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!
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!