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未来100年,我们如何逃离太阳系?工质推进和辐射推进的讨论

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写这篇小文的灵感来自于《三体》中对工质推进发动机的讨论。
结论:章北海杀错人了,在目前和未来一二百年的技术框架下,必须使用工质推进的发动机,非工质推进效率更低。(不要考虑虫洞之类的玄乎玩意儿,咱讨论硬科幻)
飞船的能量来源,基于现有和未来几百年的技术,只能是核聚变。目前还只能是重氢聚变(或者氦3之类),因为更容易实现,技术门槛低。宇宙中最高效的核能是氢聚变成氦,大约有0.7%的质量转换为能量。当然,氦还可以聚变,但难度大,释放的能量少。更重的元素效率就更低了,铁元素聚变不释放能量,比铁重的元素聚变反而要吸收能量。
这里大多数人有个误区,以为核聚变的能量很大,很大……其实只是相对化学燃料很大而已,核聚变释放的能量其实并不大。
我们考虑一个飞船,重100万吨,其中90万吨是氢燃料。这样一个生存空间狭小的庞然大物,最终速度能达到多少呢?下面分别计算工质推进和非工质推进的情况下,飞船的最终速度。
1 工质推进
根据齐奥尔科夫斯基的火箭公式,飞船的最终速度等于喷气速度乘以质量比的自然对数,即vt=vp*ln(m0/mt)。质量比即飞船初始质量和末质量(燃料消耗光)的比值。现在已知飞船的质量比为10,取自然对数为2.3。喷气速度计算如下:
飞船采用氢聚变提供能量,效率0.5%(已经很高了,最高效率是0.7%,总还需要能量维持生态系统的运转,还总会浪费一些能量的)。为简单起见,本文不考虑相对论效应(经典力学的误差可以接受)。飞船把聚变废料当成工质喷射出去,根据能量守恒,喷射的工质速度将接近0.1倍光速。(0.5m*v^2=0.005m*c^2, v=0.1c)。如此,飞船最终的速度为0.23倍光速。考虑减速,机动,真正的速度不到此值的一半。也就是说,人类在目前的理论框架下,要远征三体,至少需要50年时间来远航,要逃离太阳系到10光年远的地方,至少需要100年。
更加可怕的是,核聚变可能是便于利用的最高效释放能量的方式,那么,人类永远都只能以10%的光速在广阔的宇宙中航行!


1楼2012-04-19 18:17回复
    如果不把核聚变的废料当成工质高速喷出,而直接用聚变产生的光能辐射来推进飞船,飞船的最终速度是多少呢?结论是,辐射推进的效率比工质推进要低得多。
    暂时没空,等会再细细计算。哪位朋友功底扎实,代替我计算也好。


    2楼2012-04-19 18:20
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      2025-08-09 06:27:04
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      用速度最多征服太阳系,至于星际旅行啊,还是要靠空间扭曲


      IP属地:浙江3楼2012-04-19 18:30
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        曲率驱动被虐了


        4楼2012-04-19 18:51
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          看来还是肖-藤川什么的才是王道


          IP属地:广东5楼2012-04-20 00:24
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            别说什么曲率驱动了,辐射驱动的船我们有生之年可能都看不到。


            来自掌上百度6楼2012-04-20 08:45
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              倘若辐射驱动,那么100万吨的飞船(其中燃料占90万吨),速度能达到多少呢?
              飞船的燃料为90万吨,核聚变可将其0.5%转化为能量,那么,飞船在燃料耗尽的时候,还剩余9999.55万吨(100-90*0.005),质量比为1.004,取自然对数,飞船的喷射物为光子,速度为c,得飞船的最终速度为0.0045c,也就是0.45%光速。
              看到了吧,章北海同志杀错人了,该死的是非工质推进的拥护者,因为辐射推进的飞船,最终速度不到光速的千分之五!
              想一想,100万吨的飞船,其中90万吨是燃料,辐射推进,最终速度不到光速的百分之一!倘若飞船中只有10万吨燃料,则千分之一的光速都达不到!这就是不顾科学,盲目大跃进的后果!
              上述计算中,假设飞船不抛弃废料,带着走。
              倘若飞船抛弃废料,那么速度会上升,抛弃废料的速度越快,最终速度越大,但废料的抛弃速度最多能达到0.1C,此时飞船能达到0.23C。也就是说,工质推进才是正确的道路。
              为那些冤死的专家默哀中……为大刘默哀中……
              阿门!
              阿弥陀佛!


              8楼2012-04-20 12:26
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                只有0.5%转化为能量,没转化的那些还扛在飞船上干嘛?不能即使用辐射推进,又往后喷残渣吗?


                9楼2012-04-20 12:53
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                  2025-08-09 06:21:04
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                  干嘛搞那么重的飞船?科技发达了,可以把思维先存储在一个机器昆虫的芯片上,把这个机械昆虫以全球的能量发射到要去的星球,让这个机械昆虫就地取材不停复制自己,更多的人则通过把思维用无线电波的方式传输到那个新的星球上的机械昆虫脑中,甚至让那些昆虫制造一个生化躯壳来容纳不断到来的思维。


                  来自手机贴吧10楼2012-04-20 14:57
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                    利用黑客帝国+阿凡达模式,不用本体的肉体亲自去啊


                    来自手机贴吧11楼2012-04-20 15:00
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                      反物质,全部转化


                      来自掌上百度13楼2012-04-20 23:00
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                        用质量中继器啊土鳖们


                        IP属地:上海14楼2012-04-21 13:01
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                          大哥,人家的战争四百年后......干脆也不准备了?!的说


                          IP属地:湖南来自Android客户端15楼2012-04-21 19:42
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                            我认为质量中继器是最有前途,最具想象力的方法,通过减轻自身质量到无限小,将自身速度加速到光速甚至超光速,如果质量足够小完成星系的跳跃是不成问题的。只不过假如要维持一个质量中继器的能量需要一颗比太阳大得多的能量,或者至少要有地球那么大的反物质


                            IP属地:上海16楼2012-04-21 20:17
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