“真实”的太空战舰——引擎

精华修改于2022/01/017331 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

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：

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）：

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

Pure Fusion

这里要用到著名的 E＝m c×c

公式：

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）

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。

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：

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）

补上公式来源！Tsiolkovsky rocket equation！

简单改写公式：

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？

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。

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^_^

逐光:启航测试

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