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用于收罗太空中的反物质粒子

归档日期:06-01       文本归类:代达罗斯      文章编辑:爱尚语录

  进入三体垂危纪元后,为尽早制出核聚变火箭发起机,人类的可控核聚变项目设立了四个酌量分支,判袂按分歧的酌量倾向举办。正在实际中,受控核聚变的常用体例有两种,对应这两种体例,工程师提出了两种核聚变火箭发起机计划,它们各有优劣?

  磁拘束聚变发起机。磁拘束聚变也叫做一连性聚变,是将核燃料形成数百万度的高温等离子体,使原子核活动到能彼此碰撞。因为等离子是带电的,以是可能用强磁场来桎梏它们,不然高温离子领略熔化任何桎梏它们的容器。《三体2》如此描摹了磁拘束聚变发起机试验凋谢的场景?

  正在人类太空舰队的开展倾向确定为无工质辐射推动后,大功率反映堆先河举办太空测验。这时地面上的人们时常能看到三万公里的高空发出炫方针光泽。这被称作“核星”的光泽是失控的聚变堆失控形成的。核星产生并不是聚变堆爆发爆炸,只是反映器的外壳被核聚变形成的高温烧熔了,把聚变中枢暴透露来。聚变中枢像一个小太阳,地球上最耐高温的质料正在它眼前就像蜡平常熔化,以是只可用电磁场来拘束它。(《三体2》242页)!

  磁拘束聚变也许是核能发电的最佳体例,但未必合用于用于太空遨游。要拘束住高温等离子体,务必安设一个磁场爆发装备。这种装备由永世磁铁和电磁线圈构成,体积雄伟,重量惊人。这意味着火箭发起机务必制得很大。大刘的立场很了了:小说中,初次告竣可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说,“我早就感想到托卡马克体例是一条绝途,倾向对了,打破决定会形成。(《三体2》220页)”这里的托卡马克体例便是磁拘束聚变。

  惯性拘束聚变发起机。惯性拘束聚变也被称作脉冲性聚变,愚弄激光或者粒子束来照耀核燃料球形成超高温,天生比磁拘束聚变时密度更高的离子体,从而激励聚变反映。因为此时反适时间十分速,小燃料球本身的惯性就可能支柱热度足够长的功夫来举办反映,以是无需强磁场桎梏。正在太空的真空境况中行使粒子束比正在地球上具有明明的上风,可能不受大气分子的骚扰。从这一点来说,此计划更为可行。不外,采用惯性拘束还需安设激光器或粒子束爆发器,而且需求给它们供给能量。固然云云,此计划很恐怕比磁拘束聚变发起机要轻。

  太平功率输出的可控核聚变固然还未告竣,但其道理是了了的,麻烦只存正在与身手周围。假以岁月,定能博得打破。况且航天器的尺寸、构造与效用也得正在现有根基上有很大晋升。目前的聚变反映堆容器十分大况且重,这使得其并欠好用于星际游览,正在异日如磁拘束或惯性拘束和等离子不太平性等身手题目处分后,小型的聚变反映堆有恐怕被打算筑设出来。

  正在探测三体舰队内情的“阶梯铺排”举办的同时,人类先河酌量太阳系防御事宜。首当其冲的题目便是,用什么动力推动雄伟的太空战舰?核聚变是当时人类最有恐怕担任的高密度能源,该如何行使核聚变能呢?固守化学燃料火箭思绪的航天界气力派看法研发工质推动飞船,以核聚变能促进有质地的工质,形成反推力推动飞船。而太空军则力主研发不需求工质的辐射驱动飞船。

  《三体》中,为了确立无工质发起机的开展倾向,章北海行使了尽头机谋:狙杀?

  核能推动的设思最早是由加入曼哈顿工程的斯塔尼斯拉夫?乌拉姆(Stanis?aw Marcin Ulam)和弗雷德里克?霍夫曼(Frederic de Hoffmann)正在1944年提出的。厥后,美邦原子能委员会与NASA拉拢执行了NERVA(火箭遨游器用核发起机)项目,该项目要紧酌量工质推动核火箭。其道理是核反映堆内的核燃料形成热量,推动工质流经反映堆接收热量后,通偏激箭喷嘴喷射出去。

  NERVA采用氢气动作工质兼冷却剂。氢气具有精良的导热职能,正在高温低压状况下容易离解为原子氢,并接收大方的热。况且氢的导热职能可与金属质料相媲美,是最好的冷却介质之一,同时因为其分子量小而成为最精良的推动工质。1955年到1968年间,美邦政府投资15亿美元,正在正在内华达州核试验场举办了众次核火箭测试。最终制出了重200千克,推力到达100吨的核火箭发起机,可使宇航员乘坐通勤飞船正在24小时内抵达月球或从月球返回地球。

  然而,就正在功率4000兆瓦的核火箭发起机先河测试时,阿波罗登月铺排遭到了尼克松政府大幅度的预算镌汰。将更众的宇航员送上月球和载人火星铺排被无穷日推迟。1972年,已无用武之地的NERVA铺排被解除。

  厥后,航天工程师,载人火星铺排的大举胀吹者罗伯特?祖布林(Robert Zubrin)又提出了一种核盐水火箭的构想。这种火箭以融化了含有钚或铀235的盐水动作燃料。这些含核燃料的盐水存储正在异常打算的容器内,通过几何构制或中子接收的法子来保障其不到达核反映所需的临界质地。推力通过加热这些放射性盐水来形成核裂变,并通过喷嘴排生产生推力。水正在这里既动作中子减速剂也被看成推动工质。

  无论是用氢如故盐水,工质核火箭都无法开脱工质的桎梏。核动力虽给飞船带来漫长的续航力,但工质的消磨却令飞船难以远离补给站,就像蒸汽时间的铁途机车无法开脱加水站相通。恰是正在这种情景下,太空军的精神人物章北海激怒地如是说。

  “工质推动飞船不外是个大火箭,要用凌驾三分之二的运载才干运载推动工质,且工质消磨很速,这种飞船只可以行星基地为依托,正在太阳系内航行。如此做,是正在反复甲午干戈的悲剧,太阳系便是威海卫!”(《三体2》221页)!

  《三体2》中对“自然采取”号的描写令人神往。大刘设思把核聚变形成的辐射能直接导向飞船后方,用反冲效力推动飞船行进。假使说太阳帆飞船是借助太阳的辐射遨游,那么无工质核动力推动便是把“小太阳”带正在了身上!

  “自然采取”号是亚洲舰队第三分舰队的旗舰,具有最新一代的无工质聚变推动编制,全功率推动时,可能加快到光速的百分之十五。它的舰内生态轮回编制万分完善,也许举办超长功夫续航。(《三体2》327页)?

  本来,早正在四十年前,就有人提出了速率相似“自然采取”号的无工质核聚变推动飞船构想。

  1970年,美邦内华达大学的弗里德瓦特?温特伯格(Friedwardt Winterberg)提出了用高能电子束激励核聚变(即“惯性拘束”)的思绪。他打算的火箭发起机正在每次核聚变时可开释出约100亿焦耳的能量,可告竣每秒300公里的高速遨游。几年后,加入“代达罗斯铺排”的前罗尔斯-罗伊斯公司火箭工程师阿兰?邦德带领13人的酌量小组提出了核聚变火箭的构想。这种核聚变火箭内有一个磁场修建的燃烧室,通过向燃烧室的核燃料球发射电子束,形成高温等离子体,这些等离子体便是推力来历。

  发起机管事时,每秒钟向燃烧室发射250颗核燃料小球。正在第一颗核燃料小球射入的时刻,分散于燃烧室内腔的几十个电子束爆发器射出电子束,轰击核燃料小球,氘和氦-3等核燃料爆发每秒250次的核聚变反映,倏得形成庞杂的能量,促进火箭高速向前遨游。当第一级火箭管事完毕后会主动零落,第二级火箭接着不绝管事,这两级火箭可管事近4年的功夫,能使火箭到达36000公里/秒的速率。假使只是高速掠过对象恒星,不选取减速设施,该火箭可能正在一个别的有生之年——五十年——之内,抵达距地球5.9光年的巴纳德星。

  正在太阳系中,光压和太阳风无处不正在,光帆飞船可能畅逛无阻;正在远离太阳的航天基地邻近,核燃料可能应时增补,核动力飞船的巡航半径可能预期。要航行更远的间隔,比方从“三体行星”到地球的4光年航程,途中既没有弥漫光照,也没有燃料补给站,上面两种推动体例就不再是适应的采取。满怀壮志、思要克制地球的三体舰队终究采用了什么举措驱动雄伟的太空船呢?

  大刘直接给出了谜底。地球“三体构制”总统叶文洁被捕后继承审问时揭发:“三体飞船推动的动力是正反物质的湮灭,飞船前哨有一个庞杂的磁力场,变成一个漏斗形的磁罩,用于采集太空中的反物质粒子,这种采集历程万分怠缓,过程相当长的功夫,才调取得供飞船举办一段功夫加快的反物质数目,所以舰队的加快是间断举办的,很长功夫的采集后才调举办一次。”(《三体1》245页)。

  叶文洁的“供述”看待21世纪的地球卫戍者没有众少价格。由于早正在“红岸基地”尚未立项的1960年,人类就参透了三体第一舰队的动力之谜。那一年,正在美邦洛斯阿拉莫斯测验室管事的物理学家罗伯特?巴萨德(Robert Bussard)揭橥了一篇名为《星际物质与星际遨游》的论文,内部构想了一种全新的航天器推动体例——飞船前哨漏斗状的采集器采集星际物质中的氢元素,氢元素可动作飞船核聚变发起机的燃料行使。飞船遨游速率越高,采集服从也越高,这就像是蓝鲸张开大口过滤海洋中的浮逛生物相通。

  这种航天发起机被后性命名为“巴萨德冲压发起机”。其外面根基是正在恒星间并非所有的真空,一般都有一种稀少的气体满盈其间,这便是星际物质。固然这种物质密度极低(每立方厘米约有100个氢原子),但聊胜于无。假使能搜罗无处不正在的星际物质动作发起机燃料,则飞船的外面续航才干可能到达无穷远。

  目前取得公认的巴萨德冲压发起机是一种冲压核聚变反映堆,它愚弄庞杂的电磁场(直径从数公里至数千公里不等)动作“漏斗”来采集并压缩星际物质中的氢,飞船前哨的漏斗吸入沿途的星际物质,极高的相对速率和磁场效力使反映物质正在核反映腔中压缩,直到温度和密度足以爆发核聚变。如此形成的庞杂能量再通过另一个磁场扶引至发起机的排气倾向,并借反效力力道理推动飞船。假使该飞船也许仍旧10米/秒2的加快率(略大于地球外面的重力加快率),不到一年功夫,速率即可到达光速的77%。正在《三体》中,三体第一舰队恰是行使了巴萨德冲压发起机,才调以万分之一光速遨游。

  1974年,加入“代达罗斯”核聚变火箭铺排的阿兰?邦德(Alan Bond)提出了巴萨德冲压发起机的鼎新计划“RAIR”。该计划将采集到的氢动作反映物质而不是推动工质。进入发起机的质子流被减速到一兆电子伏,然后启发质子流轰击锂-6或硼-11。锂-质子聚变或硼-质子聚变不光更容易爆发,况且开释的能量高于其他品种的核聚变。聚变形成的能量被导入前哨漏斗吸入的物质中,被“加热”的物质高速喷出,驱动飞船行进。

  “RAIR”另一种改型——“催化RAIR”发起机的服从更高。当进入采集器的物质流被压缩后,人工到场一小块反物质。与核聚变比拟,这种湮灭反映的反映截面更小,所需温度也更低。据推算,要驱动一万吨重的飞船以1g加快率遨游,所需的反物质催化RAIR 发起机直径仅为3.5米!当然,乘这种“微型”发起机遨逛宇宙,得自备足够的反物质供催化用。

  巴萨德最初的设思是用死板体例采集氢。遵循他的推算,为到达理思的1g加快率,质地一千吨的飞船前哨需求有面积达一万平方公里的采集器。即使异日的质料科学博得庞杂提高,这么大面积的采集器也将万分深浸——纵然采集器采用10毫米厚的Mylar创制,质地也将到达二十五万吨。

  况且巴萨德假设星际物质都是离子化的,自身带有电荷,容易被磁场拘捕。现实上,恒星间的星际物质要紧是中性的原子与分子,磁场对它们毫无效力。处分计划是先用大功率激光将飞船前哨的氢原子离子化。离子化的氢遗失电子成为单个质子(带正电荷),可能被采集器形成的磁场采集。假使采用这种电磁体例采集,那么采集器乃至不必做成纯固体形状(可能是网状的),采集器的实颜面积也可能大大缩小,只消保障磁场领域很大就可能了。

  即使云云,依旧存正在清贫。天生激光和磁场都需求庞杂能量,这个能量得事先计算。磁漏斗也不像听起来那么浅易。由于磁力线集聚于漏斗进口处,它们会把进来的带电粒枪弹开,而不是将其拽入漏斗。结果便是,磁采集器就像一个磁瓶,采集了飞船前哨圆锥区域的粒子,却阻塞其进入反映堆。处分计划之一是筑设脉动磁场,模仿“张嘴”和“吞咽”的历程,但操作起来并禁止易。再有个题目是,大局部采集进来的都是氢离子,它不像氘和氚那么容易爆发核聚变。最终,巴萨德发起机只可正在飞船到达必定速率时行使,只要做高速遨游时,采集器才调采集足够众的燃料供冲压发起机启动。所以,需预先启动一个助推发起机使飞船到达巴萨德发起机焚烧的临界速率——约为光速的6%——然后更具服从的冲压发起机才调寻常运转。

  星际间的尘土颗粒对高速遨游的飞船船体是一个庞杂威迫,除此以外,星际物质中的带电粒子也会给舵手的壮健和电子筑设带来致命的毁伤。完全来说,以光速30%运动的一千克物体包含的动能相当于百万吨的能量;以亚光速遨游的飞船,撞上静止的尘土颗粒也会因庞杂的相对速率而被击毁。而没能被磁漏斗抵制的带电粒子则会变成高能粒子雨,毁伤舵手的DNA和慎密电子筑设。

  “队形变得稀稀拉拉,溃不可军,有一泰半战舰早就中止了加快,穿过尘土时又减速了不少”(《三体2》p280)——这些舰只都正在尘土颗粒及高能粒子雨点般的轰击下垮掉了。

  纵然巴萨德冲压发起机面对诸众实际清贫,但因其所有行使已知身手就可能到达亚光速,以是深得硬科幻作家的嗜好。科幻迷广为晓得“巴萨德冲压发起机”这个观点要拜美邦科幻行家拉里?尼文所赐,他正在系列科幻小说《已知宇宙》中行使了这种发起机。正在尼文笔下的文雅天下,星际殖民的早期阶段派出了设备巴萨德冲压发起机的主动探测器,跟着功夫的推移,富人们也可能采购这种发起机,举家搬离拥堵的地球。正在他的另一部名著《环形天下》中,尼文则行使这种发起机做航程推动和名望支柱用。

  正在《星际迷航》系列影片中,一种名为“巴萨德氢采集器”的装备动作“正反物质推动编制”的一局部展现正在星舰上,它可能使星舰加快到超光速。这种采集器装正在曲速引擎的前哨,当星舰中贮存的氘省略时,采集器就会搜罗星际物质中的氢,并将其转化为氘和反氘,供曲速引擎行使。正在影片中,巴萨德氢采集器的低采集率和星际物质拖曳题目都由于超光速遨游迎刃而解。

  闭于巴萨德冲压发起机最瑰丽的幻思,则来自于波尔?安德森(Poul William Anderson)的小说《宇宙过河卒》(Tau Zero)。正在这部作品中,安德森讲到冲压飞船“利奥诺拉-克里斯廷”号境遇星际尘土云后遗失减速装备,进入了无法中止的无歇止加快状况。正在渐渐趋近光速的航程里,因为相对论的功夫膨胀效应,舵手们察觉他们仍旧飞入了“异日”,并亲眼睹证了宇宙的崩溃和灭亡。这个小说的影响力十分之大,以致于美邦邦度航空航天局“打破推动物理项目”主管马克?米利斯(Marc Millis)分开航天局创立了一个构制“τ0基金会”特意酌量超光速遨游。

  看待历久星际遨游来说,速率不是独一需求处分的题目。因为代达罗斯正在旅途中不行与地球举办及时通信,其自身务必具有足够的应变才干才调保障胜利走所有程。此中一个最致命的题目是星际尘土的轰击。固然尘土的密度并不高,颗粒也很小,不过正在0.12倍光速下,这一影响弗成无视。

  正在《三体》中,三体舰队穿越星际尘土时,飞船数目省略了,有的飞船落伍了,这便是星际尘土的阻滞力气。“代达罗斯”的处分计划是正在飞船前哨设备50吨重、7毫米厚的铍质防护罩,并可能通过率领的大方“尘土虫”微型机械人正在母船前哨200公里处天生高速运转的粒子防护云,以“自我归天”的体例铲除行进道途上的麻烦。假使有局部“丧家之犬”撞到了飞船,还可能愚弄小型遥控死板装备“看守”正在途中随时修复。如此一来,就可能避免三体舰队的灾祸。

  除了行使核聚变告竣无工质推动外,核裂变也可到达这一恶果。《核动力火箭克制太空》一文曾先容了“乘坐”连续引爆的上天的猎户座核火箭,它就属于无工质核裂变脉冲推动。只不外这种推动体例无益辐射太众,属于“脏”火箭,为爱惜人命和境况的人们所不齿。

  迄今为止,代达罗斯铺排仍是论证最完善的核聚变火箭计划。它的构想影响了很众科幻影片:从《异形》到《阿凡达》,从《Wall-E》到《冲出平宁号》,这些影片都把核聚变发起机动作促进雄伟飞船的“通例”推动体例。这也讲明,科幻界认同如此一个看法:只消有足够的资源和信念,“行进!行进!!不择机谋地行进!!!”,制出核聚变火箭并非不恐怕的劳动。(编辑:Jerrusalem)?

  正在《三体》航天考(上)与(下)里,咱们还会商了相闭阶梯铺排、太空电梯和曲率驱动的航天身手。请移步:《三体航天考:太空电梯和阶梯铺排》和《三体航天考:曲率驱动》!

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