此外，氫氣是你的炮彈推進劑，因此它只是與隧道中的氫氣混合，而且將其抽回用於下次發射變得相當容易。
你需要建造一個足夠大的隧道，以確保高速彈體的衝擊波不會破壞它。這也會提供更大的升力空間。建造隧道的距離，或者是否使用它，最終取決於成本。它可以在以後新增到基本的炮彈中，以降低初始成本。使用這種隧道，你可以以更高的速度發射炮彈，並降低總體損失。
這個彈體設計示例是針對具有1200公斤彈體的執行中的炮彈。其他尺寸將更小，更簡單的版本將降低負載，因此這是一個需要解決的“最壞情況”設計挑戰。
彈體需要在三個高溫階段存活下來：（1）在炮管內由熱氫氣推動時；（2）以高速飛過大氣層時；（3）再入時，以便你能夠回收並再次使用它。
第一個熱源來自後面。高速炮彈通常使用藥筒，這是一種一次性結構，有助於將彈體裝配到炮管中，併為氣壓提供更好的密封。在此設計中使用藥筒可以透過包含絕緣材料或熱慣性來保護彈體免受熱量影響，熱慣性指的是固體物體需要一定時間才能升溫。如果這段時間長於彈體離開炮管所需的時間，則不需要額外的絕緣材料。另一種方法是使用彈體背面的火箭噴嘴，噴嘴本身需要承受高溫。在這種情況下，它還需要承受來自氣壓的高加速度力。
第二個和第三個熱源來自前面。以高速飛過大氣層會導致更高的峰值熱量率，但從更高的軌道速度再入會導致更高的總熱量，儘管以較低的速率。處理高熱量率的常用方法是燒蝕熱防護罩，它會分解並生成一層保護性氣體層。為了使彈體在飛過大氣層和再入時保持正確的方向，可能需要使用鰭片或控制面，這些也需要熱防護。
熱防護用它必須消散的能量來衡量。在飛過大氣層時，彈體的速度從5公里/秒降低到4公里/秒，這是由於阻力造成的，因此損失了5.4吉焦耳的動能。再入時，當彈體為空時，它會消散5.2吉焦耳的動能。在前者中，熱脈衝從最高的速率開始，隨著氣壓隨著高度的增加而呈指數下降，時間常數約為4秒。在後者中，熱脈衝從較低的速率開始，因為彈體以高速遇到稀薄的上層大氣，在較低、更厚的氣體密度但仍然相當高的速度時達到峰值，然後隨著速度下降的速度快於氣壓上升的速度而逐漸減弱。確切的持續時間必須透過軌跡模擬來確定，但以分鐘而不是秒來衡量。
彈體結構設計能夠承受發射時的800g過載，因此理論上應該能夠承受著陸時類似的減速。實際上，空燃料箱比滿燃料箱更容易彎曲（例如，想想一個滿瓶和空瓶的蘇打水），但彈體仍然是一個堅固的裝置。終端速度是指一個下落物體在阻力等於重力時將達到的速度，因此速度不再改變。對於我們的空彈體，我們可以假設尾部的控制面增加了50%的總面積，並且具有0.4的阻力系數，來計算終端速度。由於彈體的空質量為180公斤，因此重力產生1764牛頓的下向力。然後，終端速度約為150米/秒。假設空彈體能夠承受2000米/秒^2（200g過載），那麼它可以使用可壓縮結構合理地承受約20米/秒的撞擊速度。因此，它需要一個像降落傘或更大的控制面這樣的裝置來產生阻力。迫使彈體側向著陸而不是頭朝下著陸將增加阻力面積和阻力系數，並降低終端速度。
如果發射場位於赤道，那麼只要彈體推進始終沿著東西方向對齊，著陸點也將位於赤道。在這個例子中，著陸點可以是安第斯山脈以東約80公里的相對人口稀少的地區，這使得將空彈體返回發射場變得相對容易。然後，就是將機載火箭的再入燃燒時間安排好，以設定著陸點。空彈體的尺寸和重量可以使用小型卡車來處理。
我們假設要運送的貨物與車輛的其餘部分具有相同的平均密度，即1克/立方厘米。考慮到彈體的結構，貨物的直徑設定為50釐米。考慮到180公斤的質量，長度為92釐米。根據結構的設計需求，貨物開口可以是側艙口，或者彈體的末端可以鉸鏈開啟，貨物從那裡出來。兩種交付貨物的可能性是：（1）沒有任何空間站或貨運站；（2）在空間站或貨運站的協助下。在第一種情況下，彈體只需要精確地機動到所需的有效載荷軌道。在第二種情況下，它需要精確地機動到空間站或貨運站能夠交會的距離。最終的對接可以由彈體或空間站完成。將交會系統安裝在空間站上，而不是每次發射彈體時都發射它，可能會更有效。考慮到彈體的尺寸，用夾具夾住中間可能是最簡單的對接方式。
如果貨物是液體，整合（內建）儲罐可能會節省重量並運送更多質量。然後您將擁有兩種彈丸設計，一種用於液體貨物，另一種用於乾貨。彈丸可以設計為帶有可更換的貨物模組，用於液體，高密度或普通貨物。定製模組的重量節省必須與多種設計帶來的設計和運營成本損失進行比較。