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 12:45:06


   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50万吨,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一千多公里的巨大磁网。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50万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50万吨,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一千多公里的巨大磁网。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50万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。


很遗憾,楼主搞错了一个基本事实,导致全盘计划只能成为不切实际的幻想

那就是---太阳风里并不存在氘元素,因为恒星里的氘是在核心反应区由质子聚变而来,且会与质子聚变成氦3;另外,太阳风的速度是1000公里/秒,而飞船的初始速度只有1070公里/秒,两者的相对速度只有70公里/秒

虽然太阳风里没有氘元素,但我们可以不考虑太阳风,就考虑一般的恒星际宇宙空间,并以此做一个假设计算:
假设宇宙空间里的粒子密度达到100个/cm^3(实际上这是不可能的),飞船的初始速度是1000公里/秒,则当飞船的磁场截面积为5万平方公里时,其在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个

而宇宙的元素丰度是普通氢元素占74.99%,氦4占25%,氘仅占0.01%,换算成粒子数目比例,氘仅占6.13*10^(-5)

因此一秒之内收集到的氘核数量应为5*10^24*6.13*10^(-5)=3.065*10^20个

考虑氘氘聚变和氘氚聚变,平均一个氘核释放出4.978MeV

则飞船一秒之内收集到的氘可产生2.444*10^8 J 的能量

而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度,仅仅这个10m/s的速度增量对应的能耗就高达2.5*10^10 J

换言之,速度增量所需的能量是实际获得能源的100倍

但事情到这里还没完,前面仅仅计算了10m/s的速度增量对应的能耗,真正的动能增加量还要再加上飞船原有速度与速度增量的乘积这一项,由于原有速度为1000km/s=10^6m/s,故此项之值是“速度增量对应能耗”的20万倍,是实际获得能源的2千万倍

也就是说,即使磁场面积达到惊人的5万平方公里,即使星际空间的粒子密度达到痴人说梦的100个/cm^3,即使氘核聚变产生的核能全部转化为飞船的动能(这根本就是不可能的),飞船收集到的氘核也绝不可能为重达50万吨的自己提供一个g的加速度,实际上那点能量连这个能耗的零头都满足不了

若要那点能量提供一个10m/s^2的加速度,飞船的总质量应降至24.44千克

可笑的是,光人的体重就不止这么多,更别说飞船本身的重量了

很遗憾,楼主搞错了一个基本事实,导致全盘计划只能成为不切实际的幻想

那就是---太阳风里并不存在氘元素,因为恒星里的氘是在核心反应区由质子聚变而来,且会与质子聚变成氦3;另外,太阳风的速度是1000公里/秒,而飞船的初始速度只有1070公里/秒,两者的相对速度只有70公里/秒

虽然太阳风里没有氘元素,但我们可以不考虑太阳风,就考虑一般的恒星际宇宙空间,并以此做一个假设计算:
假设宇宙空间里的粒子密度达到100个/cm^3(实际上这是不可能的),飞船的初始速度是1000公里/秒,则当飞船的磁场截面积为5万平方公里时,其在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个

而宇宙的元素丰度是普通氢元素占74.99%,氦4占25%,氘仅占0.01%,换算成粒子数目比例,氘仅占6.13*10^(-5)

因此一秒之内收集到的氘核数量应为5*10^24*6.13*10^(-5)=3.065*10^20个

考虑氘氘聚变和氘氚聚变,平均一个氘核释放出4.978MeV

则飞船一秒之内收集到的氘可产生2.444*10^8 J 的能量

而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度,仅仅这个10m/s的速度增量对应的能耗就高达2.5*10^10 J

换言之,速度增量所需的能量是实际获得能源的100倍

但事情到这里还没完,前面仅仅计算了10m/s的速度增量对应的能耗,真正的动能增加量还要再加上飞船原有速度与速度增量的乘积这一项,由于原有速度为1000km/s=10^6m/s,故此项之值是“速度增量对应能耗”的20万倍,是实际获得能源的2千万倍

也就是说,即使磁场面积达到惊人的5万平方公里,即使星际空间的粒子密度达到痴人说梦的100个/cm^3,即使氘核聚变产生的核能全部转化为飞船的动能(这根本就是不可能的),飞船收集到的氘核也绝不可能为重达50万吨的自己提供一个g的加速度,实际上那点能量连这个能耗的零头都满足不了

若要那点能量提供一个10m/s^2的加速度,飞船的总质量应降至24.44千克

可笑的是,光人的体重就不止这么多,更别说飞船本身的重量了
很遗憾,楼主搞错了一个基本事实,导致全盘计划只能成为不切实际的幻想

那就是---太阳风里并不存在氘 ...
太阳风里面存在氦3的。这也是一种核聚变原料。

搞定氦3与氦3之间的核聚变就不需要携带燃料了。
搞不定的话就携带一些氘,这样也比所有燃料都要携带强。
很遗憾,楼主搞错了一个基本事实,导致全盘计划只能成为不切实际的幻想

那就是---太阳风里并不存在氘 ...
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该比地球轨道附近高几个数量级

阴暗面 发表于 2013-11-7 22:25
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...


氦3与氦3的聚变?

你知道这个反应的条件有多么极端吗?

太阳核心温度1500万K,压力2500亿个大气压(托卡马克中的等离子体热压强才10几个大气压)
即使是这样的超高温超高压,氦3与氦3的聚变所需的约束时间仍然高达3*10^5年

以人类的尺度而言,这根本就是不可能的

你只能寄希望于氘与氦3的聚变,然而这种聚变要求你携带氘燃料,一旦氘用完,氦3也就不起作用了,另一方面,没有了太阳风,氦3也就没有了---这两种核原料在太阳系内的加速过程中都是极其有限的
阴暗面 发表于 2013-11-7 22:25
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...


氦3与氦3的聚变?

你知道这个反应的条件有多么极端吗?

太阳核心温度1500万K,压力2500亿个大气压(托卡马克中的等离子体热压强才10几个大气压)
即使是这样的超高温超高压,氦3与氦3的聚变所需的约束时间仍然高达3*10^5年

以人类的尺度而言,这根本就是不可能的

你只能寄希望于氘与氦3的聚变,然而这种聚变要求你携带氘燃料,一旦氘用完,氦3也就不起作用了,另一方面,没有了太阳风,氦3也就没有了---这两种核原料在太阳系内的加速过程中都是极其有限的

阴暗面 发表于 2013-11-7 22:25
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...


占太阳风所有粒子4%的是氦元素,不是氦3,而氦元素中氦3与氦4的比例仅为5∶10000。事实上,太阳每生成10000个氦4,才会生成一个氦3

至于太阳风的发散性,显然不可能高于光的发散性,高能粒子只要不碰到障碍物,它会一直向前高速运动,而光线即使不碰到任何介质,也会自然地发散

靠近太阳的地方也许会有较高的粒子密度,但越靠近太阳,引力就越强,到时候克服引力引发的能耗恐怕早就超出粒子密集带来的助益了
阴暗面 发表于 2013-11-7 22:25
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...


占太阳风所有粒子4%的是氦元素,不是氦3,而氦元素中氦3与氦4的比例仅为5∶10000。事实上,太阳每生成10000个氦4,才会生成一个氦3

至于太阳风的发散性,显然不可能高于光的发散性,高能粒子只要不碰到障碍物,它会一直向前高速运动,而光线即使不碰到任何介质,也会自然地发散

靠近太阳的地方也许会有较高的粒子密度,但越靠近太阳,引力就越强,到时候克服引力引发的能耗恐怕早就超出粒子密集带来的助益了
djwkx 发表于 2013-11-8 17:29
占太阳风所有粒子4%的是氦元素,不是氦3,而氦元素中氦3与氦4的比例仅为5∶10000。事实上,太阳每生成1 ...
如果速度很快,逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的

http://lt.cjdby.net/thread-1740998-1-1.html

阴暗面 发表于 2013-11-8 21:44
如果速度很快,逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的

http://lt.cjdby.net/thread-1740998-1-1 ...


你只适合写科幻小说

不管是持续太阳风还是扰动太阳风,都是一种物质抛射现象,而非球状爆炸.只要高能粒子是在真空中传播,没有碰上障碍物,粒子密度不可能产生数量级的变化,你那个“每立方厘米5万个”是怎么算出来的?如此稠密的粒子介质,你还能张开2万平方公里的磁场?巨大的阻力恐怕早就让你的飞船歇菜了吧

假定太阳风的粒子密度是100/cm^3,飞船相对于粒子的速度是1000公里/秒,飞船的磁场截面积为5万平方公里

则飞船在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个

而太阳风中4%的粒子是氦元素,且氦3与氦4的比例仅为5∶10000

因此一秒之内收集到的氦3数量应为9.995*10^19

考虑“氦3+氘”的聚变反应,一对“氦3+氘”可释放出18.4MeV

则飞船一秒之内可产生核能 2.9462*10^8 J

而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度,对应的每秒能耗就高达2.5*10^10 J

两者相差两个数量级,还是没戏

另外,你在新贴《开发宇宙的第一步:向着太阳冲锋》中说什么“工质喷速达到光速的1/10,同时加速度达到几百个g”??

你不知道工质喷速和加速度是相互制约的吗?因为工质被喷出发动机的动能也来自于燃料的燃烧,工质喷速越高,其获得能量就越大,但飞行器获得的能量就越小,这样一来就无法得到大推力,只能得到极小的加速度

以你的狂想为例,工质喷速达到0.1c,由于“氦3+氘”是生成“氦4+氢核”,所以聚变产物的质量应为8.36354*10^(-7)kg,这个质量若是达到0.1c,其动能应为3.792*10^8 J,这早就超出“氦3+氘”产生的所有能量了,也就是说,你的飞船根本无法获得能量,即无法获得推力,加速度为0
阴暗面 发表于 2013-11-8 21:44
如果速度很快,逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的

http://lt.cjdby.net/thread-1740998-1-1 ...


你只适合写科幻小说

不管是持续太阳风还是扰动太阳风,都是一种物质抛射现象,而非球状爆炸.只要高能粒子是在真空中传播,没有碰上障碍物,粒子密度不可能产生数量级的变化,你那个“每立方厘米5万个”是怎么算出来的?如此稠密的粒子介质,你还能张开2万平方公里的磁场?巨大的阻力恐怕早就让你的飞船歇菜了吧

假定太阳风的粒子密度是100/cm^3,飞船相对于粒子的速度是1000公里/秒,飞船的磁场截面积为5万平方公里

则飞船在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个

而太阳风中4%的粒子是氦元素,且氦3与氦4的比例仅为5∶10000

因此一秒之内收集到的氦3数量应为9.995*10^19

考虑“氦3+氘”的聚变反应,一对“氦3+氘”可释放出18.4MeV

则飞船一秒之内可产生核能 2.9462*10^8 J

而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度,对应的每秒能耗就高达2.5*10^10 J

两者相差两个数量级,还是没戏

另外,你在新贴《开发宇宙的第一步:向着太阳冲锋》中说什么“工质喷速达到光速的1/10,同时加速度达到几百个g”??

你不知道工质喷速和加速度是相互制约的吗?因为工质被喷出发动机的动能也来自于燃料的燃烧,工质喷速越高,其获得能量就越大,但飞行器获得的能量就越小,这样一来就无法得到大推力,只能得到极小的加速度

以你的狂想为例,工质喷速达到0.1c,由于“氦3+氘”是生成“氦4+氢核”,所以聚变产物的质量应为8.36354*10^(-7)kg,这个质量若是达到0.1c,其动能应为3.792*10^8 J,这早就超出“氦3+氘”产生的所有能量了,也就是说,你的飞船根本无法获得能量,即无法获得推力,加速度为0
阴暗面 发表于 2013-11-8 21:44
如果速度很快,逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的

http://lt.cjdby.net/thread-1740998-1-1 ...
不过我可以告诉你一个好消息,我在本贴2楼的回复中故意漏了一个破绽,你能找出来吗?
djwkx 发表于 2013-11-8 17:17
氦3与氦3的聚变?

你知道这个反应的条件有多么极端吗?
我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
agein 发表于 2013-11-18 17:06
我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
亲太阳表层只有区区数千度
agein 发表于 2013-11-18 17:06
我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
那显然是胡说八道
LZ啊,我不是叫你找找我在本贴第2楼的回复中故意放出的破绽吗?如果你能发现,你会有些许安慰的,呵呵