[推荐]未来太空战船的发动机(一),核动力发动机

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导读:人类最熟悉的宇宙发动机应当火箭发动机,加加林利用这种发动机进入太空,阿姆斯特朗和奥尔德林利用这种发动机登上月球,先驱者和旅行者探测器利用这种发动机飞出太阳系。不过这种发动机的缺点是明显的,化学燃料占据的体积和重量太大而推力则太小,效率有限。科幻小说和电影也都觉得这种发动机太落后,所以想出了各种更先进的发动机:核发动机、星际冲压发动机、反物质发动机、离子发动机、光子发动机,甚至想到了利用恒星的光压和恒星风来在宇宙中扬起光帆航行。

未来太空战船的发动机机(一) 发帖心情 Post By:2009-5-18 14:10:55 Post IP:221.221.236.227


(一)


转自:格物论坛(www.infothink.cn)



人类最熟悉的宇宙发动机应当火箭发动机,加加林利用这种发动机进入太空,阿姆斯特朗和奥尔德林利用这种发动机登上月球,先驱者和旅行者探测器利用这种发动机飞出太阳系。不过这种发动机的缺点是明显的,化学燃料占据的体积和重量太大而推力则太小,效率有限。科幻小说和电影也都觉得这种发动机太落后,所以想出了各种更先进的发动机:核发动机、星际冲压发动机、反物质发动机、离子发动机、光子发动机,甚至想到了利用恒星的光压和恒星风来在宇宙中扬起光帆航行。


不过,科技永远在追赶科幻,上述的飞船推动方式有的已经成为现实,有的正在实验,科幻与现实之间的界限正在淡化。我下面将对这些处于科幻与现实之间的动力方式做个介绍。


在开始之前,首先解释两个后边要多次用到的名词:


“比冲量”(specific impulse):“比冲量”是动力学家衡量火箭引擎效率的一种标准量,它是火箭产生的推力乘以工作时间再除以消耗掉的总燃料质量。如果力和质量都用千克,比冲量的单位就是秒。可以理解为火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。


比冲量越高,火箭的总动力越大,最终的速度越快,典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒,液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒。


推重比(thrust-to-weight ratio即T/W):推进系统未必是产生推力越大越好,需要看该推进系统的重量。推重比是发动机推力与发动机重量的比值。



一、核动力发动机


说到未来的宇航动力,人们恐怕首先会想到核动力,我们目前化学燃料的火箭推力太小,所以每次发射必须寻找合适的发射窗口,以便利用行星的引力来加速,使得它们能真正飞往宇宙深处,到目前为止,人类发射的所有深空探测器没有一个不利用行星的引力。这自然是个聪明的办法,但是毕竟只是无奈的变通方式,很消耗时间,而且受到的航线限制太多。安装核动力的飞船和探测器由于推力强大,就不必利用行星的引力,更不必在航线的限制上操心过多。


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核发动机

核动力也是相当可行的一种方案,如果利用核裂变的方式,也就是我们地球上发电厂中的方式,我们完全可以在十年内制造出核裂变动力火箭。如果采用核聚变的方式,则需要在受控核巨变方面取得进一步进展,但核聚变动力火箭将比现在的化学动力火箭轻得多,即使用比较慢的核能利用方式,也要比现代的化学动力火箭快一倍,它可以在3年内抵达土星,而不是现在的7年。由于燃料能持续更久,去往土星后还能有足够的能量继续旅行15年。而且,还有一种更直接的对核能的利用方式,可以获得强大的推动力将巨额的载重送往其他行星,只是那需要一种非常疯狂的方式。


对于核动力的利用方式有3种:

1、利用核反应堆的热能

2、直接利用来自反应堆的高能粒子

3、利用核弹爆炸


利用反应堆的热量是最简单也是最明显的方式,核动力航空母舰和核潜艇都是利用核裂变反应堆的动力来推动螺旋桨,只不过太空没有水或者空气这种介质,不能采用螺旋桨而必须利用喷气的方式。但方法仍很简单,反应堆中核子的裂变或者聚变产生大量热能,我们将推进剂(很可能采用液态氢)注入,推进剂会受热迅速膨胀,然后从发动机尾部高速喷出,产生推力。其结构如下图所示,推进剂从左侧注入,中间加热,右侧喷出。


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核发动机结构



而这具体又分多种类型,其中核裂变发动机分以下4种类型:


1) 固体核心核发动机:在这种发动机中,推进剂受固体燃料核心加热,估计比冲量能达到大约800秒;

2) 粒子床(Particle Bed)核发动机:在这样的发动机中,液体推进剂被泵入核燃料里面,这种方式能达到很高的热量,使得比冲量能达到大约1,000秒,推重比超过1;

3) 液体核心核发动机:这个办法是使用液态的核裂变燃料,由于不必操心裂变物质的熔点,所以能达到更高温度从而获得更大的优势,比冲量能达到大约1,500秒,推重比超过1;

4) 气体核心核发动机:这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发,在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质,从而达到最高的可能温度,安装一个冷却系统后,比冲量能够达到7,000秒。


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核发动机推进

利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料,但必须携带许多液体推进剂,结果许多节省的重量都被消耗掉了,获得的好处没剩多少。由于核反应的时候能够产生许多高能粒子,所以第二种方式就是直接利用来自反应堆的粒子,从而不必携带推进剂。


这些高能粒子移动速度非常快,我们当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂的热运动速度增大从而获得推力,而这里我们已经有了这样的高速运动物质。而且这些高能粒子是离子态的,从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。事实上,这种磁场控制方式已经在我后边要介绍的离子发动机上使用了。


利用这种方式,可以达到极高的比冲量——1百万秒!这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务,甚至进行恒星际飞行。


不过,这种发动机可不象前面介绍的那些那么容易制造,而且可能非常昂贵,有可能需要一个很大很重的反应装置,或者一个利用多阶段反应(后一个阶段利用前一阶段产物)的小一些的反应装置。


第三种方式是一个大胆而疯狂的方式,不再是利用受控的核反应,而是利用核爆炸来推动飞船,这已经不是一种发动机了,它被称为核脉冲火箭(nuclear pulse rocket)。这种飞船将携带大量的低当量原子弹,一颗颗地抛在身后,然后引爆,飞船后面安装一个推进盘,吸收爆炸的冲击波推动飞船前进。


这种看似天方夜谭的方式却是被美国政府实实在在考虑过的计划,这个在1955年被以猎户座计划(Project Orion)命名的项目,希望建造一个简单,承载大,而且在资金上能够建造得起的飞船。这个项目最初计划在地面直接起飞,可能就在内华达的核武器试验场 Jackass Flats,这个飞船的样子象主教冠或者子弹头,16层楼高(AzureFlame注:国内媒体把sixteen和sixty弄混淆了,居然说有60层楼高),后面的推进盘直径135英尺(41米多)。发射台包括八个发射塔,每个250英尺高(76.2米)。起飞飞船质量是1万吨,和普通的化学火箭不同,这些质量中大部分都将进入轨道。飞船起飞时爆炸的原子弹当量为0.1千吨(注意,100吨TNT当量爆炸产生的推动力可远不只100吨),每1秒钟就抛出一个,而当飞船加快到一定速度后,将下降到每10秒爆炸一枚2万吨当量的原子弹。起飞方式被设计为竖直向上飞行,而不是象普通化学火箭这样到一定高度就倾斜飞行。这样飞的目的是把放射性污染集中到一个小区域内。最初计划携带2千颗原子弹,利用它把宇航员于1965年送往火星,1970年送到土星。船上可以装载150人,以及数千吨的载重,使得他们生活相对很舒适。这种飞船可以建造得象战列舰一样,而不必象化学动力飞船那样过分考虑重量。飞船上还将携带一些小的化学动力飞船,用来在行星或者卫星上着陆并重新返回猎户座飞船。


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原子弹并非直接作用于推进盘上,在释放放出原子弹后,接着再释放出一些由塑料制成的固体圆盘(当时倾向于聚乙烯),当飞船驶出一定距离,原子弹将在飞船后面200英尺处爆炸,蒸发掉塑料圆盘,将其转化成高热的等离子浆。由于塑料盘位于原子弹和飞船之间,等离子浆中相当部分将会追上飞船,撞击太空飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空飞船高速行驶。理论上比冲量可以达到1万到1百万秒。


之所以选择塑料是因为塑料对核爆炸产生的中子的吸收效果好,也就是说它同瞬间的辐射能配合得非常好,它将分解成轻原子比如氢和碳并以高速运动。由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现,瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,甚至可以忽略不计,没必要设计专门的冷却系统,并且普通的铝和钢就足以成为制造金属推进盘的耐久材料。


对于推进盘承受的压力进行计算发现,瞬间的推力将过于巨大从而超过人体承受能力,因此,飞船上还在推进盘和前部船体之间安装了一个震动吸收系统,脉冲能量将被暂时储存在吸收系统中然后逐步释放出来,这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡,能够比较平稳地飞行。


事实上,美国科学家已经围绕这个计划做了许多实验,而且已经证明这个计划是可行的。1959年11月进行了一次100米高度的飞行,共爆炸6枚化学炸弹。这次实验证明脉冲飞行是可以稳定进行的。


然而,这个设想却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力,当它飞出大气层时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划后来胎死腹中的原因之一。在1963年美苏签定禁止大气层核试验条约之后,猎户座计划研究于1965年终止。


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猎户座飞船



不过,这项计划终究有其吸引人之处,它完全可以胜任以万吨飞船再携带万吨载重前往远方行星的重任,按照当初的计划,猎户座太空飞船只需125天就能往返火星。而且现代的技术发展又为其提供了新的可能,中子弹可以以低辐射的方式来发射大量中子,对塑料盘产生作用;而最近对X射线激光的研究则可以用于将辐射集中于朝向飞船的方向,从而更加高效利用能量。支持它的科学家甚至计算过,最少可以用50亿美元建造一个飞船并把1万吨的东西带上太空,这样,每磅物品的运送花费仅仅是250美元,而使用航天飞机则达到5千到6千美元。随着对猎户座计划的热情重新涨起,也许有一天这个计划会重新复活。


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核聚变

核裂变发动机在核心制造方面没有太大的技术困难,但核聚变发动机则不同,首先需要解决受控核聚变的问题。我们目前的技术尚无法让轻核在常温下发生聚变,氢弹是用原子弹爆炸产生的高温来解决问题,但我们总不能在飞船内部爆炸原子弹吧。


解决聚变问题的主要思路有三种:


1) 磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion,简称MCF),也被叫做持续性聚变(continuous fusion),是将核燃料变成数百万度的高温等离子浆,从而使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用非常强大的磁场来束缚它们,否则离子浆将融化任何束缚它们的容器。不过目前的技术还维持不了足够的时间来使它们产生反应。

2) 惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF),也被称作脉冲性聚变(pulsed fusion),利用激光或者粒子束来照射小燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高1万亿倍的离子浆,从而产生聚变。由于这种反应时间非常快,不必要强磁场束缚它们,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应。

3) μ介子催化聚变(Muon-Catalysed Fusion),μ介子是一种带负电,质量为电子207倍的基本粒子,寿命2.20微秒。由于它的质量比电子大许多,所以能够同原子核更接近,而它带的负电可以屏蔽原子核的正电,使得原子核之间的斥力减小,能够更接近,这样,就不需要严格的超高温或者体积限制。不过这种方式在目前的技术上还难以突破,很难让μ介子进入原子核周围的轨道,而且它的寿命太短暂,所以以它为催化剂的聚变必须非常快才行,此外目前制造μ介子的代价也过于昂贵。


目前受控核聚变还是可以进行的,只不过用在发电方面是得不偿失,因为输入的能量远大于输出的能量。但宇航并不需要计较什么输出能量的大小,所以只要技术发展到输入的能量和输出能量大小不差异太大的话,受控核聚变完全可以在太空旅行中首先使用。那么,就考虑一下这三种方式的前景吧:


1) 磁约束聚变发动机。磁约束聚变有可能是发电的最佳方式,但在宇航方面很可能就不理想了,倒不是因为我们必须发明离子浆方向控制系统,而是因为必须安装一个磁场产生装置,而且可能还很大,而且这种方式下的离子浆密度低,意味着必须发动机必须造得很大。不过我们还要看看未来的发展如何。


2) 惯性约束聚变发动机。和猎户座计划一样,这个方案是直接利用核爆炸,但这个方案是在船体内部爆炸,在尾部推进舱内使用激光或者粒子束来引爆小燃料球,每秒要引爆30到250个。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大气的地球上具有明显的好处,不受大气分子的干扰。相对来说,这个方案是最可行的,不过,很显然这种方式也要安装别的设施,比如激光器或者粒子束发生器,并且需要给它们提供能量,尽管这个方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。

也有一些规避方案,比如:

* 把激光器安在地球轨道上,然后飞船用一个很轻的光学系统来收集照射过来的激光并用于引爆,这样可以让飞船飞得很快,大概60天就能来回土星,不过看起来这个主意并不怎么好;

* 使用高聚能物质(high energy density matter,简称HEDM,后面将有介绍)替代激光,象原子弹里化学炸药的冲力引爆核燃料一样来引发聚变,不过高聚能物质也有其自己的问题,后面会讲到。

* 使用动态启动器('kinematic' drivers)来替代激光,可以把高聚能物质的作用想象成一个高速大锤,不过能否真达到足够的速度让人怀疑;

* 一个大胆的建议是从地球轨道上高速发射小燃料球,然后飞船发射东西高速撞击它们以引爆,但很显然这个对接难度过大了;

* 最后我们还可以利用反物质反应和核聚变结合,用湮灭来引发聚变,这样,我们可以用很轻的发动机系统来获得高效率,不过反物质的麻烦也很多,后面会提到。


3) μ介子催化聚变发动机。这个方案也不太适合宇航,因为μ介子寿命极短,这意味着我们必须在飞船上安装μ介子制造器,从而增加重量,把不需要磁场产生装置和激光器的好处都抵消掉了。而且以目前的技术制造μ介子需要的能量太大,有这能量还不如直接发动飞船。有人提出可以利用真空零点能(Zero Point Energy,我后面会介绍),但那毕竟是一个没有证明的东西。


不论使用什么方式,都需要发明一个磁场限制装置来保护飞船的喷口,否则高热的离子会很快把喷口融掉。


有趣的是,也存在一个聚变版本的猎户座计划,它就是英国的代达罗斯计划(Project Daedalus),以希腊神话中那位用蜡和羽毛给自己和儿子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。


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代达罗斯计划



英国星际学会(British Interplanetary Society)在上世纪70年代重新回顾了猎户座计划,并提出代达罗斯计划,只不过以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star,是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器,并用50年的时间到达那里。


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代达罗斯恒星际探测器的运转场景



这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸,而是内部的发动机,在一个磁场构筑的“燃烧室”中,向小燃料球照射发射电子束,产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。


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代达罗斯探测器的外形



探测飞船的质量为5.4万吨,其中推进装置重量是5万吨,预计经过持续4年的加速后,可以达到光速的1/8。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的,设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的,我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力,而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。


总的来说,核裂变发动机是相当现实的东西,而核聚变发动机则基本偏向科幻,需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺,而用于核聚变的氘和氚却很多,在近处的月球上尤其丰富。此外,核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景,其方式是利用氢核 (质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应,虽然反应困难而且产生的能量小,但不产生γ射线和中子,只产生α粒子,可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。转自:格物论坛(www.infothink.cn)

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未来太空战船的发动机(一),核动力发动机

未来太空战船的发动机(二),星际冲压发动机

未来太空战船的发动机(三),反物质发动机

未来太空战船的发动机(四),离子发动机

未来太空战船的发动机(五),光帆

未来太空战船的发动机(六),光子发动机

未来太空战船的发动机(七 ),对传统化学火箭的改进

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