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无工质发动机,太空航海时代的曙光

1818    2020-10-20    发布者:中国测试杂志社    来源:知乎

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先说结论:无工质发动机是蒸汽机发明以来最具革命性的动力源,太空航海时代的曙光,21世纪中叶及以后的世界可能会因此而超出我们的想象范围。

在我认知范围内的…大概是无工质发动机了。

首先科普一下什么叫做「工质」?又凭什么说无工质发动机是太空时代的曙光?

「工质」也就是「工作介质」的简称。维基百科对此解释如下:

工作介质,通称制冷剂、致冷剂、冷媒或雪种,是各种热机中借以完成能量转化的媒介物质。这些物质通常以可逆的相变(如气-液相变)来增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽、制冷机中的雪种等等。一般的蒸汽机在工作时,将蒸汽的热能释放出来,转化为机械能以产生原动力;而制冷机的雪种则用来将低温处的热量传动到高温处。

到现在为止,人类进入太空的手段无非就是搭乘宇宙飞船和航天飞机两种(后者还退役了),但她们都是由火箭发动机推进的。火箭发动机的特点就是……需要喷东西,也就是需要喷出工质获得反作用力(准确的说是获得冲量)来提供推力。

但是火箭发动机喷工质的速度很快,所以要提供足够长的工作时间也就需要好多好多工质,可是增加工质的话质量就会大幅增加,推力(实质上是加速度)不能满足原来的需求,怎么办呢?加大发动机推力,带更多的工质。。。。嗯,是的就是这样面多了加水水多了加面的玩意儿成为了人类航天的基本(也是目前唯一的)进入太空的动力源。

显然这么玩儿是有极限的,目前人类制造过的最重的运载火箭是著名的土星5号,起飞质量为3039吨,但是有效载荷(说白了就是我们想要送上太空的东西的质量)最多也就119吨(近地轨道),剩下的都在半小时内消耗掉了。

以下是土星5号第一级(就是最底下的)发动机和整个火箭的样子,你们感受一下……

当然这些都是60年代的技术,80年代的能源号火箭已经有了很大的进步,现在各国为了新的太空计划而研制的新型火箭在效率、环保等方面肯定也有很大的进步,但是治标不治本。

以上这些火箭已经接近目前人类工程能力的极限,但即使是最厉害的能源号火箭也只能把20吨的有效载荷运送到地球静止轨道(就是你家看电视用的卫星所在的轨道),更不用说太阳系里的其他行星了。很明显,要想实现远距离航行(太阳系范围甚至是恒星际飞行),工质发动机很难做到。

其实,太空中近乎真空的环境对于发动机的要求在某些方面是很善良的,比如我们的发动机只需要能够持续提供一个加速度,哪怕加速度看上去很低,最终也能达到很高的速度。

但是面多了加水水多了加面的火箭发动机很难做到这点。现在人类手里有的能够做到持续提供加速度的动力源有光帆和离子发动机。这两种动力源所能提供的加速度真的是……很小很小,但胜在持久,而且人类也可以使用激光对光帆进行加速。但光帆一旦脱离太阳系就很难做到提供较高的加速度而且接近目标星系时减速困难(除非带上离子发动机,但是离子发动机实质上也是需要工质的)。

扯了这么久终于轮到无工质发动机上场了。现在我们明白了,无工质发动机能够持续提供一定的加速度,而且能够使用自带的人工能源(核反应堆供电什么的),实在是扬帆星际首选.

在此解释一下,这个无工质发动机是真的无工质不是等离子发动机之类的东西……虽然专业与此无关不过这点常识本人还是有的。

也许你会觉得民科,不过相关的论文是可以查到的。

以下为一个专业与此无关的家伙的民科空想。

为什么说这个东西是黑科技?因为这个大概是自蒸汽机以来最具革命性的动力源,我们可以直接把电能转换为动能(电动机需要摩擦,等离子推进器需要工质),而且即使在真空中也可以像汽车一样获得输入能源输出动力近乎一次函数关系的动力(描述不够精确具体,抱歉),和现有的工质发动机相比不知高到哪里去了(想想土星5号,3000吨的质量,不到50吨的有效载荷)。一旦微波发动机实用化,配合核反应堆或是太阳能电池板/分形天线,对人类来说整个太阳系将会变得像现在的地球一样,人类将进入太阳系的大航海时代。至于太阳系以外的世界……在解决能源问题之前我们可能连两个秒差距都走不出去。是的这东西给了我们远航的双腿,但我们却没有足够的动力……夸父追日也不过如此吧。

然后还有一些比较脑洞的用途,比如大气层内可以用作飞行器的动力源,甚至可以作为船舶/车辆的动力源,想象一下一个静悄悄什么都不喷的发动机莫名地推着你前进的样子吧……



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