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第165章 科幻引擎(二)

· 同时,惯性减小还能降低太空飞行器碰撞时的破坏力,使太空交通更安全;

· 此外,通过快速恢復甚至提高太空飞行器的实际惯性质量,还能实现快速减速 —— 这正是我们在科幻作品中常看到的太空飞行器 “急剎车” 场景。

这类技术通常被归类为克拉克科技,且可能违反动量守恆或能量守恆定律。

此外,惯性减小技术还可能意味著我们掌握了 “惯性阻尼” 技术 —— 科幻作品中常用这一技术来解释太空飞行器为何能快速加速或减速,而不会让船员因惯性作用被 “甩成肉泥”。

惯性减小推进器与引力推进器可被视为 “孪生技术”—— 二者都能实现类似的 “无惯性” 加速效果。

加粗 - 离子推进器

离子推进器(也称为离子推力器或离子发动机)是电动太空飞行器推进系统的一个大类。其核心原理是:利用电源產生的电场或磁场,加速带有电荷的电离粒子(推进剂),使其从太空飞行器尾部喷出,从而產生推力。

离子推进器的电源来源多样,包括电池、放射性同位素热电发生器(rtgs)、机载反应堆、太阳能电池板,或是通过雷射、能量束等外部方式传输的能量。

这类推进器通常具有 “低推力、高效率” 的特点:

· 由於推力小,无法用於太空飞行器的地面起飞或穿越大气层;

· 但由於效率高,能长时间持续工作(可运行数小时甚至数周),最终能將太空飞行器加速到远高於化学火箭的速度(化学火箭通常只能运行几分钟)。

因此,离子推进器非常適合以下场景:

· 电源充足但对加速时间无严格要求的任务,如行星际航行;

· 卫星的轨道微调或轨道维持。

从理论上讲,离子推进器的排气速度没有上限 —— 因为它本质上是一种粒子加速器,而粒子加速器已能將粒子加速到接近光速(如 0.999999999988 倍光速)。但在实际应用中,其排气速度会受到推进剂类型、电源功率等因素的限制,存在一个 “最有效” 的速度范围。

加粗 - 克拉斯尼科夫管

克拉斯尼科夫管是一种用於超光速飞行的曲速推进器设计,与其他曲速推进器类似,它的实现依赖於自然界中尚未经实验证实的奇异物质,因此被归类为克拉克科技。

根据狭义相对论,以接近光速飞行的太空飞行器会经歷 “时间膨胀” 效应 —— 太空飞行器上的时间流逝速度会远慢於外界。例如:

· 一艘以 99.5% 光速飞行的太空飞行器,船上每度过 1 天,外界就会度过 10 天;

· 若该太空飞行器前往 10 光年外的埃普西隆?厄里达尼恆星系统,从外界视角看,旅程耗时约 10 年,但船员在船上仅会经歷 1 年。

谢尔盖?克拉斯尼科夫提出,在这类太空飞行器飞行轨跡的 “尾跡” 中,会形成一个 “时间捷径”—— 通过这个捷径,后续太空飞行器能在更短时间內完成相同旅程。例如:

· 第一艘太空飞行器於 2090 年出发前往埃普西隆?厄里达尼星系,按正常时间膨胀效应,將於 2100 年抵达(外界时间);

· 第二艘太空飞行器可在 2099 年出发,通过第一艘太空飞行器留下的克拉斯尼科夫管,同样在 2100 年抵达目的地。

理论上,通过持续发射太空飞行器,可在两个恆星系统之间建立一个 “持续的超光速通道”—— 例如,每月第一天发射一艘太空飞行器,就能形成一个稳定的超光速交通管。

然而,若在两个恆星系统之间建立双向的克拉斯尼科夫管(用於往返航行),则通常被认为会破坏因果律 —— 可能导致 “时间悖论” 等问题。

加粗 - 雷射帆

雷射帆与太阳帆的原理相似,都是通过反射光或其他电磁辐射,利用光子的动量推动太空飞行器前进。但雷射帆具有以下四个独特优势:

1. 强力推进:通过发射高强度的集中光子束(而非依赖微弱的太阳光),可在帆面上產生更大的推力,因此无需像太阳帆那样製造巨大的帆面就能获得相同的推进效果。

2. 远距离聚焦:通过精密的光学系统,雷射束可在远离发射源的地方仍保持聚焦状態,確保能持续为雷射帆提供推力。

3. 灵活的发射源:雷射的发射源不必是恆星,也可以是地面或太空中的发电站、中继站(如由彗星改造而成的核聚变反应堆雷射站),从而能无限延伸推进范围。

4. 能量传输:除了提供推进力,雷射束还能为太空飞行器传输能量 —— 例如,太空飞行器上的太阳能电池板可吸收雷射能量供电,或通过巨型整流天线接收微波能量。

在实际应用中,太空飞行器可根据任务需求,结合雷射帆与其他推进系统或动力装置:

· 利用雷射束传输的能量加热推进剂,或电离推进剂后通过离子推进器喷出,从而在牺牲部分最终速度的前提下,获得更快的加速能力;

· 结合物质束技术,雷射帆太空飞行器还可在飞行过程中补充推进剂;

· 若目的地恆星系统中部署了雷射发射装置,还能利用雷射束为太空飞行器减速(无需消耗自身燃料)。

例如,在移动彗星时,可从恆星系统內部向彗星发射雷射束,彗星吸收雷射能量后汽化冰层產生推进力,同时雷射束的推力又会 “抵消” 部分汽化推进力,最终使彗星缓慢进入恆星系统內部区域。

加粗 - 磁太阳风帆

磁太阳风帆(也称为 “磁翼” 或简称 “磁帆”)与电动太阳风帆的原理相似,都是利用恆星喷射出的电离物质流(太阳风或恆星风)推动太空飞行器前进。但磁太阳风帆的独特之处在於,它可利用超导体(尤其是高温超导体)来控制太空飞行器在恆星系统內的加速、减速或机动。

此外,银河系中存在许多高速电离气体区域,磁太阳风帆可利用这些气体流在银河系內航行,甚至向银河系边缘移动。同时,在太空飞行器以较低的星际速度飞行时,磁太阳风帆还可通过在恆星系统內 “螺旋式” 飞行,利用恆星风实现减速。

加粗 - 磁等离子体动力推进器

磁等离子体动力推进器(简称 mpdt,也称为 mpd 电弧喷射器或洛伦兹力加速器)是另一种电动推进技术,与基础离子推进器或电阻加热喷气发动机相比,其潜在速度要高得多。

mpdt 的工作原理基於洛伦兹力(或电磁力),而非单纯的静电力或磁力。它以电离气体为推进剂,氢、氖、氬、氙等气体均可使用,其中鋰的性能被认为是目前已知最佳的。

与同类设计一样,mpdt 的阴极易受侵蚀,且需要消耗数百千瓦的功率才能高效运行 —— 这两个缺点使其在卫星和小型探测器上的应用价值较低。

然而,对於大型太空飞行器和载人行星际任务,mpdt 却是一个极具吸引力的选择:

· 它能提供相对较高的推力(相较於大多数电动推进技术),不仅能实现高最终速度,还能保证可观的加速速率,不会出现 “加速过慢” 的问题。

理论上,mpdt 的排气速度可超过 100 千米 / 秒,实际测试中也能达到这一数值的一半以上 —— 这一速度足以满足行星际旅行的需求,也达到了星际旅行速度的最低门槛。

加粗 - 物质束

物质束技术是一种规避火箭方程限制的方法 —— 与雷射帆类似,它通过在固定设施中加速物质,利用这些物质的动量推动太空飞行器前进。此外,理论上物质束还能为太空飞行器补充燃料。

举一个简单的概念性例子:一束氧气粒子束,既能为太空飞行器提供呼吸用的氧气,又能从后方推动太空飞行器前进。

物质束通常被设想为通过长直线粒子加速器发射的电离原子流。但这类粒子束面临一个问题:由於所有电离原子都带有相同电荷,它们会相互排斥,导致粒子束迅速扩散,难以在远距离上保持聚焦。目前,人们已提出多种解决方案来应对这一挑战。

此外,“物质束” 的概念也可扩展到实际的货物舱 —— 而非仅局限於微观粒子。例如:

· 太空飞行器可通过自身的捕获网或减速装置捕获货物舱;

· 货物舱也可设计为在接近太空飞行器时汽化,通过扩散的原子撞击太空飞行器的帆面或推板,为太空飞行器提供推力;

· 这类货物舱还可配备简单的制导和传输系统,以提高捕获精度。

无论具体实现方式及其有效性如何,在太空飞行器加速到行星际速度(或处於行星际速度)时,物质束技术都比雷射帆更实用 —— 因为物质的动量远高於光子,能提供更大的推力。

物质束与能量束(通常指光子或电磁波,主要用於传输能量,详见雷射帆条目)是平行概念。

加粗 - 美杜莎推进器

美杜莎推进器是脉衝核推进器的一种变体设计。与传统猎户座推进器在太空飞行器后方设置 “推板” 不同,美杜莎推进器在太空飞行器前方设置了一个类似降落伞的大型帆状结构,並通过长繫绳与太空飞行器主体连接。

其工作原理如下:

1. 在帆状结构內部引爆小型核弹;

2. 核弹爆炸產生的衝击力推动帆状结构向前运动;

3. 帆状结构通过繫绳拉动太空飞行器主体前进。

这种设计与猎户座推进器的核心区別在於:將 “推板” 从太空飞行器后方移至前方,通过 “拉动” 而非 “推动” 的方式使太空飞行器前进。

加粗 - 微波电热推进器

无论是通过內部电源產生微波,还是通过外部微波能量束传输微波,都可以像在厨房中使用微波炉加热食物一样,在太空飞行器內部利用微波加热物质。微波电热推进器(简称 met)正是基於这一原理工作的。

与电弧喷射火箭类似,微波电热推进器通过微波在推进剂气体中產生等离子体。所有电热推进器的核心设计思路都是利用电能加热推进剂 —— 这里的电能既可以来自太空飞行器內部(如反应堆、放射性同位素热电发生器、电池),也可以来自外部(如太阳能电池板、微波能量束)。

在电热推进技术中,微波电热推进器的性能通常优於电阻加热喷气发动机(比冲更高),但与电弧喷射火箭相比,性能相当或略逊一筹。

总体而言,电热推进器在电动推进系统中之所以受欢迎,主要是因为其结构简单,而非因为效率高或推力大。不过,微波电热推进器有一个显著优势:它可以使用水作为推进剂,而水在宇宙中分布极为广泛,易於获取。

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