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《三体》航天考(二):令人神往的无工质推进
2014-12-23 09:32:25  出处:果壳网
前情回顾:
《三体》航天考(一):太空电梯、阶梯计划
1、核聚变推进
核聚变火箭发动机
进入三体危机纪元后,为尽早造出核聚变火箭发动机,人类的可控核聚变项目设立了四个研究分支,分别按不同的研究方向进行。在现实中,受控核聚变的常用方式有两种,对应这两种方式,工程师提出了两种核聚变火箭发动机方案,它们各有优劣:
(1)、磁约束聚变发动机
磁约束聚变也叫做持续性聚变,是将核燃料变成数百万度的高温等离子体,使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用强磁场来束缚它们,否则高温离子体会熔化任何束缚它们的容器。
《三体2》这样描述了磁约束聚变发动机试验失败的场景:
在人类太空舰队的发展方向确定为无工质辐射推进后,大功率反应堆开始进行太空实验。这时地面上的人们常常能看到三万公里的高空发出炫目的光芒。这被称作“核星”的光芒是失控的聚变堆失控产生的。核星爆发并不是聚变堆发生爆炸,只是反应器的外壳被核聚变产生的高温烧熔了,把聚变核心暴露出来。聚变核心像一个小太阳,地球上最耐高温的材料在它面前就像蜡一般熔化,所以只能用电磁场来约束它。(《三体2》242页)
磁约束聚变或许是核能发电的最佳方式,但未必适用于用于太空飞行。要约束住高温等离子体,必须安装一个磁场发生装置。这种装置由永久磁铁和电磁线圈组成,体积庞大,重量惊人。这意味着火箭发动机必须造得很大。
大刘的态度很明确:小说中,首次实现可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说:“我早就感觉到托卡马克方式是一条死路,方向对了,突破肯定会产生。”(《三体2》220页)
这里的托卡马克方式就是磁约束聚变。
(2)、惯性约束聚变发动机
惯性约束聚变也被称作脉冲性聚变,利用激光或者粒子束来照射核燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高的离子体,从而引发聚变反应。
由于此时反应时间非常快,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,所以无需强磁场束缚。
在太空的真空环境中使用粒子束比在地球上具有明显的优势,可以不受大气分子的干扰。从这一点来说,此方案更为可行。
不过,采用惯性约束还需安装激光器或粒子束发生器,并且需要给它们提供能量。航天器的尺寸、结构与功能也得在现有基础上有很大提升。虽然如此,此方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。
稳定功率输出的可控核聚变虽然还未实现,但其原理是明确的,障碍只存在与技术领域。假以时日,定能取得突破。
目前的聚变反应堆容器非常大而且重,这使得其并不好用于星际旅行,在未来如磁约束或惯性约束和等离子不稳定性等技术问题解决后,小型的聚变反应堆有可能被设计制造出来。
在探测三体舰队虚实的“阶梯计划”进行的同时,人类开始研究太阳系防御事宜。首当其冲的问题就是,用什么动力推进庞大的太空战舰?核聚变是当时人类最有可能掌握的高密度能源,该怎样使用核聚变能呢?
固守化学燃料火箭思路的航天界实力派主张研发工质推进飞船,以核聚变能推动有质量的工质,产生反推力推进飞船。而太空军则力主研发不需要工质的辐射驱动飞船。
要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的发展历程。
一种核聚变发动机设计图
2、工质推进,还是无工质推进?
工质推进也许并不被看好
核能推进的设想最早是由参与曼哈顿工程的斯塔尼斯拉夫·乌拉姆(Stanis?aw Marcin Ulam)和弗雷德里克·霍夫曼(Frederic de Hoffmann)在1944年提出的。后来,美国原子能委员会与NASA联合实施了NERVA(火箭飞行器用核发动机)项目,该项目主要研究工质推进核火箭,其原理是核反应堆内的核燃料产生热量,推进工质流经反应堆吸收热量后,通过火箭喷嘴喷射出去。
NERVA采用氢气作为工质兼冷却剂。氢气具有优良的导热性能,在高温低压状态下容易离解为原子氢,并吸收大量的热,而且氢的导热性能可与金属材料相媲美,是最好的冷却介质之一,同时由于其分子量小而成为最优良的推进工质。
1955年到1968年间,美国政府投资15亿美元,在内华达州核试验场进行了多次核火箭测试,最后制出了重200千克、推力达到100吨的核火箭发动机,可使宇航员乘坐通勤飞船在24小时内到达月球或从月球返回地球。
然而,就在功率4000兆瓦的核火箭发动机开始测试时,阿波罗登月计划遭到了尼克松政府大幅度的预算裁减,将更多的宇航员送上月球和载人火星计划被无限期推迟。1972年,已无用武之地的NERVA计划被取消。
后来,航天工程师,载人火星计划的大力鼓吹者罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)又提出了一种核盐水火箭的构思。这种火箭以溶解了含有钚或铀235的盐水作为燃料。这些含核燃料的盐水存储在特殊设计的容器内,通过几何构造或中子吸收的方法来保证其不达到核反应所需的临界质量。推力通过加热这些放射性盐水来产生核裂变,并通过喷嘴排出产生推力。水在这里既作为中子减速剂也被当作推进工质。
无论是用氢还是盐水,工质核火箭都无法摆脱工质的束缚。核动力虽给飞船带来持久的续航力,但工质的消耗却令飞船难以远离补给站,就像蒸汽时代的铁路机车无法摆脱加水站一样。
正是在这种情况下,太空军的灵魂人物章北海激愤地如是说:
“工质推进飞船不过是个大火箭,要用超过三分之二的运载能力运载推进工质,且工质消耗很快,这种飞船只能以行星基地为依托,在太阳系内航行。这样做,是在重复甲午战争的悲剧,太阳系就是威海卫!”(《三体2》221页)
无工质核动力推进
《三体2》中对“自然选择”号的描写令人神往。大刘设想把核聚变产生的辐射能直接导向飞船后方,用反冲作用推进飞船前进。
如果说太阳帆飞船是借助太阳的辐射飞行,那么无工质核动力推进就是把“小太阳”带在了身上:
“自然选择”号是亚洲舰队第三分舰队的旗舰,拥有最新一代的无工质聚变推进系统,全功率推进时,可以加速到光速的百分之十五。它的舰内生态循环系统十分完美,能够进行超长时间续航。(《三体2》327页)
其实,早在四十年前,就有人提出了速度类似“自然选择”号的无工质核聚变推进飞船构想。
1970年,美国内华达大学的弗里德瓦特·温特伯格(Friedwardt Winterberg)提出了用高能电子束引发核聚变(即“惯性约束”)的思路。他设计的火箭发动机在每次核聚变时可释放出约100亿焦耳的能量,可实现每秒300公里的高速飞行。
几年后,参与“代达罗斯计划”的前罗尔斯-罗伊斯公司火箭工程师阿兰·邦德率领13人的研究小组提出了核聚变火箭的构思。这种核聚变火箭内有一个磁场构筑的燃烧室,通过向燃烧室的核燃料球发射电子束,产生高温等离子体,这些等离子体就是推力来源。
发动机工作时,每秒钟向燃烧室发射250颗核燃料小球。在第一颗核燃料小球射入的时候,分布于燃烧室内腔的几十个电子束发生器射出电子束,轰击核燃料小球,氘和氦-3等核燃料发生每秒250次的核聚变反应,瞬间产生巨大的能量,推动火箭高速向前飞行。
当第一级火箭工作完毕后会自动脱落,第二级火箭接着继续工作,这两级火箭可工作近4年的时间,能使火箭达到36000公里/秒的速度。
如果只是高速掠过目标恒星,不采取减速措施,该火箭可以在一个人的有生之年——五十年——之内,抵达距地球5.9光年的巴纳德星。
《三体》中,为了确立无工质发动机的发展方向,章北海使用了极端手段:狙杀固守工质推进思路的领头人,并伪装成陨石袭击
3、巴萨德冲压发动机,吞云吐雾遨游星际
在太阳系中,光压和太阳风无处不在,光帆飞船可以畅游无阻;在远离太阳的航天基地附近,核燃料可以适时补充,核动力飞船的巡航半径可以预期。要航行更远的距离,比如从“三体行星”到地球的4光年航程,途中既没有充足光照,也没有燃料补给站,上面两种推进方式就不再是合适的选择。满怀雄心、想要征服地球的三体舰队究竟采用了什么办法驱动庞大的太空船呢?
大刘直接给出了答案。地球“三体组织”领袖叶文洁被捕后接受审讯时透露:
“三体飞船推进的动力是正反物质的湮灭,飞船前方有一个巨大的磁力场,形成一个漏斗形的磁罩,用于收集太空中的反物质粒子,这种收集过程十分缓慢,经过相当长的时间,才能得到供飞船进行一段时间加速的反物质数量,因此舰队的加速是间断进行的,很长时间的收集后才能进行一次。”(《三体1》245页)
叶文洁的“供述”对于21世纪的地球保卫者没有多少价值,因为早在“红岸基地”尚未立项的1960年,人类就参透了三体第一舰队的动力之谜。那一年,在美国洛斯阿拉莫斯实验室工作的物理学家罗伯特·巴萨德(Robert Bussard)发表了一篇名为《星际物质与星际飞行》的论文,里面构想了一种全新的航天器推进方式——飞船前方漏斗状的收集器收集星际物质中的氢元素,氢元素可作为飞船核聚变发动机的燃料使用。飞船飞行速度越高,收集效率也越高,这就像是蓝鲸张开大口过滤海洋中的浮游生物一样。
这种航天发动机被后人命名为“巴萨德冲压发动机”,其理论基础是在恒星间并非完全的真空,通常都有一种稀薄的气体弥漫其间,这就是星际物质。虽然这种物质密度极低(每立方厘米约有100个氢原子),但聊胜于无。如果能采集无处不在的星际物质作为发动机燃料,则飞船的理论续航能力可以达到无限远。
巴萨德冲压发动机想象图
工作原理和重重障碍
目前得到公认的巴萨德冲压发动机是一种冲压核聚变反应堆,它利用巨大的电磁场(直径从数公里至数千公里不等)作为“漏斗”来收集并压缩星际物质中的氢,飞船前方的漏斗吸入沿途的星际物质,极高的相对速度和磁场作用使反应物质在核反应腔中压缩,直到温度和密度足以发生核聚变。这样产生的巨大能量再通过另一个磁场导引至发动机的排气方向,并借反作用力原理推进飞船。
如果该飞船能够保持10米/秒2的加速度(略大于地球表面的重力加速度),不到一年时间,速度即可达到光速的77%。在《三体》中,三体第一舰队正是使用了巴萨德冲压发动机,才能以十分之一光速飞行。
1974年,参与“代达罗斯”核聚变火箭计划的阿兰·邦德(Alan Bond)提出了巴萨德冲压发动机的改进方案“RAIR”。该方案将收集到的氢作为反应物质而不是推进工质。进入发动机的质子流被减速到一兆电子伏,然后引导质子流轰击锂-6或硼-11。锂-质子聚变或硼-质子聚变不但更容易发生,而且释放的能量高于其他种类的核聚变。聚变产生的能量被导入前方漏斗吸入的物质中,被“加热”的物质高速喷出,驱动飞船前进。
“RAIR”另一种改型——“催化RAIR”发动机的效率更高。当进入收集器的物质流被压缩后,人为加入一小块反物质。与核聚变相比,这种湮灭反应的反应截面更小,所需温度也更低。据计算,要驱动一万吨重的飞船以1g加速度飞行,所需的反物质催化RAIR发动机直径仅为3.5米!当然,乘这种“微型”发动机遨游宇宙,得自备足够的反物质供催化用。
巴萨德最初的设想是用机械方式收集氢。根据他的计算,为达到理想的1G加速度,质量一千吨的飞船前方需要有面积达一万平方公里的收集器。即便未来的材料科学取得巨大进步,这么大面积的收集器也将十分沉重——即使收集器采用10毫米厚的Mylar制作,质量也将达到二十五万吨。
而且巴萨德假设星际物质都是离子化的,本身带有电荷,容易被磁场捕获。实际上,恒星间的星际物质主要是中性的原子与分子,磁场对它们毫无作用。解决方案是先用大功率激光将飞船前方的氢原子离子化。
离子化的氢失去电子成为单个质子(带正电荷),可以被收集器产生的磁场收集。如果采用这种电磁方式收集,那么收集器甚至不必做成纯固体形态(可以是网状的),收集器的实体面积也可以大大缩小,只要保证磁场范围很大就可以了。
即便如此,依然存在困难。生成激光和磁场都需要巨大能量,这个能量得事先预备。
磁漏斗也不像听起来那么简单。因为磁力线汇聚于漏斗进口处,它们会把进来的带电粒子弹开,而不是将其拽入漏斗。结果就是,磁收集器就像一个磁瓶,收集了飞船前方圆锥区域的粒子,却阻碍其进入反应堆。解决方案之一是制造脉动磁场,模拟“张嘴”和“吞咽”的过程,但操作起来并不容易。
还有个问题是,大部分收集进来的都是氢离子,它不像氘和氚那么容易发生核聚变。
最后,巴萨德发动机只能在飞船达到一定速度时使用,只有做高速飞行时,收集器才能收集足够多的燃料供冲压发动机启动。因此,需预先启动一个助推发动机使飞船达到巴萨德发动机点火的临界速度——约为光速的6%——然后更具效率的冲压发动机才能正常运转。
星际间的尘埃颗粒对高速飞行的飞船船体是一个巨大威胁,除此之外,星际物质中的带电粒子也会给船员的健康和电子设备带来致命的损伤。具体来说,以光速30%运动的一千克物体蕴含的动能相当于百万吨TNT炸药的能量;以亚光速飞行的飞船,撞上静止的尘埃颗粒也会因巨大的相对速度而被击毁,而没能被磁漏斗阻挡的带电粒子则会形成高能粒子雨,损伤船员的DNA和精密电子设备。
正是由于这个原因,三体第一舰队在穿越星际尘埃云时才会露出颓势:
“队形变得稀稀拉拉,溃不成军,有一大半战舰早就停止了加速,穿过尘埃时又减速了不少。”(《三体2》p280)
——这些舰只都在尘埃颗粒及高能粒子雨点般的轰击下垮掉了。
科幻中的巴萨德冲压发动机
尽管巴萨德冲压发动机面临诸多现实困难,但因其完全使用已知技术就可以达到亚光速,所以深得硬科幻作家的喜爱。科幻迷广为知晓“巴萨德冲压发动机”这个概念要拜美国科幻大师拉里·尼文所赐,他在系列科幻小说《已知宇宙》中使用了这种发动机。
在尼文笔下的文明世界,星际殖民的早期阶段派出了装备巴萨德冲压发动机的自动探测器,随着时间的推移,富人们也可以采购这种发动机,举家搬离拥挤的地球。在他的另一部名著《环形世界》中,尼文则使用这种发动机做航程推进和位置维持用。
在《星际迷航》系列影片中,一种名为“巴萨德氢收集器”的装置作为“正反物质推进系统”的一部分出现在星舰上,它可以使星舰加速到超光速。这种收集器装在曲速引擎的前方,当星舰中储存的氘减少时,收集器就会采集星际物质中的氢,并将其转化为氘和反氘,供曲速引擎使用。在影片中,巴萨德氢收集器的低收集率和星际物质拖曳问题都因为超光速飞行迎刃而解。
关于巴萨德冲压发动机最瑰丽的幻想,则来自于波尔·安德森(Poul William Anderson)的小说《宇宙过河卒》(Tau Zero)。在这部作品中,安德森讲到冲压飞船“利奥诺拉-克里斯廷”号遭遇星际尘埃云后失去减速装置,进入了无法停止的无休止加速状态。在逐渐趋近光速的航程里,由于相对论的时间膨胀效应,船员们发现他们已经飞入了“未来”,并亲眼见证了宇宙的瓦解和消亡。
这个小说的影响力非常之大,以至于美国国家航空航天局“突破推进物理项目”主管马克·米利斯(Marc Millis)离开航天局创立了一个组织“τ0基金会”专门研究超光速飞行。
4、高速星际航行的防护措施
对于长期星际飞行来说,速度不是唯一需要解决的问题。由于代达罗斯在旅途中不能与地球进行实时通讯,其本身必须拥有足够的应变能力才能保证顺利走完全程。其中一个最致命的问题是星际尘埃的轰击。虽然尘埃的密度并不高,颗粒也很小,但是在0.12倍光速下,这一影响不可忽略。
在《三体》中,三体舰队穿越星际尘埃时,飞船数量减少了,有的飞船掉队了,这就是星际尘埃的阻滞力量。“代达罗斯”的解决方案是在飞船前方设置50吨重、7毫米厚的铍质防护罩,并可以通过携带的大量“尘埃虫”微型机器人在母船前方200公里处生成高速运行的粒子防护云,以“自我牺牲”的方式扫除前进道路上的障碍。如果有个别“漏网之鱼”撞到了飞船,还可以利用小型遥控机械装置“看守”在途中随时修复。这样一来,就可以避免三体舰队的厄运。
除了使用核聚变实现无工质推进外,核裂变也可达到这一效果。《核动力火箭征服太空》一文曾介绍了“乘坐”不断引爆的原子弹上天的猎户座核火箭,它就属于无工质核裂变脉冲推进。只不过这种推进方式有害辐射太多,属于“脏”火箭,为珍惜生命和环境的人们所不齿。
迄今为止,代达罗斯计划仍是论证最完备的核聚变火箭方案。它的构想影响了许多科幻影片:从《异形》到《阿凡达》,从《Wall-E》到《冲出宁静号》,这些影片都把核聚变发动机作为推动庞大飞船的“常规”推进方式。
这也说明,科幻界认同这样一个观点:只要有足够的资源和决心,“前进!前进!!不择手段地前进!!!”,造出核聚变火箭并非不可能的任务。
代达罗斯计划飞船艺术图。飞船使用核聚变推进,目标是6光年以外的巴纳德星,并用50年的时间到达那里。
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《三体》航天考(三):终极曲率驱动!
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