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“真实”的太空战舰——引擎

精华修改于2022/01/017326 浏览
太空战斗中,太空战舰是绝对的主角。从帝国歼星舰到希格拉之耀,各种科幻作品中出现了无数令人印象深刻的设计。到底什么样的太空战舰才是“合理”且“高效”的呢?巨舰大炮和蜂群航母到底谁才是真正的未来?
要设计一款优秀的太空战舰,动力系统是重中之重,毕竟这玩意得先飞起来。
今天,咱们先来聊聊太空战舰的引擎。
概述
TapTap
牛顿第三定律
假设大家都掌握了背景知识:牛顿第三定律。
引言中曾提到过一个概念——Delta-V,意为change of velocity,即太空飞行器所能改变的速度总量。
对太空飞船来说,其Delta-V既代表了仅靠自己能冲多快,也代表了飞行中一共能耍多少次机动(任务复杂度)。
问题来了,太空飞船的Delta-V由哪些东西决定呢?
其实答案比你想得要简单,只有两个量:Mass Ratio、Exhaust Velocity
Mass Ratio非常简单的概念,直接上公式:
TapTap
R = mass ratioM = 飞船总质量
Mp = 飞船推进剂质量
Me = 飞船空重(飞船总质量 - 飞船推进剂质量)
Exhaust Velocity
Ve=Is×A
Ve = exhaust velocity
Is = specific impulse(比冲)
A = 加速度
提一嘴specific impulse(比冲)的概念。
知道基本火箭原理的老哥肯定很熟,没见过的朋友肯定很奇怪它的单位:秒。
比冲主要是想表示这玩意:“pounds-force seconds per pound-mass",即总冲量除以总质量。
可以简单理解为“持久力”。
据我所知这个定义经常被人喷,但好处也很明显,把后续运算从“单位”中解放了出来。对比冲感兴趣的可以自查。这里搞懂exhaust velocity就行。
Exhaust Velocity of Thermal Rocket
讲真,我确实不知道该咋翻译Thermal Rocket,热火箭?到底是热火还是火箭?
依然公式(这个有点头疼了吧):
TapTap
Ve = exhaust velocity
k = 比热容比值
r' = 气体常数
M = 相对分子质量
Tc = 燃烧室温度(K)
Pc = 燃烧室压力
Pe = 喷管出口压力
不深究,只要能看明白各个变量和Ve的相对关系就行(比如M要尽量小,Tc要尽量大)。这玩意我也是查来的,有大神的话欢迎纠正。
Exhaust Velocity of Fusion Rocket
TapTap
Pure Fusion
这里要用到著名的 E=m c×c
公式:
TapTap
Ve = exhaust velocity
Ep = 转化为能量的那部分燃料
c = 真空光速
聚变加力火箭:后面加了个额外燃烧室,用一级燃烧室的高温等离子体加热二级推进剂,使得喷射的工质更多更重,以加大推力(温度相对会低,导致exhaust velocity会低)
TapTap
Afterburner Fusion
双模聚变火箭:
利用中子和轫致辐射(在pure fusion rocket中被浪费掉了),加热二级推进剂,以提升性能。
TapTap
Dual-Mode Fusion
Delta-V
以防有些小伙伴没注意,特别提醒下:任何制动都要消耗Delta-V,包括减速;定速巡航并不消耗Delta-V。
本文最核心的公式:
TapTap
Δv= Delta-V
Ve = exhaust velocity
R = mass ratio
M = 飞船总质量
Me = 飞船空重(飞船总质量 - 飞船推进剂质量)
TapTap
补上公式来源!Tsiolkovsky rocket equation!
简单改写公式:
TapTap
不难看出,为了增加Delta-V(更复杂的任务),mass ratio必须呈指数倍增长,意味着你的超级战舰有一大部分都是燃料。效率太低、代价太高!
这到底是造油轮还是造战列舰呢?
当然啦,舰船自身的推进剂并非唯一手段,比如引力弹弓什么的,这里简化情况,暂不讨论。
而且说到这里,相信很多人都看明白了Delta-V和“宇宙速度”的关系。
Thrust
之所以一直没说推力,因为个人认为这个直观上最容易理解。
除了之前的exhaust velocity,推力还和单位时间内喷出的推进剂质量有关(这个从单位上就能看出)。
推力和续航能力无关,但是和机动性有关。有的时候不一定要持久,而是要大力!比如火箭升空的时候,比如战术机动的时候。所以先进的推进装置应该有类似“换挡”的概念。
即常规情况下“呲”,紧急情况下“噗呲”!
其他
由于个人不相信无工质推进,本文就不提了。
工质发动机的基本原理差不多就这些。写累了,再随便聊聊其他相关的东西。
先说说发热。由于没有100%转化效率的东西存在,引擎势必会产生无效热量,再叠加上其他武器的发热……
最要命的是,太空中缺乏介质,只能靠辐射散热,或者人为制造介质(例如排除冷却液)。
这个话题很好,准备专门写文说。
再说说风帆。大概有electric sail、magnetic sail、photon sail等等类型。本质都是利用天体的自然辐射(比如太阳)、或者人造辐射源(激光照射)作为推进力。
个人认为把这个引入科幻中会非常有趣,可以完美结合大航海时代进行创作。
比如专门打桅杆的“太空链弹”,在不同太空辐射下的花式机动。星际加勒比?
TapTap
说实话,还挺好看
最后说说反物质。
其原理没仔细研究过,不敢胡说。但结合上文,反物质的最大特点是燃料的转化效率极高,所以比冲很美。推重比好像也很高?
主要是生产成本太高,要是哪天发现了“反物质矿”,估计就能high起来了。
当然,其推进的原理并未跳出上文。
TapTap
图片取自《Antiproton Annihilation Propulsion》
回到太空战斗可以看出,整个太空战舰的引擎设计,都围绕Delta-V进行,基本上三个思路。
增加exhaust velocity(更牛逼的推进方式),在mass ratio不变的情况下增加Delta-V。
增加mass ration,牺牲飞船“性能”,例如少带装甲、少带炮弹、上飞船之前必须拉屎[嗒啦啦2_哈哈]
提前减少任务的Delta-V,例如霍夫曼轨道,避免长距离奔袭等等。
扯了这么多,只是想说明“真实合理”的太空战舰没那么好设计,光引擎就有这么多限制。
况且太空战舰是兵器,要考虑成本、效率。
毕竟发动战争是为了赚更多钱,而不是无脑砸钱。还有,太空中可没有刹车这种东西,也没有方向舵。一往无前的探测器还好,对太空战舰来说,只在屁股放一个喷管是很不现实的。
抛砖引玉,如有疏漏欢迎补充!
科幻作家不是科学家,写个科幻小说把这些都考虑进去,还不得累成孙子?直接一句“先进的等离子引擎”不香吗?
感谢阅读!喜欢的话请关注一波^_^
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