超空间引擎、曲速和《三体》无工质核聚变引擎,哪个最容易实现?

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  这三种都是在科幻大片和小说经常出现的引擎,无论是超空间引擎还是曲速引擎,以及获得“星云奖”的《三体》中无工质核聚变推进引擎,这些听名字就是高大上的技术,哪种最容易实现?哪种的推进效率最高?

  

  《三体》中的无工质核聚变推进引擎是什么东西,真的是无工质吗?

  如果看过《三体》的话,相信大家一定对那个章北海利购买陨石、暗杀坚持工质推进引擎的元老那一幕记忆犹新,这让大家看得有点云里雾里,工质是什么东西?哪种才是真正的无工质推进?

  

  其实那些坚持工质推进的元老们支持的发东西,在冷战时期美苏就已经论证并付诸实施过,而且测试后性能非常优越,甚至比现代火箭发动机都要优秀得多,不仅是它的推重比,还有它的比冲!比冲的的定义是单位推进剂的量所产生的冲量,这个数值越大越好!

  

  常见发动机的比冲

  涡扇发动机很明显比较大,但很可惜它需要大气层中的氧气,无法在真空中工作!而离子推进比冲极大,不过非常可惜它推力很小!固体火箭和液体火箭比冲不够,但推力适中,因此它们的用途最广泛!

  

  当年美苏研发的核火箭是核裂变火箭,它利用核裂变产生的高温加热氢气,使其喷气速度达到6500~11000米/秒,这比固体和液体火箭都要高得多,它的比冲大约在250~1000秒左右,之所以没有实用是因为谁都不愿意一个放射性“炸弹”在天上飞,一旦故障,实在是太可怕了!

  

  无工质核聚变推进引擎

  前文所谓的核裂变火箭是高温加热氢气,元老们支持的核聚变火箭是利用核聚变高温加热工质,然后高速推进,两者缺一不可!而章北海所支持的引擎则是利用核聚变后的带电粒子辐射的反作用力取得的前进动力!

  

  只要有核聚变燃料飞船就能继续前进,这种飞船的原理是这样的:核聚变高温中比如氘氚聚变!了氦,它会释放出一个中子!如上图,一个质子一个中子的氘和一个质子一个2个中子的氚,聚变成两个质子和两个中子的氦4,会发射出一个多余的中子!

  

  而氦四的原子核在高温下是带正电的,因此可以被电场加速到极高的速度!当然还有电离后的电子,它有些类似于离子发动机,但它还有一部分推进动力来自于全波段的电磁辐射!这就是“无工质”核聚变引擎的推进原理!

  这个无工质其实是有工质的

  因为这种引擎辐射的高能粒子和电子都属于介质,因此它也只能被称为工质发动机,只是它的工质是自身,省去了携带大量额外工质的压力,因此要称它为“无工质”引擎在某些角度上也行!

  

  从效率来看,使用工质要更高一些,因为它利用了推进效率上最差的全波段电磁辐射,比如太阳光也是有光压的,如果用它来推进,那么面积也许要达到数百米甚至数公里直径!但如果能将太阳光转换为电能,那么只需要千瓦电力即可产生数十毫牛甚至更大的推力!比光帆的效率要高出很多倍!

  

  但离子发动机需要装载燃料,燃料耗尽,飞船就无法再加速了,但光帆不一样,只要有阳光,它将一直能飞,甚至可以减速再加速!而无工质核聚变推进就是自带阳光和光帆的那种!

  超空间引擎和曲速引擎又是咋回事?

  其实所谓的超空间引擎和曲速引擎是同一回事,都是利用空间的弹性来驱动飞船前进!狭义相对论中可以推导出物体的速度不可能超过光速,但我们也知道,宇宙的膨胀却不受这个速度的限制,而曲速引擎就是利用空间的膨胀来驱动飞船的前进。

  

  《星球大战》和《巴比伦五号》中的是超空间引擎,《星际旅行》和《星际迷航》中则是曲速引擎,而在《三体》中则是曲率引擎,前两者没什么不同,而后者则有很大的区别!

  

  曲速引擎有几个关键:前方空间压缩、后方空间拉伸,飞船包裹在一个弯曲空间形成的曲速泡中,当后方的膨胀空间和压缩空间裹挟着曲速泡高速飞行时,其实飞船相对于曲速泡内的空间是静止的,运动的只是空间而已,所以飞船内的时间体系和出发点基本同步的!

  

  曲率引擎和曲速引擎相比,少了一个关键的曲速泡,因此曲率飞船遵守狭义相对论中的洛伦兹变换原理,也就是无限接近光速时,飞船内的时间体系不再和出发地同步,而是有一个非常大的交换比,而这个交换比可能会很大,甚至接近无穷!

  

  不过就具体而言,这两种技术人类都无法实现,因为能克服相对论限制的曲速引擎的关键在于飞船前后几个子空间场改变了所包覆物体所感的重力常数,使得中间的飞船在“非对称蠕动场”操控获得推进力,但这种高大上的引擎实现起来极其困难!

  

  早期实现曲速引擎需要大量的负能量,但将曲速泡改成曲速环后降低了对负能量的需求!但对能量的需求依然巨大,Chris Van Den Broeck于一篇1999年的论文中评估了其能量需求,曲速方式运送几个原子的能量需要三个太阳质量的能量,但后来Van Den Broeck的度规稍微修改,Sergey Krasnikov可以将负能量总需求缩减到几个毫克!

  

  但什么是负能量?暗能量有些类似,但它并不是负能量,不过即使如此我们也没搞懂暗能量到底是什么!科学家将这种物质定义为了奇异物质,也许宇宙某处还真存在这种物质,那么如何找到它们呢?

  

  就三者而言,相对来说“无工质”的核聚变推进可能性还是大点,这不ITER不是有了一点新进展么,也许只要再过十年八年的就实现了呢!

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