乘着太阳风殖民宇宙

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/09 11:30:17


   殖民宇宙最大的问题是携带燃料问题。即使是能量密度高的核聚变飞船也是如此,于是在一些科幻小说里星际殖民飞船动辄有重达数千万到数亿吨的庞大重量和可与一座小城镇比拟的庞大体积,那里面装满了核燃料。
   智慧的人类想出了一个有效的解决办法——核聚变冲压发动机,也叫巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet),它是美国物理家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960提出来的。众所周知任何航天器要远行都必须自身携带燃料。而核聚变冲压发动机的优点在于不需自身携带燃料,它利用一张数千到数万平方公里的巨大磁场收集空间内的质子(氢元素)以用于自身的推进。它可以通过向前方发射激光或者电子束来将星际物质的外部电子击开形成离子,然后利用磁场收集,这个磁场漏斗的延伸范围甚至可以比巴萨德最初设计的漏斗更大,而实体漏斗本身则可以做得比较小甚至不要。
   但是这种巨变冲压发动机的缺点也非常明显,那就是宇宙空间的氢元素是如此稀疏。以至于每立方厘米只有1个氢原子。而1ml水中有6.688*10^22 个氢原子。有人统计,为了收集到足够的氢原子这种飞船必须以每秒18000公里也即6%光速的高速前进以收集稀疏的空间粒子。要达到6%光速谈何容易,于是有人宣称巨变冲压发动机仅仅是一种狂想,根本不具有可行性。
   奈何天道留一线,一种太阳猛烈释放能量的现象——“太阳风暴”为我们提供了解决问题的曙光!!!
   太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。我们寄予希望的“扰动太阳风”,即在太阳活跃时期喷射出的粒子流。这种太阳风与太阳抛射物质事件或爆发现象有关,还有时伴有高能荷电粒子的大量增加,其射流速度一般可以达到每秒钟1000-2000千米,粒子密度也比较大,每立方厘米可含质子几十个(地球轨道附近的观测值)。这种太阳风每次持续数小时到数十小时。
   太阳风的物质密度是如此之大,以至于高于星际空间数十倍(星际空间大约每立方厘米只有一个质子)。根据核聚变飞船收集星际物质的公式:每秒收集到物质总量=收集磁场截面积*飞船速度*空间物质密度。在高空间粒子密度的情况下,我们完全可以以较低的速度收集质子。举个例子:假如太阳风密度达到100个质子每立方厘米,我们就不必以6%光速收集质子,而是以180公里每秒收集质子。如果以太阳风中的氦3为燃料,速度可以降的更低,同理我们也可以大幅度的减少飞船收集粒子的磁网的面积。在太阳风中我们不需要张开一张2万平方公里的大网,我们只要张开一张数百平方公里的磁网就足够了了。这是上天赐予人类航天计划的福音。让我们设想一下未来人类乘着太阳风殖民宇宙的情景吧:
    2220年人类观测到一场猛烈的太阳风,这场太阳风将以1000公里每秒的速度与人类的金星轨道站——燧人氏轨道站擦肩而过。将历时30个小时,在燧人氏轨道站附近物质密度将达到120个质子每立方厘米(离太阳越近,质子密度越高)。对此期待已久的燧人氏轨道站的工作人员们欣喜若狂,等候已久的夸父号飞船随机起飞,这艘飞船总质量达到1万吨,是一艘以氘氘聚变为动力的核飞船。他可以张开一张2万平方公里的巨大磁网以收集空间中的质子。在太阳风暴到来之前数天这艘夸父号飞船就已经起飞,经过数天的加速,这艘夸父号飞船达到了1070公里每秒的高速,随即夸父号飞船机动变轨,切入太阳风尾端。
   随着进入太阳风当中,夸父号飞船张开了一张面积达到2万平方的巨大磁网。这张巨大的磁网收集了前方的物质,并筛选有用的氘原子和氦3进入主发动机。随即氘原子和氦3被聚变发动机转化成推进夸父号前进的动力,核聚变发动机为这艘1万吨级别的飞船提供了10米每秒的加速度。就在夸父号聚变冲压发动机启动的同时,夸父号的驾驶员享受到了久违的重力感。10米每秒的飞船加速度正好相当于地球的重力加速度。
   飞船的速度越快这艘飞船收集质子的效率也越高。为了减少阻力飞船张启的磁网面积也在不断缩小当中。经过18天的不间断加速,这艘飞船的速度终于达到了6%光速也就是18000公里每秒。此时飞船的磁网已经缩小到了数百平方米,尽管不再以这张磁网收集质子,但是这张磁网仍然保留着,目的是为了推开一些质量较轻的障碍物。到达星际物质较密集的太阳光球层顶端之前这张磁网将不再开启。
    至此人类第一艘亚光速飞船“夸父号”正式启程,他将以6%光速飞向距离地球大约0.8光年远处的奥尔特星云天体——幸运之星褐矮星。大约13年后到达。
  

   殖民宇宙最大的问题是携带燃料问题。即使是能量密度高的核聚变飞船也是如此,于是在一些科幻小说里星际殖民飞船动辄有重达数千万到数亿吨的庞大重量和可与一座小城镇比拟的庞大体积,那里面装满了核燃料。
   智慧的人类想出了一个有效的解决办法——核聚变冲压发动机,也叫巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet),它是美国物理家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960提出来的。众所周知任何航天器要远行都必须自身携带燃料。而核聚变冲压发动机的优点在于不需自身携带燃料,它利用一张数千到数万平方公里的巨大磁场收集空间内的质子(氢元素)以用于自身的推进。它可以通过向前方发射激光或者电子束来将星际物质的外部电子击开形成离子,然后利用磁场收集,这个磁场漏斗的延伸范围甚至可以比巴萨德最初设计的漏斗更大,而实体漏斗本身则可以做得比较小甚至不要。
   但是这种巨变冲压发动机的缺点也非常明显,那就是宇宙空间的氢元素是如此稀疏。以至于每立方厘米只有1个氢原子。而1ml水中有6.688*10^22 个氢原子。有人统计,为了收集到足够的氢原子这种飞船必须以每秒18000公里也即6%光速的高速前进以收集稀疏的空间粒子。要达到6%光速谈何容易,于是有人宣称巨变冲压发动机仅仅是一种狂想,根本不具有可行性。
   奈何天道留一线,一种太阳猛烈释放能量的现象——“太阳风暴”为我们提供了解决问题的曙光!!!
   太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。我们寄予希望的“扰动太阳风”,即在太阳活跃时期喷射出的粒子流。这种太阳风与太阳抛射物质事件或爆发现象有关,还有时伴有高能荷电粒子的大量增加,其射流速度一般可以达到每秒钟1000-2000千米,粒子密度也比较大,每立方厘米可含质子几十个(地球轨道附近的观测值)。这种太阳风每次持续数小时到数十小时。
   太阳风的物质密度是如此之大,以至于高于星际空间数十倍(星际空间大约每立方厘米只有一个质子)。根据核聚变飞船收集星际物质的公式:每秒收集到物质总量=收集磁场截面积*飞船速度*空间物质密度。在高空间粒子密度的情况下,我们完全可以以较低的速度收集质子。举个例子:假如太阳风密度达到100个质子每立方厘米,我们就不必以6%光速收集质子,而是以180公里每秒收集质子。如果以太阳风中的氦3为燃料,速度可以降的更低,同理我们也可以大幅度的减少飞船收集粒子的磁网的面积。在太阳风中我们不需要张开一张2万平方公里的大网,我们只要张开一张数百平方公里的磁网就足够了了。这是上天赐予人类航天计划的福音。让我们设想一下未来人类乘着太阳风殖民宇宙的情景吧:
    2220年人类观测到一场猛烈的太阳风,这场太阳风将以1000公里每秒的速度与人类的金星轨道站——燧人氏轨道站擦肩而过。将历时30个小时,在燧人氏轨道站附近物质密度将达到120个质子每立方厘米(离太阳越近,质子密度越高)。对此期待已久的燧人氏轨道站的工作人员们欣喜若狂,等候已久的夸父号飞船随机起飞,这艘飞船总质量达到1万吨,是一艘以氘氘聚变为动力的核飞船。他可以张开一张2万平方公里的巨大磁网以收集空间中的质子。在太阳风暴到来之前数天这艘夸父号飞船就已经起飞,经过数天的加速,这艘夸父号飞船达到了1070公里每秒的高速,随即夸父号飞船机动变轨,切入太阳风尾端。
   随着进入太阳风当中,夸父号飞船张开了一张面积达到2万平方的巨大磁网。这张巨大的磁网收集了前方的物质,并筛选有用的氘原子和氦3进入主发动机。随即氘原子和氦3被聚变发动机转化成推进夸父号前进的动力,核聚变发动机为这艘1万吨级别的飞船提供了10米每秒的加速度。就在夸父号聚变冲压发动机启动的同时,夸父号的驾驶员享受到了久违的重力感。10米每秒的飞船加速度正好相当于地球的重力加速度。
   飞船的速度越快这艘飞船收集质子的效率也越高。为了减少阻力飞船张启的磁网面积也在不断缩小当中。经过18天的不间断加速,这艘飞船的速度终于达到了6%光速也就是18000公里每秒。此时飞船的磁网已经缩小到了数百平方米,尽管不再以这张磁网收集质子,但是这张磁网仍然保留着,目的是为了推开一些质量较轻的障碍物。到达星际物质较密集的太阳光球层顶端之前这张磁网将不再开启。
    至此人类第一艘亚光速飞船“夸父号”正式启程,他将以6%光速飞向距离地球大约0.8光年远处的奥尔特星云天体——幸运之星褐矮星。大约13年后到达。
  
楼主糊想,还不如多带一公斤水。
锻铁 发表于 2013-11-6 22:21
楼主糊想,还不如多带一公斤水。
携带燃料哪比的上不携带燃料,无工质飞船总比有工质飞船更优秀,这种聚变冲压发动机飞船就相当于一种等同无工质飞船

阴暗面 发表于 2013-11-6 22:24
携带燃料哪比的上不携带燃料,无工质飞船总比有工质飞船更优秀,这种聚变冲压发动机飞船就相当于一种等同 ...


如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风速度是300km。每秒收集容积是600万立方千米。收集到的质子才1.2摩尔。按最大聚变效率计算下来也只有50000N。推动50万吨的飞船加速度才0.1毫米每秒。这35小时加起来的速度还不如一辆汽车呢。
阴暗面 发表于 2013-11-6 22:24
携带燃料哪比的上不携带燃料,无工质飞船总比有工质飞船更优秀,这种聚变冲压发动机飞船就相当于一种等同 ...


如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风速度是300km。每秒收集容积是600万立方千米。收集到的质子才1.2摩尔。按最大聚变效率计算下来也只有50000N。推动50万吨的飞船加速度才0.1毫米每秒。这35小时加起来的速度还不如一辆汽车呢。
飞船功能仓1万吨差不多了。剩下的都是动力舱和燃料舱 这样最靠谱。6%光速妥妥的。0.5G加速6周。多舒服啊。
飞船功能仓1万吨差不多了。剩下的都是动力舱和燃料舱 这样最靠谱。6%光速妥妥的。0.5G加速6周。多舒服啊。
我去 你0.5G加速6周
那是不是还得休眠

aolbo 发表于 2013-11-7 01:48
如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风 ...


太阳风里面还含有4%的氦3,这是核聚变的优质燃料。如果每秒钟收集1.2mol的太阳风粒子,那里面应该含有0.15公斤左右的氦3,相当于1500吨优质煤
aolbo 发表于 2013-11-7 01:48
如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风 ...


太阳风里面还含有4%的氦3,这是核聚变的优质燃料。如果每秒钟收集1.2mol的太阳风粒子,那里面应该含有0.15公斤左右的氦3,相当于1500吨优质煤

aolbo 发表于 2013-11-7 01:48
如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风 ...


太阳风当中还有氦3你没计算。太阳风中含有4%的氦3你没有计算,飞船应该获得的推力比你计算的大
aolbo 发表于 2013-11-7 01:48
如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风 ...


太阳风当中还有氦3你没计算。太阳风中含有4%的氦3你没有计算,飞船应该获得的推力比你计算的大
我去 你0.5G加速6周
那是不是还得休眠
6周才42天。和全程比是很短的时间。
太阳风当中还有氦3你没计算。太阳风中含有4%的氦3你没有计算,飞船应该获得的推力比你计算的大
这个是按质子数算的。无论咋算都是毫米。那巨大的磁场漏斗还没算能耗

aolbo 发表于 2013-11-7 12:04
这个是按质子数算的。无论咋算都是毫米。那巨大的磁场漏斗还没算能耗


每秒0.14公斤氦3所蕴藏的能量比较巨大,不可忽视
aolbo 发表于 2013-11-7 12:04
这个是按质子数算的。无论咋算都是毫米。那巨大的磁场漏斗还没算能耗


每秒0.14公斤氦3所蕴藏的能量比较巨大,不可忽视
cl4876 发表于 2013-11-7 12:44
每秒0.14公斤氦3所蕴藏的能量比较巨大,不可忽视
多大容积能收集到?
多大容积能收集到?
0.14公斤氦3差不多相当于0.6公斤燃料铀,相当于1500吨优质煤。每秒钟燃烧1500吨优质煤推动一艘50万吨级别的太空船,应该不止产生0.1毫米每秒的加速度,你的计算有错误
如果只是6%光速的话,自带燃料效率更高。自带燃料足够一个来回的。而且粗算了下。起步时飞船相对太阳风 ...
就是每秒收集容积是600万立方千米的收集速度,其中含有0.15公斤氦3
阴暗面 发表于 2013-11-6 22:24
携带燃料哪比的上不携带燃料,无工质飞船总比有工质飞船更优秀,这种聚变冲压发动机飞船就相当于一种等同 ...
太阳风里有氘氘?就算有杂质怎么处理?
阴暗面 发表于 2013-11-7 08:50
太阳风当中还有氦3你没计算。太阳风中含有4%的氦3你没有计算,飞船应该获得的推力比你计算的大
不是什么聚变都能用一套系统完成的。
最终还是要搞定聚变引擎的问题。


emellzzq 发表于 2013-11-7 13:20
太阳风里有氘氘?就算有杂质怎么处理?


太阳风里面有大量的氦3,氘确实比较少,但是可以飞船自身携带,毕竟是自重50万吨的飞船,带一些氘并不算麻烦。这也相当于一种半无工质飞船,比所有燃料自身携带强的多。

当然,如果到了外太空星云地区,飞船就可以大量收集氘元素,进行氘氘聚变了,这时飞船又相当于是无工质飞船。

如果聚变技术先进的话可以直接搞氦3与氦3自己之间的聚变,这个连氘都省的携带了,可以让飞船相当于无工质飞船。
emellzzq 发表于 2013-11-7 13:20
太阳风里有氘氘?就算有杂质怎么处理?


太阳风里面有大量的氦3,氘确实比较少,但是可以飞船自身携带,毕竟是自重50万吨的飞船,带一些氘并不算麻烦。这也相当于一种半无工质飞船,比所有燃料自身携带强的多。

当然,如果到了外太空星云地区,飞船就可以大量收集氘元素,进行氘氘聚变了,这时飞船又相当于是无工质飞船。

如果聚变技术先进的话可以直接搞氦3与氦3自己之间的聚变,这个连氘都省的携带了,可以让飞船相当于无工质飞船。
后原始时代是伟大的史诗,也是诗史。

emellzzq 发表于 2013-11-7 13:22
不是什么聚变都能用一套系统完成的。
现在或许不行,但是未来也许能行。

氘氘聚变的发动机或许不能实现氘与氦三的聚变。但是能实现氘与氦三的聚变的发动机应该能以氘氘聚变为燃料。
后原始时代是伟大的史诗,也是诗史。

加速使用一个G就行了,最舒服。

大约18天达到6%光速。

导弹武库核潜艇 发表于 2013-11-7 13:46
加速使用一个G就行了,最舒服。

大约18天达到6%光速。
这个方法不错,如果只达到1个g的话,核聚变飞船收集太阳风粒子的磁场面积也可以相应减少。

核聚变飞船收集太阳风粒子的磁场面积,可以从2万平方公里减少到80平方公里。
就是每秒收集容积是600万立方千米的收集速度,其中含有0.15公斤氦3
我是楼主给的质子密度计算的。你把他的密度数据提高了100倍。如果飞船质量再缩小100倍那可以达到0.1G加速了。不过160千米直径的磁场漏斗能耗多少呢
aolbo 发表于 2013-11-7 14:19
我是楼主给的质子密度计算的。你把他的密度数据提高了100倍。如果飞船质量再缩小100倍那可以达到0.1G加速 ...
降低速度,减少磁场面积好了,这样可以大幅度降低磁场能耗。反正数百个g的重力加速度有点多余。就把飞船的相对速度(相对于太阳风的速度)降低到30公里(实际飞船速度1030公里,太阳风速度1000公里)。收集太阳风粒子的磁场面积减少到数百平方公里。

aolbo 发表于 2013-11-7 14:19
我是楼主给的质子密度计算的。你把他的密度数据提高了100倍。如果飞船质量再缩小100倍那可以达到0.1G加速 ...


我计算了一下,每秒0.15公斤氦3是根据你每秒钟收集1.2mol的太阳风粒子计算的,那里面含有4%的氦3。这确实是巨大的能量。
aolbo 发表于 2013-11-7 14:19
我是楼主给的质子密度计算的。你把他的密度数据提高了100倍。如果飞船质量再缩小100倍那可以达到0.1G加速 ...


我计算了一下,每秒0.15公斤氦3是根据你每秒钟收集1.2mol的太阳风粒子计算的,那里面含有4%的氦3。这确实是巨大的能量。
这个方法不错,如果只达到1个g的话,核聚变飞船收集太阳风粒子的磁场面积也可以相应减少。

核聚变飞船 ...
还缩小?你需要扩大1000倍面积才能达到1G加速,而且后期还要加强磁场强度不然粒子都抓不住
aolbo 发表于 2013-11-7 14:35
还缩小?你需要扩大1000倍面积才能达到1G加速,而且后期还要加强磁场强度不然粒子都抓不住
0.15千克氦3蕴含的能量相当于1500吨优质煤完全燃烧所提供的热值。这样多的能量仅仅能把50万吨的飞船加速0.1毫米每秒??

很明显你算错了。
我计算了一下,每秒0.15公斤氦3是根据你每秒钟收集1.2mol的太阳风粒子计算的,那里面含有4%的氦3。这确 ...
一摩尔氦3是0.003公斤
aolbo 发表于 2013-11-7 14:35
还缩小?你需要扩大1000倍面积才能达到1G加速,而且后期还要加强磁场强度不然粒子都抓不住
确实是我计算错误,这样每秒获得的能量相当于1.5吨优质煤,扩大1000倍磁场面积,每秒钟收集到的核聚变燃料相当于1500吨优质煤。1500吨优质煤仅仅能让50万吨的飞船获得1g的加速度吗?

显然我算多了,你算小了。咱们两个 都算错误了。
确实是我计算错误,这样每秒获得的能量相当于1.5吨优质煤,扩大1000倍磁场面积,每秒钟收集到的核聚变燃 ...
我用反冲作用计算的。50万吨飞船加速1G需要49亿N的推力。这么大的推力需要每秒消耗150公斤聚变燃料0.007质量损失。我实在算不出你的结果
澳大利亚BJ煤炭热值约为5500 大卡/千克,按国际标准的等热值换算,1千克原油相当于1.4286千克标准煤。

1升油15%燃烧可以让一辆1.2吨的汽车产生3个g的加速度。

那么1.5吨煤完全燃烧的话至少可以让接近3万吨的飞船产生1g的加速度。

让飞船质量从50万吨降低到1万吨,速度从1300公里每秒,降低到1100公里每秒好了。
aolbo 发表于 2013-11-7 15:09
我用反冲作用计算的。50万吨飞船加速1G需要49亿N的推力。这么大的推力需要每秒消耗150公斤聚变燃料0.007 ...
我的解决办法是在更接近太阳的地方,比如水星轨道释放飞船,以利用更高密度的太阳风物质。采用与太阳风的轴流成一定角度的路线前进,以增加飞船在太阳风内的行驶路程。
太阳风的发散应该比阳光发散更强烈,也许在水星轨道附近我们可以得到每立方厘米1千个粒子甚至更高密度的太阳风。

由于离开学生时代已久,也许我一开始的方案有些计算错误,但是希望大家一起完善。
阴暗面 发表于 2013-11-7 13:32
太阳风里面有大量的氦3,氘确实比较少,但是可以飞船自身携带,毕竟是自重50万吨的飞船,带一些氘并不 ...
你这根本没回答怎么提取的问题。
emellzzq 发表于 2013-11-7 16:22
你这根本没回答怎么提取的问题。
平行飞行的带电粒子遭遇磁场吸引后,因质量不同在磁场中会有不同的轨道,我们可以根据不同的轨道收集不同的带电粒子。
阴暗面 发表于 2013-11-7 16:27
平行飞行的带电粒子遭遇磁场吸引后,因质量不同在磁场中会有不同的轨道,我们可以根据不同的轨道收集不同 ...
根据不同的轨道分辨容易,可收集就不容易了。
阴暗面 发表于 2013-11-7 16:27
平行飞行的带电粒子遭遇磁场吸引后,因质量不同在磁场中会有不同的轨道,我们可以根据不同的轨道收集不同 ...
估计你产生的能量要消耗1/3用来维系磁场。
阴暗面 发表于 2013-11-7 15:29
澳大利亚BJ煤炭热值约为5500 大卡/千克,按国际标准的等热值换算,1千克原油相当于1.4286千克标准煤。

1 ...
可以从地球出发向太阳飞行。至少能有3亿公里的路程有较高密度离子。并使用核动力推进到1000公里速度。按2万平方公里漏斗截面。你这艘飞船只能有几百吨。近日点到达水星轨道。再次到达地球轨道速度能到2000以上。不过我觉得这里面的技术问题比完善聚变发动机大多了。
可以从地球出发向太阳飞行。至少能有3亿公里的路程有较高密度离子。并使用核动力推进到1000公里速度。按2 ...
个人认为太阳风的发散比阳光的发散高得多。越靠近太阳太阳风粒子的密度越高。很可能太阳附近的太阳风密度会比地球轨道附近高几个数量级。

这样在靠近太阳的地方飞船收集到的氦3会比地球轨道附近高百倍,千倍。

这样飞船在接近太阳的地方会比近地获得高百倍以上的加速度。

这样在飞船飞行过程中,它可以达到的最高速度远高于2000以上