来自星星的他们3(完结) 从我开始写来自星星的他们1开始到现在也有一年多了,这段日子总觉得在第二篇中还有一个漏洞没有被填上,不能算是一个完整的推测系列。就是多贡人传说里天狼星曾经变红的传说,其实不止非洲多贡人的传说里提到连上古巴比伦的故事里也有过涉及,很多科学家认为当每年两河流域泛滥的季节来临时,天狼星出现在地平线会呈现出红色。这个寻常的规律对于多贡人和古巴比伦人来说不足以特别指出颜色变化,至少我个人认为是在相当一段时间内天狼星出现红色或者在遥远的时代有过一个特殊的时期,天狼星一直呈现出红色而不是现在观测到的白色最亮星。在之前的篇幅中我提到过天狼星颜色变化的原因可能是一个百万年前的双恒星系统物质互换引起的,但是如此解释实在太过牵强,毕竟从人类学和传说的角度双方面来推断至少百万年前,人类还没有进化出可以识别天狼星颜色的智慧。就算以我前篇中神改造人类的角度去计算,人类获得智慧的时间不会超过40万年,而天文观测的结论也必须被尊重。所以,在百万年前甚至是200万年前的天文事件与人类被改造或者进化出智慧的时间点上说存在着无法协调的巨大鸿沟。必须要克服这个在前篇中无法解决的问题才能算是最终完成(来自星星的他们)这个全系列。
我一直比较喜欢搜集各种恒星际飞船的资料,前段时间对激光束能量推动和光压帆恒星际飞船比较感兴趣,就在下班开车回家途中突然想到一个解决前面问题的答案。就是红色天狼星的原因极有可能地球上的古人看到了一个源自天狼星系统内发出的强大红色激光源,正是这个激光源在加速来自那里的恒星际飞船前往地球。巨大的激光能量几乎通过光年级别的距离来加速飞船,红光的波长相对于其他色段的激光更不容易发散具有最高的集束性,因为红光的波段最长,虽然在单一光子的能量携带方面是最小的,但是远距离加速飞船需要的是发散性最小的照射而不是盲目的加大功率却在远处散射为弱光源。要照射巨型恒星际飞船需要太瓦级的激光长时间照射需要持续数年之久,算上返回时飞船的减速几乎需要与加速时一样的时间,那么在地球上的观测者很容易就能看到一个持续很久源自天狼星的红色光源,强激光经历8.6光年距离的散射威力早已经消失,但是能够覆盖足够大的范围,从地球上看几乎替代了天狼星原本的自然光源就能够很好的解释红色天狼星的传说起源。这个解释能够很好的解释第二篇中神可能在远古时代在地球和月球附近制造巨型太阳镜的原因,也能与第一篇中提到过神并不十分先进的宇航技术和长久的星际飞行来到地球的信息。
参考一些当代地球人类的设计和具体计算对那种规模的激光能源利用有一个初步了解:
太阳帆:
早 在八十年代中期,物理学家罗伯特·福沃德(Robert Forward)就提出使用从星际风帆进行星际航行的思路:从地球发射能量束击中宇宙飞船上的巨型帆面,从而推动飞船前进。福沃德甚至描述了如何使用激光束产生的“反推力”在星际飞船抵达另一个恒星系统前进行减速制动。此前设想的巨型微波发射器并不具备激光发射器那样的精度,但前者打造的成本更加便宜。詹姆斯·本福德正在实验室中使用微波发射器进行能量驾束基本特征的测试,结果显示宇宙飞船携带一种外观如锥形的能量接受帆可以达到最佳效果。
宇宙飞船的巨大帆面、探测器都需要用极为轻质的材料打造,目前可以使用的航天材料有碳纳米管、石墨烯和铍材料等。这些材料打造的轻质能量接受帆面能承受住来自强能量束的照射产生的近2000华氏度高温,这就要求打造帆面的材料具有极佳的反射率,不吸收太多的光子。打造定向能量束发射器需要大量的资金,并建立起巨大的传输天。詹姆斯·本福德估计一艘恒星际宇宙飞船发射系统仅携带一个大小为重型卡车的载荷就需要180万亿美元,每个任务成本将高达5000千亿美元。 更重要的是,能量帆恒星际宇宙飞船的发射系统主体部分位于地球(轨道附近),因此若出现故障是可以维修和维护,前端宇宙飞船只需要携带接受能量的帆面。毕竟当宇宙飞船飞抵诸如半人马座α星时出现故障将得不到任何修复。该技术可以容许恒星际飞行过程中犯错,失败的探测器很容易在流水线上被生产出来。 詹姆斯·本福德认为可以先行进行微波定向能量束的测试,该技术可以在太阳系行星系统内执行各种任务,可将需要发射的有效载荷在数个小时的时间内加速到每小时100万英里,并在进入火星轨道时快速减速制动,因此该技术投放到太阳系内行星系统的快速运输中,不到两周就能抵达火星。对于更遥远的星际任务,比如飞往一光年外的存在大量彗星群的奥尔特云,本福德估计该任务需要两英里直径的天线,功率达24千兆瓦,成本约1440亿美元。 携带的有效载荷为150磅,在经过五个小时的能量束加速后,探测器的速度将提高至每小时4万英里。真正的恒星际宇宙飞船需能在40年内以十分之一的光速航行至半人马座α星,如果纳米技术得到广泛使用,宇宙飞船的有效载荷将会达到数吨。科学家也设想一种输出功率为300太瓦、直径60英里的天线,虽然可以使探测器得到迅速加速,但消耗的能量将是目前全球电力日消耗量的20倍,探测器将产生50个G的加速度。
第一个提出用激光航行的人是Robert Forward,不过他提出的使用一个1000公里的透镜、产生1亿亿瓦特激光、以及1000公里的帆这样的设想虽然很壮观,但实在是缺乏可操作性。所以,这个方案就被其他人进行了修正,把效果降低,但方案变得更现实(尽管还是有些异想天开,比如“仅仅”1百亿瓦特的微波激光)。 这样航行方式遇到的一个困难就是,激光束在如此遥远的距离上会扩散得很大,这就是为什么Robert Forward要建造巨帆的缘故。而且激光技术必须得到大幅度的发展,以便瞄准数百万公里外的目标。
微波可以起到同激光同样的效果,不过帆的设计上要有些修改,要改成金属丝网结构,但这个金属丝网的缝隙必须比微波的波长的一半还小。这样的飞行器上放的应该是无生命的机器人以及机器,由于微波在短距离上具有比激光更好的效果,所以可以更快的加速直到进入巡航速度。虽然由于波长比激光大得多从而在远距离上微波不如激光,但微波需要的能量要少于激光,距离我们现在的技术能力更近。
对于使用微波或者激光来航行的光帆来说,一个挑战就是如何在目标附近停下来并进入轨道。最普遍的建议是使用多重帆,比如使用两级帆,分为内帆和靠外的主帆,这样,让激光照射到靠外的主帆上,然后反射到内帆上,这会让外面的主帆加速远离目标,但和飞船结合在一起的内帆则得到减速,主帆被抛离,小一些的内帆成为主帆并进入轨道。
如果使用三级帆,甚至可以进行往返飞行,停止的方式和上面一样,到了该返航的时候,第三级则和第二级分离,来自太阳系的激光则从第二级帆反射回第三级从而进入回程。这要求帆具有一点凹面镜的形态,以便让反射的光束更集中。
另外一个用于停船的更有创造力的思路是,关掉激光束,然后飞船伸出带电的金属线,同恒星的磁场作用,来让飞船转入一个很浅的弧线轨道,最后再把激光束重新打开。
但是,设想虽然好,但是在实际操作中却要遇到三个重大的问题:
第一个是激光和微波指向装置必须非常精确,而且随着距离越远,难度越大;
第二个是飞船只能携带很少的有效载荷;
第三个,也是最严重的问题是,这样的距离无法和地球这里及时联络,如果遇到什么情况,需要地球这里进行调整的话,根本无法进行。比如,当飞船距离基地只有2光年的距离时,就需要四年多才能调整,其中两年用于无线电波返回基地,两年多(因为要加上这4年中飞船又走的距离)用于调整后的激光到达并产生效果。
对于不用激光和微波主动加速的光帆飞船来说,问题反而简单,因为速度没那么高,所以在到达临近恒星的时候只要利用那颗恒星的光压减速就可以达到合适的速度,并收起光帆进入轨道,所需要的只是有一个合适的智能系统来完成这一切。
而对于行星际定期航行,主动加速的方式就可以很有用,前提是我们已经到达目标星球,并在那里也安装一组激光或者微波发送器,这样,就可以建立一个行星际的高速公路。
帆的形状基本只有两种。这和光帆的用于支撑的帆桁有关,如果没有帆桁的支撑,当阳关推动帆的时候帆就会塌下来并缠到飞船上。人们设计出两种方式来稳定帆,并且能转动帆,同时还使帆尽量平展以接受更多的阳光。上图左边是三轴稳定方式(Three Axis Stabilized),右边是旋转稳定方式(Spin Stabilized),很明显,每一个帆叶都是最稳定的三角形。
三轴稳定方式的名字来自帆桁结构以三维方式来支撑帆体,前两维自然是帆体的二维,第三维则和帆体垂直。将帆的边缘(三角形的两个边缘)同坚硬的帆桁连在一起可以有效防止帆垮掉。下一个要解决的问题是别让帆桁在第三个维度上垮掉,就象被合起来的伞那样。为此要么让帆桁紧密结合在轴心上,要么象下图这样有一个突出的桅杆在第三维上进行加固。
激光能飞船:
类似于太阳能,但使用一个固定的地面或空间站建立的激光发射装置而不是太阳,推进系统依赖一束激光。更多的质量可有效载荷或降低质量以获得更高的质量比增加飞船的δv ,如果减少质量也就间接的增加了加速度。作为一个经验法则,激光热火箭远小于同等太阳能飞船,因为激光束相比自然阳光可以有更高的能量密度。
Laser Thermal
Exhaust Velocity40,000 m/s
Specific Impulse4,077 s
Thrust13,000 N
Thrust Power0.3 GW
Mass Flow0.33 kg/s
Total Engine Mass20,000 kg
T/W0.07
Thermal eff.30%
Total eff.30%
FuelExternal
Laser
ReactorCollector Mirror
RemassSeeded Hydrogen
Remass AccelThermal Accel:
Collector Mirror
Thrust DirectorNozzle
Specific Power77 kg/MW
Bpδv = sqrt((2 * * Bε)/ mDot)* ln[R]Ablative Laser
Exhaust Velocity39,240 m/s
Specific Impulse4,000 s
Thrust2,400 N
Thrust Power47.1 MW
Mass Flow0.06 kg/s
Total Engine Mass22,222 kg
T/W0.01
Frozen Flow eff.88%
Thermal eff.90%
Total eff.79%
FuelExternal
Laser
ReactorCollector Mirror
RemassGraphite
Remass AccelThermal Accel:
Collector Mirror
Thrust DirectorNozzle
Specific Power472 kg/MW
太阳能飞船:
Solar Moth
Exhaust Velocity9,000 m/s
Specific Impulse917 s
Thrust4,000 N
Thrust Power18.0 MW
Mass Flow0.44 kg/s
Total Engine Mass100 kg
T/W4
Thermal eff.65%
Total eff.65%
FuelSolar Photons
ReactorCollector Mirror
RemassLiquid Hydrogen
Remass AccelThermal Accel:
Collector Mirror
Thrust DirectorNozzle
Specific Power6 kg/MW 太阳能热火箭。175米直径铝涂层反射太阳辐射集中到一个窗口室箍锅炉、暖气和扩大推进剂regeneratively-cooled箍喷嘴。搜集镜是一个巨大半球形构造搜集镜的一半则是透明的。推进剂是氢与碱金属。只要太阳光的照射就有动力。缺点是如果飞船远离了火星轨道以外的空间功率就会明显的下降。 太阳能飞船可以作为一项航天器紧急推进系统,因为发动机质量是微乎其微的。
表中的数据是地球轨道。 阳光的能量密度在给定距离太阳: Sed = 1 / Sdist2 地点: - Sed =阳光能量密度(地球轨道密度= 1.0)
- Sdist =距离太阳 (天文单位,地球= 1.0)
1.0天文单位被定义为149597870700米。 所以在地球轨道,密度为1.0,在火星轨道,它是0.44(44%),在木星的轨道,它是0.037,0.001在海王星轨道,在水星轨道,它是6.68 乘以这个的太阳常数得到准确的功率密度。太阳常数约为1.361千瓦每平方米(千瓦/ m2)太阳活动极小期和1.362千瓦/ m2太阳能最大。例如,在太阳木星轨道的能量密度是0.05千瓦/m2 ,在水星轨道是9.1千瓦/ m2。
Mirror Steamer
Exhaust Velocity9,810 m/s
Specific Impulse1,000 s
Thrust2,600 N
Thrust Power12.8 MW
Mass Flow0.27 kg/s
Total Engine Mass20,977 kg
T/W0.01
Frozen Flow eff.97%
Thermal eff.90%
Total eff.87%
FuelSolar Photons
ReactorCollector Mirror
RemassLiquid Hydrogen
Remass AccelThermal Accel:
Collector Mirror
Thrust DirectorNozzle
Specific Power1,645 kg/MW 水是一个有吸引力的容积吸收红外激光推进。双原子分解的物种形成的水哦等出席气温高达5000 K,可以旋转兴奋和远红外自由电子激光器的操作。哦分子然后将它们的能量转移到一个流热力学中的氢燃料火箭喷嘴由放松的碰撞。 传送热量也可以添加黑体空腔吸收器。这种换热器是一系列同心圆筒,碳化铪(HfC)做的。聚焦阳光或激光穿过最外层的多孔磁盘,和吸收腔。热量由热转移到推进剂HfC无需推进剂播种。特定的冲动是1 ks材料有限。 “太阳能火箭系统概念分析”,F.G. Etheridge,罗克韦尔空间系统。(我大小的罗克韦尔“太阳能飞船”设计3 kN推力)。
Rocketdyne换热器推进器。氢燃料。温度2700 k推力3.7牛顿。排气速度7800米/秒。 从 美国国家航空航天局sp - 509
|