科普文：比沖量、推重比、核發(fā)動機

科普文：比沖量、 推重比、核發(fā)動機“比沖量”(specificimpulse)：“比沖量”是動力學家衡量火箭引擎效率的一種標準量，它是火箭產(chǎn)生的推力乘以工作時間再除以消耗掉的總?cè)剂腺|(zhì)量。如果力和質(zhì)量都用千克，比沖量的單位就是秒。可以理解為火箭發(fā)動機利用一公斤燃料可以持續(xù)多少秒一直產(chǎn)生一公斤的推力。比沖量越高，火箭的總動力越大，最終的速度越快，典型的固體火箭發(fā)動機的比沖量可以達到290秒，液體火箭主發(fā)動機的比沖量則是300至453秒。推重比(thrust-to-weightratio即T/W)：推進系統(tǒng)未必是產(chǎn)生推力越大越好，需要看該推進系統(tǒng)的重量。推重比是發(fā)動機推力與發(fā)動機重量的比值。說到未來的宇航動力，人們恐怕首先會想到核動力，我們目前化學燃料的火箭推力太小，所以每次發(fā)射必須尋找合適的發(fā)射窗口，以便利用行星的引力來加速，使得它們能真正飛往宇宙深處，到目前為止，人類發(fā)射的所有深空探測器沒有一個不利用行星的引力。這自然是個聰明的辦法，但是畢竟只是無奈的變通方式，很消耗時間，而且受到的航線限制太多。安裝核動力的飛船和探測器由于推力強大，就不必利用行星的引力，更不必在航線的限制上操心過多。核發(fā)動機核動力也是相當可行的一種方案，如果利用核裂變的方式，也就是我們地球上發(fā)電廠中的方式，我們完全可以在十年內(nèi)制造出核裂變動力火箭。如果采用核聚變的方式，則需要在受控核聚變方面取得進一步進展，但核聚變動力火箭將比現(xiàn)在的化學動力火箭輕得多，即使用比較慢的核能利用方式，也要比現(xiàn)代的化學動力火箭快一倍，它可以在3年內(nèi)抵達土星，而不是現(xiàn)在的7年。由于燃料能持續(xù)更久，去往土星后還能有足夠的能量繼續(xù)旅行15年。而且，還有一種更直接的對核能的利用方式，可以獲得強大的推動力將巨額的載重送往其他行星，只是那需要一種非常瘋狂的方式。對于核動力的利用方式有3種：1、 利用核反應(yīng)堆的熱能2、 直接利用來自反應(yīng)堆的高能粒子3、 利用核彈爆炸利用反應(yīng)堆的熱量是最簡單也是最明顯的方式，核動力航空母艦和核潛艇都是利用核裂變反應(yīng)堆的動力來推動螺旋槳，只不過太空沒有水或者空氣這種介質(zhì)，不能采用螺旋槳而必須利用噴氣的方式。但方法仍很簡單，反應(yīng)堆中核子的裂變或者聚變產(chǎn)生大量熱能，我們將推進劑(很可能采用液態(tài)氫)注入，推進劑會受熱迅速膨脹，然后從發(fā)動機尾部高速噴出，產(chǎn)生推力。其結(jié)構(gòu)如下圖所示，推進劑從左側(cè)注入，中間加熱，右側(cè)噴出。核發(fā)動機結(jié)構(gòu)而這具體又分多種類型，其中核裂變發(fā)動機分以下4種類型:1） 固體核心核發(fā)動機：在這種發(fā)動機中，推進劑受固體燃料核心加熱，估計比沖量能達到大約800秒；2） 粒子床（ParticleBed）核發(fā)動機：在這樣的發(fā)動機中，液體推進劑被泵入核燃料里面，這種方式能達到很高的熱量，使得比沖量能達到大約1,000秒，推重比超過1；3） 液體核心核發(fā)動機：這個辦法是使用液態(tài)的核裂變?nèi)剂希捎诓槐夭傩牧炎兾镔|(zhì)的熔點，所以能達到更高溫度從而獲得更大的優(yōu)勢，比沖量能達到大約1,500秒，推重比超過1；4） 氣體核心核發(fā)動機：這種情況下我們不用再操心裂變物質(zhì)的蒸發(fā)，在這個系統(tǒng)中推進劑流經(jīng)等離子態(tài)的裂變物質(zhì)，從而達到最高的可能溫度，安裝一個冷卻系統(tǒng)后，比沖量能夠達到7,000秒。核發(fā)動機推進利用反應(yīng)堆的熱量這種辦法雖然節(jié)省了燃料，但必須攜帶許多液體推進劑，結(jié)果許多節(jié)省的重量都被消耗掉了，獲得的好處沒剩多少。由于核反應(yīng)的時候能夠產(chǎn)生許多高能粒子，所以第二種方式就是直接利用來自反應(yīng)堆的粒子，從而不必攜帶推進劑。這些高能粒子移動速度非?？?，我們當初用反應(yīng)堆加熱推進劑就是為了讓推進劑的熱運動速度增大從而獲得推力，而這里我們已經(jīng)有了這樣的高速運動物質(zhì)。而且這些高能粒子是離子態(tài)的，從而可以使用磁場來控制它們的噴射方向。事實上，這種磁場控制方式已經(jīng)在我后邊要介紹的離子發(fā)動機上使用了。利用這種方式，可以達到極高的比沖量一1百萬秒！這樣的發(fā)動機能夠提供高推力使飛船或者探測器完成行星際任務(wù)，甚至進行恒星際飛行。不過，這種發(fā)動機可不象前面介紹的那些那么容易制造，而且可能非常昂貴，有可能需要一個很大很重的反應(yīng)裝置，或者一個利用多階段反應(yīng)后一個階段利用前一階段產(chǎn)物）的小一些的反應(yīng)裝置。第三種方式是一個大膽而瘋狂的方式，不再是利用受控的核反應(yīng)，而是利用核爆炸來推動飛船，這已經(jīng)不是一種發(fā)動機了，它被稱為核脈沖火箭^nuclearpulserocket）。這種飛船將攜帶大量的低當量原子彈，一顆顆地拋在身后，然后引爆，飛船后面安裝一個推進盤，吸收爆炸的沖擊波推動飛船前進。這種看似天方夜譚的方式卻是被美國政府實實在在考慮過的計劃，這個在1955年被以獵戶座計劃（ProjectOrion）命名的項目，希望建造一個簡單，承載大，而且在資金上能夠建造得起的飛船。這個項目最初計劃在地面直接起飛，可能就在內(nèi)華達的核武器試驗場JackassFlats，這個飛船的樣子象主教冠或者子彈頭，16層樓高（AzureFlame注：國內(nèi)媒體把sixteen和sixty弄混淆了，居然說有60層樓高），后面的推進盤直徑135英尺（41米多）。發(fā)射臺包括八個發(fā)射塔，每個250英尺高（76.2米）。起飛飛船質(zhì)量是1萬噸，和普通的化學火箭不同，這些質(zhì)量中大部分都將進入軌道。飛船起飛時爆炸的原子彈當量為0.1千噸（注意，100噸TNT當量爆炸產(chǎn)生的推動力可遠不只100噸），每1秒鐘就拋出一個，而當飛船加快到一定速度后，將下降到每10秒爆炸一枚2萬噸當量的原子彈。起飛方式被設(shè)計為豎直向上飛行，而不是象普通化學火箭這樣到一定高度就傾斜飛行。這樣飛的目的是把放射性污染集中到一個小區(qū)域內(nèi)。最初計劃攜帶2千顆原子彈，利用它把宇航員于1965年送往火星，1970年送到土星。船上可以裝載150人，以及數(shù)千噸的載重，使得他們生活相對很舒適。這種飛船可以建造得象戰(zhàn)列艦一樣，而不必象化學動力飛船那樣過分考慮重量。飛船上還將攜帶一些小的化學動力飛船，用來在行星或者衛(wèi)星上著陸并重新返回獵戶座飛船。原子彈并非直接作用于推進盤上，在釋放放出原子彈后，接著再釋放出一些由塑料制成的固體圓盤（當時傾向于聚乙烯），當飛船駛出一定距離，原子彈將在飛船后面200英尺處爆炸，蒸發(fā)掉塑料圓盤，將其轉(zhuǎn)化成高熱的等離子漿。由于塑料盤位于原子彈和飛船之間，等離子漿中相當部分將會追上飛船，撞擊太空飛船尾部巨大的金屬推進盤，從而推動太空飛船高速行駛。理論上比沖量可以達到1萬到1百萬秒。之所以選擇塑料是因為塑料對核爆炸產(chǎn)生的中子的吸收效果好，也就是說它同瞬間的輻射能配合得非常好，它將分解成輕原子比如氫和碳并以高速運動。由于不清楚太空飛船的碩大推進盤是否會被核爆炸后產(chǎn)生的高溫等離子融化或腐蝕，科學家用氦離子發(fā)生器進行了摹擬測試發(fā)現(xiàn)，瞬間高溫的等離子只會對金屬推進盤表面產(chǎn)生輕微的腐蝕，甚至可以忽略不計，沒必要設(shè)計專門的冷卻系統(tǒng)，并且普通的鋁和鋼就足以成為制造金屬推進盤的耐久材料。對于推進盤承受的壓力進行計算發(fā)現(xiàn)，瞬間的推力將過于巨大從而超過人體承受能力，因此，飛船上還在推進盤和前部船體之間安裝了一個震動吸收系統(tǒng)，脈沖能量將被暫時儲存在吸收系統(tǒng)中然后逐步釋放出來，這樣不至于因為爆炸的沖擊而導致劇烈的震蕩，能夠比較平穩(wěn)地飛行。事實上，美國科學家已經(jīng)圍繞這個計劃做了許多實驗，而且已經(jīng)證明這個計劃是可行的。1959年11月進行了一次100米高度的飛行，共爆炸6枚化學炸彈。這次實驗證明脈沖飛行是可以穩(wěn)定進行的。然而，這個設(shè)想?yún)s有一個最大的弱點，那就是它依賴于原子彈爆炸做動力，當它飛出大氣層時，必將釋放出核輻射塵污染地球環(huán)境。這也正是獵戶座計劃后來胎死腹中的原因之一。在1963年美蘇簽定禁止大氣層核試驗條約之后，獵戶座計劃研究于1965年終止。不過，這項計劃終究有其吸引人之處，它完全可以勝任以萬噸飛船再攜帶萬噸載重前往遠方行星的重任，按照當初的計劃，獵戶座太空飛船只需125天就能往返火星。而且現(xiàn)代的技術(shù)發(fā)展又為其提供了新的可能，中子彈可以以低輻射的方式來發(fā)射大量中子，對塑料盤產(chǎn)生作用；而最近對X射線激光的研究則可以用于將輻射集中于朝向飛船的方向，從而更加高效利用能量。支持它的科學家甚至計算過，最少可以用50億美元建造一個飛船并把1萬噸的東西帶上太空，這樣，每磅物品的運送花費僅僅是250美元，而使用航天飛機則達到5千到6千美元。隨著對獵戶座計劃的熱情重新漲起，也許有一天這個計劃會重新復活。核裂變發(fā)動機在核心制造方面沒有太大的技術(shù)困難，但核聚變發(fā)動機則不同，首先需要解決受控核聚變的問題。我們目前的技術(shù)尚無法讓輕核在常溫下發(fā)生聚變，氫彈是用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫來解決問題，但我們總不能在飛船內(nèi)部爆炸原子彈吧。解決聚變問題的主要思路有三種：磁約束聚變(MagneticConfinementFusion，簡稱MCF)，也被叫做持續(xù)性聚變(continuousfusion)，是將核燃料變成數(shù)百萬度的高溫等離子漿，從而使原子核活躍到能相互碰撞。由于等離子是帶電的，所以可以用非常強大的磁場來束縛它們，否則離子漿將融化任何束縛它們的容器。不過目前的技術(shù)還維持不了足夠的時間來使它們產(chǎn)生反應(yīng)。慣性約束聚變(InertialConfinementFusion，簡稱ICF)，也被稱作脈沖性聚變(pulsedfusion)，利用激光或者粒子束來照射小燃料球產(chǎn)生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高1萬億倍的離子漿，從而產(chǎn)生聚變。由于這種反應(yīng)時間非?？欤槐匾獜姶艌鍪`它們，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應(yīng)。p介子催化聚變(Muon-CatalysedFusion)，p介子是一種帶負電，質(zhì)量為電子207倍的基本粒子，壽命2.20微秒。由于它的質(zhì)量比電子大許多，所以能夠同原子核更接近，而它帶的負電可以屏蔽原子核的正電，使得原子核之間的斥力減小，能夠更接近，這樣，就不需要嚴格的超高溫或者體積限制。不過這種方式在目前的技術(shù)上還難以突破，很難讓p介子進入原子核周圍的軌道，而且它的壽命太短暫，所以以它為催化劑的聚變必須非常快才行，此外目前制造p介子的代價也過于昂貴。目前受控核聚變還是可以進行的，只不過用在發(fā)電方面是得不償失，因為輸入的能量遠大于輸出的能量。但宇航并不需要計較什么輸出能量的大小，所以只要技術(shù)發(fā)展到輸入的能量和輸出能量大小不差異太大的話，受控核聚變完全可以在太空旅行中首先使用。那么，就考慮一下這三種方式的前景吧：磁約束聚變發(fā)動機。磁約束聚變有可能是發(fā)電的最佳方式，但在宇航方面很可能就不理想了，倒不是因為我們必須發(fā)明離子漿方向控制系統(tǒng)，而是因為必須安裝一個磁場產(chǎn)生裝置，而且可能還很大，而且這種方式下的離子漿密度低，意味著必須發(fā)動機必須造得很大。不過我們還要看看未來的發(fā)展如何。慣性約束聚變發(fā)動機。和獵戶座計劃一樣，這個方案是直接利用核爆炸，但這個方案是在船體內(nèi)部爆炸，在尾部推進艙內(nèi)使用激光或者粒子束來引爆小燃料球，每秒要引爆30到250個。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大氣的地球上具有明顯的好處，不受大氣分子的干擾。相對來說，這個方案是最可行的，不過，很顯然這種方式也要安裝別的設(shè)施，比如激光器或者粒子束發(fā)生器，并且需要給它們提供能量，盡管這個方案很可能比磁約束聚變發(fā)動機要輕。也有一些規(guī)避方案，比如：把激光器安在地球軌道上，然后飛船用一個很輕的光學系統(tǒng)來收集照射過來的激光并用于引爆，這樣可以讓飛船飛得很快，大概60天就能來回土星，不過看起來這個主意并不怎么好；使用高聚能物質(zhì)(highenergydensitymatter，簡稱HEDM，后面將有介紹)替代激光，象原子彈里化學炸藥的沖力引爆核燃料一樣來引發(fā)聚變，不過高聚能物質(zhì)也有其自己的問題，后面會講到。使用動態(tài)啟動器(kinematic'drivers)來替代激光，可以把高聚能物質(zhì)的作用想象成一個高速大錘，不過能否真達到足夠的速度讓人懷疑；一個大膽的建議是從地球軌道上高速發(fā)射小燃料球，然后飛船發(fā)射東西高速撞擊它們以引爆，但很顯然這個對接難度過大了；最后我們還可以利用反物質(zhì)反應(yīng)和核聚變結(jié)合，用湮滅來引發(fā)聚變，這樣，我們可以用很輕的發(fā)動機系統(tǒng)來獲得高效率，不過反物質(zhì)的麻煩也很多，后面會提到。M介子催化聚變發(fā)動機。這個方案也不太適合宇航，因為p介子壽命極短，這意味著我們必須在飛船上安裝|J介子制造器，從而增加重量，把不需要磁場產(chǎn)生裝置和激光器的好處都抵消掉了。而且以目前的技術(shù)制造p介子需要的能量太大，有這能量還不如直接發(fā)動飛船。有人提出可以利用真空零點能(ZeroPointEnergy，我后面會介紹)，但那畢竟是一個沒有證明的東西。不論使用什么方式，都需要發(fā)明一個磁場限制裝置來保護飛船的噴口，否則高熱的離子會很快把噴口融掉。有趣的是，也存在一個聚變版本的獵戶座計劃，它就是英國的代達羅斯計劃(ProjectDaedalus)，以希臘神話中那位用蠟和羽毛給自己和兒子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。英國星際學會(BritishInterplanetarySociety)在上世紀70年代重新回顧了獵戶座計