笔趣阁 > 科幻小说 > 光速战争 > 第12章:航行动力

  一个月后,好几份研究报告或者简报呈现在周源面前。这几份报告或者简报包括:星际航行动力(主要作者:科学院飞行器动力学家马克)、光速定律(主要作者:科学院物理学家文明)、星系标定方法(主要作者:科学院天文学家莱尔和科学院物理学家文明)、复制生命法则和意识移植(主要作者:科学院人类学家玛利亚、科学院脑神经和生命科学家邦本)、威慑和破壁执行计划(主要作者:科学院物理学家周源、科学院天体物理学家蒋晓燕和地球联邦舰队总司令艾森)、行星资源开发计划(主要作者:科学院材料物理与化学家杰斯、社科院研究员奥赛)。

  周源对前面三个很感兴趣,在未来三个报告也是很重要,所以重点看。后面三个简报,是他可以想象得到的。

  第一份报告就是星际航行动力研究报告。

  该报告分为四个部分:历史回望(讲述几十年前的飞机、化学火箭等);现阶段航行动力(主要分析现在战舰和飞船所使用的受控核聚变动力);未来动力和航行方式(分析未来可以采用的几种动力发动机或航行方式,比如星际冲压发动机、反物质发动机、离子发动机、恒星光压光帆、核脉冲发动机、空间曲率驱动、利用人造黑洞等);总结建议等。

  历史回望主要部分:几十年前,人类最熟悉的发动机应当火箭发动机,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。

  现阶段使用的受控核聚变发动机:惯性约束聚变,也称作脉冲性聚变,在飞船尾部推进舱内使用粒子束来引爆小燃料球,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。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。核聚变大幅度降低核裂变的辐射污染,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。

  星际冲压发动机:典型的星际冲压发动机其实也是一种核聚变发动机。使用星际冲压发动机的飞船,可以不牺牲灵活性而解决燃料携带方面的问题。因为核聚变所需要的燃料氢,在星际空间中到处都是,只要在飞行的途中把它们搜集起来,送进反应炉中就可以了。当然,星际物质的密度是极其稀薄的,所以这种飞船上需要安装一个巨大的漏斗形氢采集器。按照计算,如果一个1千吨重的飞船以1g的加速度前进,在高密度的星云中就需要采集1千平方公里面积上的燃料,而在低密度的星际空间需要采集1万平方公里。这么大的漏斗过于巨大了,一个面积1万平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25万吨重,何况这不是平面而是漏斗形。当然,我们可以通过向前方发射激光或者电子束,来将星际物质的外部电子击开形成离子,然后利用磁场收集,但是,这个磁场漏斗的延伸范围,甚至比最初设计的漏斗更大,这个磁场漏斗的直径需要高达5万公里以获取足够的燃料。但当高速飞行的时候,这个磁场将产生巨大的拖滞效果,就如同我们推着一个大木盆游泳时的效果一样,通过计算,这样的飞船其实无法达到接近光速的速度,最多只能达到光速的21%。

  反物质发动机:由于反物质和物质如果相遇,将会湮灭,正反物质的质量将全部转化为能量,按照爱因斯坦的质能公式,将释放巨大的能量。就目前所知道的所有物理反应而言,这是效率最高的燃料。我们可以比较一下,星际飞船发动机燃料每公斤释放能量的效果,很理想的化学燃料反应可以产生1*10^7焦耳的能量,核裂变产生8*10^13焦耳,核聚变产生3*10^14焦耳,而反物质的湮灭能产生9*10^16焦耳,是氢氧化学反应的1百亿倍,太阳核心热核反应的300倍。这种飞船的比冲量将是最高的,而推重比也可能是最高的,一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量,足以让一艘飞船巡弋数百光年。反物质发动机的设计方案,比冲量最高的是粒子束核心,直接一对一的湮灭,然后以磁场控制带电介子,并把它们直接从喷口喷射出去,由于这些介子的运动速度接近光速,发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子,在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子,所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料,不需要推进剂,可以极大地减少飞船的负载。由于湮灭的产物是以接近光速运动的,所以飞船必须造得很长。但是,反物质制造和储存有很大的麻烦。首先是制造它太消耗能量了,因为我们目前还没有其他制造反物质的办法,所以只能把湮灭过程反过来,使用粒子加速器,根据爱因斯坦的质能转换公式从能量中制造出反物质(以基本粒子的形态产生)。由于这个原因,现在全球每年才能制造出一亿分之一克的反物质。如果使用粒子束核心反物质发动机的话,需要几毫克反物质来在太阳系内旅行,如果要去最近的比邻星的话,则需要几公斤,这远远超过了我们的制造能力。另外一个障碍是储存,因为反物质只要遇到正物质,立刻就会湮灭爆炸,所以我们无法使用任何正物质制作的容器来存放它,现在都是通过超冷真空的彭宁离子阱,利用迭加电磁场来存放反物质基本粒子,这是种可以便携运输的反质子存放装置,目前已经进展到储存10^15个反质子,可要满足反物质推进的话,需要存放10^21个反质子。

  离子发动机:离子发动机(静电加速式发动机),这种发动机的工作原理是效仿加速器来加速离子的办法,这种办法最大的特点是,它可以把离子加速到接近光速的速度。也就是说,我们有可能通过这种办法得到非常高的喷气速度。发动机中又不存在高温问题,因此发动机的排气速度也是可以无限制的提高,以至于接近光速。离子发动机采用双彭源,也就是双等离子体离子源和永磁PIG离子源的结合。大功率的双彭源是一种单电荷态的强流离子源,可以引出安培级以上的离子流。从外形结构看,双彭源只是在双等离子体离子源的阳极外侧增设一个对阴极。前三个电极组成类似于双等离子体离子源的系统,看作是一个电子源。由于对阴极上加有和中间电极相同或更负些的电压,电子就在中间电极和对阴极之间反射振荡,改善了电离。

  恒星光压光帆:光帆的理论基础是,当光被反射的时候,就从光子传递给光帆一个动力产生加速度。被反射的能量越多,获得的动力就越多。也就是说,光帆表面的反射性能越好,其效果就越好。在光帆方面的发展重点,就是如何进一步寻找这样的可以很大、很薄、很轻、反光性好、而且不会因为陨石的打击而撕裂的材料。光帆最大的好处是它们有免费的推进系统,既不需要发动机,也不需要燃料,节省了大量的重量,而且可以长期加速,这两者结合,意味着它最终能达到很高的速度。但是,光帆利用恒星光的话,其缺点非常明显,首先是光帆的推重比极其微小,其次是当使用光帆的飞行器远离太阳,阳光的密集度越来越低,压力会越来越小,直到最终可以忽略,也不再对光帆施加压力并产生加速度,再次,为了能够航行并且携带一定的有效载荷,光帆的面积必须非常巨大,才能获得足够大的推力,最后,光帆飞船太缺乏机动性了,运送探测器还可以,但是运人的话,大概没几个人有这么好的耐心,如果利用激光替代恒星光的话,飞船速度上去了,但飞船同样缺乏机动性。

  核脉冲发动机:不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,应该称为核脉冲火箭。这种飞船携带大量的核弹,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。核弹并非直接作用于推进盘上,在释放出核弹后,接着再释放出一些由高聚酯材料或者纳米纤维制成的固体圆盘。当飞船驶出一定距离,核弹将在飞船后面爆炸,蒸发掉圆盘,将其转化成高热的等离子浆。由于圆盘位于核弹和飞船之间,等离子浆中相当部分将会追上飞船,撞击飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空飞船高速行驶。推进盘承受的瞬间推力过于巨大,从而超过人体承受能力,因此,飞船设计上还在推进盘和前部船体之间安装一个振动吸收系统,脉冲能量将暂时被储存在吸收系统中,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,让飞船能够比较平稳地飞行。

  空间曲率航行:一种理论认为,这个宇宙的空间并不是平坦的,而是存在着曲率,如果把宇宙的整体想象为一张大膜,这张膜的表面是弧形的,整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡,虽然膜的局部看似平面,但空间曲率还是无处不在。很早曾出现过许多极富野心的星际航行设想,其中之一就是空间折叠,空间折叠是设想把大范围空间的曲率无限增大,像一张纸一样对折,把“纸面”上相距遥远的两点贴在一起。这个方案严格来说不应称为空间航行,而应该叫做“空间拖曳”,因为它实质上并不是航行到目的地,而是通过改变空间曲率把目的地拖过来。这需要打破基础理论限制,对时空理论很成熟,或许还需要提供极高极高的能量,这在目前不太现实。同时,有些人提出一种相反的设想。就是如果飞船能用某种方式把它后面的一部分空间“熨平”,减小这部分空间的曲率,那么飞船就会被前方曲率较大的空间拉过去,可以实现光速或者超光速航行。

  利用黑洞航行:基于我们已经创造出人工黑洞,我们是否大胆设想,利用人工黑洞进行超光速航行?当然我们需要知道天然黑洞和人造黑洞的完善理论,不过我们可以试验,比如将一艘人工智能控制的飞船进入到人造黑洞,看是否有奇特现象,是否有超光速效果?或许黑洞产生的强大引力场能局部改变空间结构,形成空间曲率变化,可以进行曲率航行。利用这种空间前后的张力推动,使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行,用空间推动的方式规避了光速限制,同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。

  以下是建议:目前重点投放在离子发动机研制和批量生产,并且同时进行(人造)黑洞相关理论研究和超光速可行性试验。

  (PS:本章主要内容来自于网上资料,作者搜集并整理)