星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，是美國(guó)物理家巴薩德(Robert W. Bussard)在1960提出來的。
基本介紹
星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)也叫巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Bussard ramjet)，因?yàn)樗敲绹?guó)物理家巴薩德(Robert W. Bussard)在1960提出來的。典型的巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)其實(shí)也是一種核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，但巴薩德在燃料來源上卻有一個(gè)天才的設(shè)想。
除了使用光帆外，任何飛船都需要攜帶大量燃料，并浪費(fèi)許多能量來運(yùn)送這些燃料。光帆雖然解決了這個(gè)問題，但卻缺乏靈活性，難以進(jìn)行隨意的加速減速和軌道調(diào)整。而使用星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛船可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問題。因?yàn)?a href="/hebeideji/7261198139607973947.html">核聚變的燃料氫在星際空間中到處都是，只要在飛行的途中把它們搜集起來送進(jìn)反應(yīng)爐中就可以了。
當(dāng)然，星際物質(zhì)的密度是極其稀薄的，即使是密度相對(duì)大的星云中的物質(zhì)密度仍舊比我們?cè)诘厍蛏现圃斐鰜淼恼婵崭”?，以氫原子?jì)算，銀河系的星云之間平均每立方厘米只有1個(gè)氫原子，而比較高密度的星云也只能達(dá)到每立方厘米100個(gè)氫原子。所以這種飛船上需要安裝一個(gè)巨大的漏斗形氫采集器(由于這個(gè)漏斗，英文中星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)也叫Ramscoop)，按照巴薩德最初的計(jì)算，如果一個(gè)1千噸重的飛船以1g的加速度前進(jìn)(1g加速度的好處是正好可以形成等于地球上重力的人造重力)，在高密度的星云中就需要采集1千平方公里面積上的燃料，而在低密度的星際空間需要采集1萬(wàn)平方公里。這么大的漏斗實(shí)在太過于巨大了，一個(gè)面積1萬(wàn)平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25萬(wàn)噸重，何況這不是平面而是漏斗形。
當(dāng)然，我們并不需要一個(gè)這么大的漏斗，可以通過向前方發(fā)射激光或者電子束來將星際物質(zhì)的外部電子擊開形成離子，然后利用磁場(chǎng)收集，這個(gè)磁場(chǎng)漏斗的延伸范圍甚至可以比巴薩德最初設(shè)計(jì)的漏斗更大，而實(shí)體漏斗本身則可以做得比較小甚至不要。
按照設(shè)想，由于飛船擁有無限的燃料補(bǔ)給，所以它可以一直加速直到接近光速，在這樣的速度下，阿爾伯特·愛因斯坦的相對(duì)論效應(yīng)將發(fā)揮明顯的作用，從而在飛船的成員看來可以在20年里就抵達(dá)銀河系的中心(當(dāng)然，只是因?yàn)轱w船的高速才導(dǎo)致的時(shí)間變慢，在地球人看來仍舊需要3萬(wàn)年才能到)，甚至能在他們的有生之年環(huán)繞宇宙。
不過，這都是理論上的設(shè)想，在實(shí)際中，制造這種飛船卻有許多技術(shù)上和實(shí)踐上的困難。
第一，這個(gè)飛船的速度必須首先達(dá)到光速的6%才能讓發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，因?yàn)橹挥羞_(dá)到這個(gè)速度，才能讓氫收集器收集到足夠的氫作為燃料；可是光速的6%，也就是每小時(shí)6400萬(wàn)公里的速度對(duì)于現(xiàn)在的人類技術(shù)來說實(shí)在是個(gè)遙不可及的目標(biāo)。
第二，我們目前的技術(shù)無法使用普通的氫來進(jìn)行熱核反應(yīng)，所收集到的氫中，只有1%是適合能作為燃料使用的氫同位素和，也就是說絕大部分都是谷糠只有小部分才是米，這會(huì)讓加速度根本達(dá)不到1g，而可能僅僅是地球重力加速度的1/1000而已。
第三，如此，這個(gè)磁場(chǎng)漏斗的直徑需要高達(dá)5萬(wàn)公里以獲取足夠的燃料，但當(dāng)高速飛行的時(shí)候，這個(gè)磁場(chǎng)將產(chǎn)生巨大的拖滯效果，就如同我們推著一個(gè)大木盆游泳時(shí)的效果一樣，通過計(jì)算，這樣的飛船其實(shí)無法達(dá)到接近光速的速度，最多只能達(dá)到光速的16%，雖然這也是相當(dāng)高的速度，但要想在宇航員有生之年環(huán)游宇宙就成了泡影。
第四，這個(gè)磁場(chǎng)如何運(yùn)作也有難點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)磁場(chǎng)的磁力線在燃料收集口匯聚到一起的時(shí)候，磁場(chǎng)就開始把所有的離子彈開而不是繼續(xù)拉進(jìn)來，結(jié)果這個(gè)磁場(chǎng)漏斗變成了個(gè)磁力瓶，把星際物質(zhì)收到飛船前面變成一個(gè)圓錐體，但卻阻止它們作為燃料注入發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)解決辦法可以是利用脈沖磁場(chǎng)，不斷展開和中斷，但這個(gè)應(yīng)用方式卻有相當(dāng)大的難度。
第五，這個(gè)飛船需要提供大量能量給磁場(chǎng)以及電子束或者激光，對(duì)于一艘無人飛船來說，磁場(chǎng)要超過1千萬(wàn)特斯拉(特斯拉：磁通量的國(guó)際單位，等于一韋伯/平方米)，產(chǎn)生這樣的磁場(chǎng)無疑需要巨大的能量，更不用提用來將大范圍的原子電離的激光或者電子束了。
第六，星際物質(zhì)中除了氫外還混合大量的其他原子以至分子，對(duì)于熱核反應(yīng)會(huì)起什么影響還不知道。
Alan Bond在1974年提出了對(duì)巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案，被稱為沖壓增強(qiáng)型星際火箭(ram-augmented interstellar 火箭，簡(jiǎn)稱RAIR)，這個(gè)方案中把收集的星際氫原子用作反應(yīng)物料(reaction 質(zhì)量)而不是唯一的核聚變燃料，從而繞開了在氫熱核反應(yīng)中遇到的困難。在這種星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，注入的質(zhì)子束(也就是被電離的氫原子)被減速到大約1百萬(wàn)電子伏特，然后用它們轟擊用鋰-6或硼-11制成的標(biāo)靶。鋰和質(zhì)子或者硼和質(zhì)子的聚變?nèi)菀装l(fā)生，而且比其它類型的熱核反應(yīng)釋放出更多的能量，這些能量就施加于將被噴出發(fā)動(dòng)機(jī)的物質(zhì)流上，讓它們產(chǎn)生高速，從而增加推力；而在噴口那里，當(dāng)初讓注入的物質(zhì)減速而產(chǎn)生的能量也被加回到噴出的物質(zhì)流上。
甚至還有更高效的方式，被稱為催化型RAIR。在星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，當(dāng)注入的物質(zhì)流被壓縮后，加入一點(diǎn)反物質(zhì)，其反應(yīng)不僅比核聚變更劇烈，釋放能量更多，而且可以在低得多的溫度下發(fā)生。根據(jù)一種預(yù)期，釋放的能量可以讓1萬(wàn)噸重的反物質(zhì)催化沖壓增強(qiáng)型星際飛船以1g的加速度前進(jìn)，而且只需要內(nèi)徑3.5米的反應(yīng)爐來保持每立方厘米1018個(gè)粒子的密度。但這個(gè)方案的缺點(diǎn)卻是要儲(chǔ)存大量反物質(zhì)以用于星際飛行。
星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)
使用星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛船快要到達(dá)目的地需要減速的時(shí)候，只要打開磁場(chǎng)，但不啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以用磁場(chǎng)在行進(jìn)中形成的阻力減速，而且還可以乘機(jī)囤積一些氫，以備飛船速度減到6%光速以下的時(shí)候使用。然后就可以象使用其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)那樣掉個(gè)頭，讓船尾朝前，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)減速，直到下降到適合的速度進(jìn)入環(huán)繞目標(biāo)的軌道。
Poul Anderson在他的優(yōu)秀作品Tau Zero(中文譯名《τ–零》或者《宇宙的過河卒子》)中對(duì)于一個(gè)失控后高速飛行的星際沖壓飛船上所發(fā)生的事情進(jìn)行了描寫，有興趣的朋友可以自己找來看看。
參考資料 >