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第12章:航行動力

一個月後,好幾份研究報告或者簡報呈現在周源面前。這幾份報告或者簡報包括:星際航行動力(主要作者:科學院飛行器動力學家馬克)、光速定律(主要作者:科學院物理學家文明)、星系標定方法(主要作者:科學院天文學家萊爾和科學院物理學家文明)、複製生命法則和意識移植(主要作者:科學院人類學家瑪利亞、科學院腦神經和生命科學家邦本)、威懾和破壁執行計劃(主要作者:科學院物理學家周源、科學院天體物理學家蔣曉燕和地球聯邦艦隊總司令艾森)、行星資源開發計劃(主要作者:科學院材料物理與化學家傑斯、社科院研究員奧賽)。

周源對前面三個很感興趣,在未來三個報告也是很重要,所以重點看。後面三個簡報,是他可以想象得到的。

第一份報告就是星際航行動力研究報告。

該報告分爲四個部分:歷史回望(講述幾十年前的飛機、化學火箭等);現階段航行動力(主要分析現在戰艦和飛船所使用的受控核聚變動力);未來動力和航行方式(分析未來可以採用的幾種動力發動機或航行方式,比如星際衝壓發動機、反物質發動機、離子發動機、恆星光壓光帆、核脈衝發動機、空間曲率驅動、利用人造黑洞等);總結建議等。

歷史回望主要部分:幾十年前,人類最熟悉的發動機應當火箭發動機,先驅者和旅行者探測器利用這種發動機飛出太陽系。不過這種發動機的缺點是明顯的,化學燃料佔據的體積和重量太大而推力則太小,效率有限。

現階段使用的受控核聚變發動機:慣性約束聚變,也稱作脈衝性聚變,在飛船尾部推進艙內使用粒子束來引爆小燃料球,小燃料球產生超高溫,生成比磁約束聚變時密度更高1萬億倍的離子漿,從而產生聚變。由於這種反應時間非常快,不必要強磁場束縛它們,小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應。在宇宙的真空中使用粒子束,比具有大氣的地球上具有明顯的好處,不受大氣分子的干擾。核聚變大幅度降低核裂變的輻射污染,不產生γ射線和中子,只產生α粒子,可以說是相當乾淨的反應。

星際衝壓發動機:典型的星際衝壓發動機其實也是一種核聚變發動機。使用星際衝壓發動機的飛船,可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問題。因爲核聚變所需要的燃料氫,在星際空間中到處都是,只要在飛行的途中把它們蒐集起來,送進反應爐中就可以了。當然,星際物質的密度是極其稀薄的,所以這種飛船上需要安裝一個巨大的漏斗形氫採集器。按照計算,如果一個1千噸重的飛船以1g的加速度前進,在高密度的星雲中就需要採集1千平方公里面積上的燃料,而在低密度的星際空間需要採集1萬平方公里。這麼大的漏斗過於巨大了,一個面積1萬平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25萬噸重,何況這不是平面而是漏斗形。當然,我們可以通過向前方發射激光或者電子束,來將星際物質的外部電子擊開形成離子,然後利用磁場收集,但是,這個磁場漏斗的延伸範圍,甚至比最初設計的漏斗更大,這個磁場漏斗的直徑需要高達5萬公里以獲取足夠的燃料。但當高速飛行的時候,這個磁場將產生巨大的拖滯效果,就如同我們推著一個大木盆游泳時的效果一樣,通過計算,這樣的飛船其實無法達到接近光速的速度,最多隻能達到光速的21%。

反物質發動機:由於反物質和物質如果相遇,將會湮滅,正反物質的質

量將全部轉化爲能量,按照愛因斯坦的質能公式,將釋放巨大的能量。就目前所知道的所有物理反應而言,這是效率最高的燃料。我們可以比較一下,星際飛船發動機燃料每公斤釋放能量的效果,很理想的化學燃料反應可以產生1*10^7焦耳的能量,核裂變產生8*10^13焦耳,核聚變產生3*10^14焦耳,而反物質的湮滅能產生9*10^16焦耳,是氫氧化學反應的1百億倍,太陽核心熱核反應的300倍。這種飛船的比衝量將是最高的,而推重比也可能是最高的,一片阿司匹林那麼大的反物質同物質湮滅產生的能量,足以讓一艘飛船巡弋數百光年。反物質發動機的設計方案,比衝量最高的是粒子束核心,直接一對一的湮滅,然後以磁場控制帶電介子,並把它們直接從噴口噴射出去,由於這些介子的運動速度接近光速,發動機比衝量可能要超過1千萬秒。因爲湮滅產生的帶電介子,在衰變後變成半衰期更長的帶電μ介子,所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料,不需要推進劑,可以極大地減少飛船的負載。由於湮滅的產物是以接近光速運動的,所以飛船必須造得很長。但是,反物質製造和儲存有很大的麻煩。首先是製造它太消耗能量了,因爲我們目前還沒有其他製造反物質的辦法,所以只能把湮滅過程反過來,使用粒子加速器,根據愛因斯坦的質能轉換公式從能量中製造出反物質(以基本粒子的形態產生)。由於這個原因,現在全球每年才能製造出一億分之一克的反物質。如果使用粒子束核心反物質發動機的話,需要幾毫克反物質來在太陽系內旅行,如果要去最近的比鄰星的話,則需要幾公斤,這遠遠超過了我們的製造能力。另外一個障礙是儲存,因爲反物質只要遇到正物質,立刻就會湮滅爆炸,所以我們無法使用任何正物質製作的容器來存放它,現在都是通過超冷真空的彭寧離子阱,利用迭加電磁場來存放反物質基本粒子,這是種可以便攜運輸的反質子存放裝置,目前已經進展到儲存10^15個反質子,可要滿足反物質推進的話,需要存放10^21個反質子。

離子發動機:離子發動機(靜電加速式發動機),這種發動機的工作原理是效仿加速器來加速離子的辦法,這種辦法最大的特點是,它可以把離子加速到接近光速的速度。也就是說,我們有可能通過這種辦法得到非常高的噴氣速度。發動機中又不存在高溫問題,因此發動機的排氣速度也是可以無限制的提高,以至於接近光速。離子發動機採用雙彭源,也就是雙等離子體離子源和永磁PIG離子源的結合。大功率的雙彭源是一種單電荷態的強流離子源,可以引出安培級以上的離子流。從外形結構看,雙彭源只是在雙等離子體離子源的陽極外側增設一個對陰極。前三個電極組成類似於雙等離子體離子源的系統,看作是一個電子源。由於對陰極上加有和中間電極相同或更負些的電壓,電子就在中間電極和對陰極之間反射振盪,改善了電離。

恆星光壓光帆:光帆的理論基礎是,當光被反射的時候,就從光子傳遞給光帆一個動力產生加速度。被反射的能量越多,獲得的動力就越多。也就是說,光帆表面的反射性能越好,其效果就越好。在光帆方面的發展重點,就是如何進一步尋找這樣的可以很大、很薄、很輕、反光性好、而且不會因爲隕石的打擊而撕裂的材料。光帆最大的好處是它們有免費的推進系統,既不需要發動機,也不需要燃料,節省了大量的重量,而且可以長期加速,這

兩者結合,意味著它最終能達到很高的速度。但是,光帆利用恆星光的話,其缺點非常明顯,首先是光帆的推重比極其微小,其次是當使用光帆的飛行器遠離太陽,陽光的密集度越來越低,壓力會越來越小,直到最終可以忽略,也不再對光帆施加壓力併產生加速度,再次,爲了能夠航行並且攜帶一定的有效載荷,光帆的面積必須非常巨大,才能獲得足夠大的推力,最後,光帆飛船太缺乏機動性了,運送探測器還可以,但是運人的話,大概沒幾個人有這麼好的耐心,如果利用激光替代恆星光的話,飛船速度上去了,但飛船同樣缺乏機動性。

核脈衝發動機:不是利用受控的核反應,而是利用核爆炸來推動飛船,這已經不是一種發動機了,應該稱爲核脈衝火箭。這種飛船攜帶大量的核彈,一顆顆地拋在身後,然後引爆,飛船後面安裝一個推進盤,吸收爆炸的衝擊波推動飛船前進。核彈並非直接作用於推進盤上,在釋放出核彈後,接著再釋放出一些由高聚酯材料或者納米纖維製成的固體圓盤。當飛船駛出一定距離,核彈將在飛船後面爆炸,蒸發掉圓盤,將其轉化成高熱的等離子漿。由於圓盤位於核彈和飛船之間,等離子漿中相當部分將會追上飛船,撞擊飛船尾部巨大的金屬推進盤,從而推動太空飛船高速行駛。推進盤承受的瞬間推力過於巨大,從而超過人體承受能力,因此,飛船設計上還在推進盤和前部船體之間安裝一個振動吸收系統,脈衝能量將暫時被儲存在吸收系統中,然後逐步釋放出來,這樣不至於因爲爆炸的衝擊而導致劇烈的震盪,讓飛船能夠比較平穩地飛行。

空間曲率航行:一種理論認爲,這個宇宙的空間並不是平坦的,而是存在著曲率,如果把宇宙的整體想象爲一張大膜,這張膜的表面是弧形的,整張膜甚至可能是一個封閉的肥皂泡,雖然膜的局部看似平面,但空間曲率還是無處不在。很早曾出現過許多極富野心的星際航行設想,其中之一就是空間摺疊,空間摺疊是設想把大範圍空間的曲率無限增大,像一張紙一樣對摺,把“紙面”上相距遙遠的兩點貼在一起。這個方案嚴格來說不應稱爲空間航行,而應該叫做“空間拖曳”,因爲它實質上並不是航行到目的地,而是通過改變空間曲率把目的地拖過來。這需要打破基礎理論限制,對時空理論很成熟,或許還需要提供極高極高的能量,這在目前不太現實。同時,有些人提出一種相反的設想。就是如果飛船能用某種方式把它後面的一部分空間“熨平”,減小這部分空間的曲率,那麼飛船就會被前方曲率較大的空間拉過去,可以實現光速或者超光速航行。

利用黑洞航行:基於我們已經創造出人工黑洞,我們是否大膽設想,利用人工黑洞進行超光速航行?當然我們需要知道天然黑洞和人造黑洞的完善理論,不過我們可以試驗,比如將一艘人工智能控制的飛船進入到人造黑洞,看是否有奇特現象,是否有超光速效果?或許黑洞產生的強大引力場能局部改變空間結構,形成空間曲率變化,可以進行曲率航行。利用這種空間前後的張力推動,使得飛船可以安全的以快於光速的幾個數量級的速度航行,用空間推動的方式規避了光速限制,同時又迴避了時間膨脹的相對論性的問題。

以下是建議:目前重點投放在離子發動機研製和批量生產,並且同時進行(人造)黑洞相關理論研究和超光速可行性試驗。

(PS:本章主要內容來自於網上資料,作者蒐集並整理)

(本章完)

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