第167章 科幻引擎（四）

为解决这一问题，人们提出了多种设想：

·  制造一个由完美反射镜构成的  “盒子”，将光  “困”  在其中，形成  “冻结的光”；

·  研发可将部分或全部物质转化为光子的技术，如核反应、反物质湮灭、黑洞蒸发等。

若能实现上述技术，光子火箭将成为实现高速飞行的理想选择。

继续翻译

但对于较低速度的飞行，将能量用于加热推进剂会比直接使用光子获得更大的推力。例如：

·  一个吸收了  1  兆电子伏特伽马射线的质子，其喷出航天器时的动量交换会比伽马射线本身直接喷出时更大，因此能产生更大的推力；

·  尽管该质子的速度  “仅”  为  4400  千米  /  秒（是人类已制造的任何航天器速度的数十倍），但仍仅为光速的  1.4%。

基于这一考虑，除非拥有类似火炬飞船那样的高效质量  -  能量转换器，否则即便是配备了光子火箭的行星际航天器，也更倾向于将能量用于加热推进剂  ——  因为在恒星系统内，获取氢等常见推进剂并不困难。

核灯泡推进器的设计本质上就是基于这一理念。

加粗  -  俯仰推进器

俯仰推进器是一种假想的克拉克科技无反冲推进器，其工作原理是通过某种场或力在航天器上产生有效的压力差，从而推动航天器前进。

直径推进器是俯仰推进器的一个子类，它需要一个明确的  “力源”（如负质量球）；而广义上的俯仰推进器则不需要特定的力源，它涵盖了所有能在航天器上  “凭空”  产生力或压力差的技术。

由于俯仰推进器是一个通用概念，而非具体的假想发动机设计，因此没有特定的实例，但它显然属于克拉克科技的范畴。

当引力被用作推进所需的力或场，且存在负质量时，俯仰推进器的原理与引力偶极子推进器相似。

加粗  -  推进剂

推进剂指的是任何为增加航天器动量而从航天器中排出的物质。通常情况下，推进剂是火箭燃料与氧化剂燃烧后的产物，但也可以是：

·  通过电动推进系统加速喷出的离子；

·  由反物质反应产生的光子等。

在理想情况下，最优推进剂应具备高排气速度和高比冲  ——  这包括以光速或接近光速运动的粒子，如光子、引力子、中微子，以及其他一些鲜为人知或假想的粒子。

加粗  -  脉冲感应推进器

脉冲感应推进器（简称  PIT）是离子推进器的一种，但它同时利用磁场和电场来实现推进。

其设计的一大优势是  “无电极”——  电极是其他离子推进器设计中的常见薄弱环节，容易因使用而受到侵蚀。

脉冲感应推进器的工作流程如下：

1.  推进器的喷管向一个扁平的电磁线圈喷射少量气体；

2.  一组电容器在极短时间内（仅几微秒）向电磁线圈施加数千伏的高压脉冲；

3.  高压脉冲使气体电离，并使电离后的气体（等离子体）向与初始喷射方向相反的方向做圆周运动；

4.  等离子体沿垂直于磁场的方向流动，这一状态非常适合洛伦兹力对其进行加速，并将其高速（数十千米  /  秒）推向航天器后方，产生推力。

此外，脉冲感应推进器还具有以下特点：

·  可扩展性：能够扩展到更高功率，例如兆瓦级系统可实现每秒数百次的脉冲频率，从而产生相当可观的推力；

·  推进剂兼容性：对推进剂的要求不高，水、二氧化碳、氨、氢、氩、氙等物质均可作为推进剂。

这一特性使其在火星任务中极具吸引力  ——  航天器在火星轨道运行时，可通过收集火星富含二氧化碳的大气来补充推进剂。

加粗  -  量子真空推进器

量子真空推进器（简称  Q  Thruster）是一种基于卡西米尔效应和量子力学原理的假想航天器推进器。

根据当前的物理学认知，在量子尺度上，空间中存在着持续的电磁波动，虚粒子会不断地  “凭空出现”  又  “瞬间消失”。我们在《反物质工厂》节目中详细讨论过这一现象，解释了虚粒子与夸克  -  反夸克对相互作用的过程。

简而言之，我们通常所说的  “太空真空”——  即不含任何普通物质且与外界辐射隔绝的空间  ——  并非绝对的  “空无一物”，而是一种  “假真空”。在这种假真空中，电磁波动和虚粒子的  “涨落”  始终存在，它们虽然存在时间极短，但数量庞大，形成了持续的能量密度。

如果你听说过  “卡西米尔效应”，就会知道：当我们将两块非常平整、不带电的导电板放置在仅相距几纳米（仅能容纳几个原子）的位置时，  plates  之间会产生一种微弱的排斥力或吸引力（具体方向取决于  plates  的排列方式）。

在普通介质（如水）中，这种波动效应是存在的，但根据传统认知，真空（空无一物的空间）中不应存在这种介质波动  ——  这一现象曾令人困惑，也由此催生了  “真空能量”  和  “假真空”  等概念。

从实验角度来看，对卡西米尔效应的一种理解是：两块  plates  之间的距离过小时，波长大于该距离的虚粒子无法在  plates  之间  “出现”。这意味着  plates  之间的  “真空度”  比外部更高，外部假真空中的虚粒子会对  plates  产生一个净推力  ——  我们可以利用这种推力来发电。

这里的关键结论是：如果量子真空的波动确实存在，我们就可以  “从虚无中”  产生能量、光子或其他粒子，并将这些粒子用作推进剂  ——  这本质上相当于制造了一台光子火箭、中微子火箭，或是能喷出由虚粒子转化而来的等离子体的推进器。

关于量子真空推进器是否属于  “无反冲推进器”，目前存在争议  ——  因为它实际上是在  “生成”  反冲质量（而非依赖携带的推进剂）。

由于这种推进器似乎明显违反了能量守恒和动量守恒定律，且可能构成一台简单的永动机，它通常被归类为克拉克科技。

在概念上，量子真空推进器与更广为人知、研究时间更近的电磁推进器（EM  Drive）非常相似，但量子真空推进器的相关讨论仍在继续。对于希望深入了解该领域的人来说，《世纪梦想》杂志多年来发表了多篇关于其变体设计的文章。

加粗  -  类星体推进器

类星体推进器是一种  “放大版”  的黑洞推进器，能够移动行星甚至整个星系，是目前已知设想中用于移动大型天体的  “终极引擎”——  它不仅能以比希卡德推进器更快的速度加速恒星类天体，还具有更高的效率，能使天体达到更快的最终速度。

类星体推进器的工作原理如下：

1.  核心部件：以一个带电黑洞（人工制造或天然存在）为核心；

2.  结构搭建：在黑洞周围构建一个大型结构，通过磁场与黑洞连接；

3.  能量产生：向黑洞中注入物质，物质在落入黑洞的过程中会释放出巨大的能量（这与大型黑洞发电机的能量产生原理相同）；

4.  推进实现：利用这些能量驱动推进系统，使黑洞（及其连接的天体）达到光速的一个可观比例。

“类星体推进器”  的名称来源于  “类星体”（Quasar）——  这是一种在许多星系中心发现的、由物质落入超大质量黑洞而产生的超亮天体，其亮度通常是整个星系的数千倍。

如果谨慎使用，安装在星系中心超大质量黑洞上的类星体推进器能够推动整个星系  ——  尤其是当星系中分布有多个此类推进器时，它们通过引力相互作用，共同  “拖拽”  星系前进。

对于一个足够先进的文明而言，这种技术可能使他们能够在一个广阔的空间区域（如一个星系超团）内对抗哈勃膨胀（宇宙膨胀），甚至可能影响周围数十亿光年范围内的天体。

不过，推进的距离越远，所需消耗的星系质量就越多  ——  因为哈勃膨胀的速度会随着距离的增加而加快，大致每十亿光年的距离，膨胀速度就会增加光速的  7%  左右。

配备类星体推进器的  “行星飞船”，是实现星系间殖民的一种可行方案  ——  即使目标星系距离超过十亿光年，也能通过这种推进器抵达。

加粗  -  无反冲推进器

牛顿第三定律指出：“每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”——  这一定律对太空飞行至关重要，但也对其构成了严格限制。

目前所有的现代航天器都遵循这一定律：通过排出推进剂来提供  “反冲质量”——  物质以高速从航天器尾部喷出，从而推动航天器向相反方向运动。这些喷出的粒子具有特定的质量和速度，质量与速度的乘积即为动量  ——  根据动量守恒定律，航天器会获得等量的反向动量。

这一过程意味着航天器必须携带大量推进剂，而每增加一份推进剂，又需要额外的推进剂来推动它  ——  这就是我们常说的  “火箭方程的暴政”。

在非真空环境（如大气层）中，我们可以通过  “借力”  来规避这一限制：

·  行走时，我们通过蹬地获得反冲力，地球会因此产生极其微小的反向运动；

·  飞机燃烧燃料，但通过吸入空气并将其向后推出获得反冲力。

然而，在真空中，这些  “借力”  方式都不可行。即使是依靠外部光子或物质反射获得推力的航天器（如激光帆），虽然规避了火箭方程的限制，但本质上仍在利用外部物质作为  “反冲质量”——  这与我们蹬地行走、飞机吸入空气的原理类似。

因此，真正的  “无反冲推进器”——  即不依赖任何反冲质量（无论是携带的还是外部的）就能产生推力的装置  ——  通常被归类为克拉克科技。

在航天器推进的相关设想中，可能被归为无反冲推进器的包括阿尔库比勒曲速推进器、直径推进器、电磁推进器、燃料推进（此处原文表述可能存在误差，结合上下文应为  “基于燃料的特殊推进方式”）、引力偶极子推进器等。

加粗  -  电阻加热喷气发动机

电阻加热喷气发动机是电动推进的一种实例，其工作原理如下：

1.  电源提供电能，电流通过电阻产生热量，使电阻丝达到白炽状态（与传统白炽灯泡的灯丝发热原理相同）；

2.  白炽的电阻丝加热一种惰性物质，该物质受热后成为火箭推进剂；

3.  受热后的推进剂以高速从发动机尾部喷出，产生推力。

电阻加热喷气发动机已在卫星上应用数十年，其主要优势在于：

·  比冲适中：比冲性能与氢燃料相当，具有较好的推进效率；

·  安全性高：使用惰性推进剂，安全性与冷气推进器相当。

因此，它非常适合用于航天器的小幅轨道修正和长期运行（可在数年时间内持续工作）。

此外，电阻加热喷气发动机还可与放射性同位素热电发生器（RTG）或太阳能电池板等电源配合使用。

需要注意的是，与同类的电弧喷射火箭和微波电热推进器相比，电阻加热喷气发动机的效率较低。

加粗  -  可重复使用火箭

尽管关于火箭技术的许多讨论都集中在研发具有更高排气速度的优质燃料或更先进的推进系统上，但在当前及过去的很长一段时间里，现代火箭和太空发射的成本主要并非来自燃料，而是来自火箭箭体本身。

火箭箭体需要经过精密制造，具备极高的强度，以承受发射过程中巨大的力、压力、振动和高温。因此，降低太空旅行成本的一个主要思路是：

·  回收并重复使用火箭箭体；

·  将轨道上剩余的助推器外壳改造为空间站组件。


　　(https://www.yourxs.cc/chapter/5415209/43869953.html)


1秒记住游人小说网：www.yourxs.cc。手机版阅读网址：m.yourxs.cc