星际旅行一直是人类的梦想,但众所周知,现有的技术和科技实力还不足以实现星际旅行。毕竟人类目前最快的速度只有第三宇宙速度。以光速去离人类最近的比邻星半人马座都要4.2年,何况是人类的化学推进剂飞船。飞起来岂不是要几万年?下面是一些实现星际旅行的技术。
每当我们描述某个东西速度极快时,我们通常会将火箭比作——XXX,就像火箭速度一样.
实际上,运载火箭的轨道速度平均为7.6公里/秒,最高可达10.8公里/秒,
这个速度至少是高尔夫的126倍,
至少是射出子弹速度的七倍,
至少是北美X-15火箭动力飞机的3.7倍,是人类最快的飞机.但与光速相比,它慢得像只乌龟。两者相差4万倍!
毕竟人类面对的往往是跨越光年的宇宙尺度。
知道人类在太空活动的空间有多小。
目前飞行时间最长的人类飞行器航海家1号3354,今年8月26日距离我们地球139AU,也就是2.0810 ^ 10km,但是和一光年(94610 ^ 10km)相比,只有1/473!
要知道,旅行者1号到11月21日已经飞了39年了!
所以,突破现有人造飞行器的速度,可以说是N代人追求的梦想。
正如航天动力学专家总结的那样,目前,化学动力火箭已经快耗尽了,它们的速度也快结束了。只有跳出现有的化学动力推进,才能达到科幻的航天速度。
下面我们就来盘点几艘更贴近现实、更可靠的未来星际飞船,以及它们背后的超级推进技术。
热核推进,核动力宇宙飞船
早在1973年,世界上最古老的太空探索研究机构——英国星际学会就已经正式确立了核动力飞船的概念。
其实推进的原理和燃烧我们的太阳差不多,都是利用热核聚变产生巨大的能量。
热核电的关键在于可控核聚变技术。目前主要有三种:超声波核聚变、激光(惯性约束)核聚变和磁约束核聚变(托卡马克型)。
激光约束和磁约束是主要方向,美国能源部重点研究激光约束发展核聚变。
中国、欧盟、美国、日本和俄罗斯共同投资160亿欧元打造了世界上最大的实验磁约束核聚变反应堆ITER,该反应堆以磁约束为核心,预计将于2019年组装完成。
根据英国星际学会的研究报告,一旦人类掌握了热核推进技术,飞船将达到每秒1万公里以上的太空速度,也就是光速的1/30,从而接近光速。
激光航天器激光等离子推进
激光航天器又称脉冲激光推进航天器,是利用快速、重复的高能脉冲激光束加热推进剂,也就是说工质不是稳定加热,而是产生一系列巨大的脉冲爆炸波。
当推进剂流向激光聚焦区域时,会迅速升温电离,成为迅速膨胀的高温等离子体,形成激光支持的爆炸波,然后爆炸波从超音速喷管喷出,产生推力。
据悉,一旦激光飞船技术成熟,其理论速度约为光速的1%,即每秒3000公里。
美国和苏联早在20世纪70年代就开发了这项技术。最近一次突破是在2000年,美国Lightship技术公司发射了一艘直径12.2厘米、重量50克、高度71米的原型激光飞船,飞行时间为12.7秒。
这是激光飞船迄今为止飞行时间最长、飞行高度最高、重量最重的纪录,相当于莱特兄弟第一次飞上蓝天。
光帆
也被称为太阳帆,它使用巨大的薄膜透镜,阳光的辐射压力被用作航天器的推进力。
帆的概念最早是由德国天文学家开普勒在17世纪提出的。
2010年,日本发射了太空探测器IKAROS的测试版。IKAROS,全称“被太阳辐射加速的星际风筝”(也指希腊神话中的悲剧人物伊卡洛斯,用蜡翼飞向太阳,在水中丧生),由日本宇宙航空研究开发机构JAXA研发。这是世界上第一个由太阳帆驱动的探测器。
由英国星际学会开发的LightSail 2预计将于2018年由SpaceX发射到太空进行测试。
星际气体冲压发动机驱动的宇宙飞船
也被称为布萨德冲压喷气航天器,是美国物理学家布萨德在20世纪60年代构想的未来空间推进技术。这种推进器是核聚变冲压发动机,利用巨大的电磁场(几万平方公里)作为漏斗,收集并压缩星际物质中的氢(因为组成宇宙的普通物质中75%是氢),直到足以发生核聚变,从而通过反作用力推动航天器前进。
根据布萨尔德的推导,这种星际气体冲压发动机动力航天器的最大推进速度不会超过100km/s,虽然飞行速度不快,但续航能力超长,适合星际飞行。
电磁驱动航天器
电磁驱动的原理是由英国工程师罗杰索耶在1999年首先提出的。
电磁驱动的原理是:在一个没有尖顶的圆锥形腔体中,由太阳能供电产生大量的电磁微波,在圆锥形腔体中形成高密度的来回反射。利用不同厚度的锥形腔体两端的推力差,产生巨大的推力,从而推动飞行器飞行。这相当于在一个封闭的容器中产生推进力,但不需要任何化学燃料推进剂。它的学名是无工作介质驱动器。
据说2016年12月10日,中国空间技术研究院公布了一项令人振奋的科研成果:电磁驱动技术在天宫二号试验成功,这意味着
味着这项神驱动技术的原理验证不仅可行可靠,而且将尽快研发,首先实际应用在卫星推进驱动上。要知道这一技术NASA已经研发了10年,跟NASA进行电磁驱动技术绑定的美国Cannae Drive公司,计划要等到2018年发射一颗6U立方体卫星,才能进行太空验证。中国在此很可能领先于美国技术,率先制造出神级发动机——电磁驱动宇航推进器。
反物质飞船 ANTIMATTER
物质与反物质相遇发生湮灭,质量可以完全转换成能量,从而获得最大的能源效率。据计算,反物质发动机的单位产量,是常规燃料的亿兆倍/核能的千百倍,所以,反物质驱动,一直是人们梦寐以求的神级推进技术。
但由于目前人为制造反物质的方式,只能依靠加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成。
这一过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,而且生成反物质的速率极低,因此尚不具有经济价值。此外,反物质与物质相遇会发生湮灭,保存上也是一大问题。
不过,反物质发动机从未中断过研发,最近曾任职于费米实验室的美国物理学家拉尔德·杰克逊,发明一种反冲式起动机正在测试反物质推进器。
除此之外,还有一些科研人员正在研究更为科幻的飞船推进技术,比如空间曲率驱动飞船。
就像《星际迷航》里的曲速引擎Warp drive、《三体》里的曲率引擎那样,这种飞船通过让前方空间收缩而后方空间扩张的方式,极速移动。看起来太玄,但理论上可行,因为完全遵守爱因斯坦场方程建立起的一套时空度规。
以上这些堪称科幻级的神技术,不管哪一种一旦获得突破性成功,会意味着什么呢?
以我本人的理解,这将会带来人类文明的第二次文艺复兴,人类社会的彻底飞跃。
因为从近到眼前——全球能源问题,远到未来——太空移民和星际殖民,本质上都需要一场彻底的能源革命,只有根本性升级现有能源技术、宇航动力技术才能现实,而搭载未来技术的这些飞船,正是人类最有希望够得着的尖端科技。
大家觉得是哪一种飞船最适合人类呢?
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