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【科技速遞】天下武器唯快不破!中國航天科學家們拼命追求的是速度

天下武器,唯快不破!這個道理咱中國人很久以前就明白了,航空航天的科學家們,拼命追求的也是速度,從萊特兄弟的飛機上天開始,再到戈達德的第一枚液體火箭,再到第一顆人造衛星,速度一直在不斷提升!

到現在人類航天已經走過了快半個多世紀,過了那麼久,以現在的技術飛到一光年以外到底要多久?

一光年,最快的火箭需要多久?

以人類的技術水平而言,一光年還是有點遠,因為這是光走一年的距離,光速為299792458m/s,按儒略年365。25天計算,光年的距離是9460730472580800米,這個距離有多大呢?

太陽系的邊緣柯伊伯帶大約在40-50天文單位之間,人類最快的探測器到達冥王星需要9年半,光只需要5。53-6。92小時就能走到太陽系的邊緣,1977年發射的旅行者一號和二號中,一號飛得最遠,經過43年的飛行,現在距離地球大約152天文單位!

這個距離光大約只需21小時即可抵達,而旅行者卻蝸牛爬一般的居然飛行了43。3年!那麼一光年大概要多久呢?我們就計算直線距離,因為NASA的新視野號和旅行者走出太陽系都是螺旋形軌道,不過走一光年其差不了多久!

旅行者的速度到底是多少?

旅行者脫離地球速度時大約相對太陽的速度約為36千米/秒(地球軌道30千米/秒,半人馬座火箭約6千米/秒),但它在太陽系中越向外速度就會越慢,到木星軌道時就只剩下10千米/秒了,不過經過木星的引力彈弓加速,增加了18千米/秒的速度,到土星繼續降低速度,但土星引力彈弓又補充了速度,繼續在30千米/秒左右飛向外太陽系!

但越往外速度越低,到了距離太陽約152天文單位的位置,它的速度已經降低為16。9千米/秒,這個速度很容易和太陽系逃逸速度混淆,所以各位注意了,這個不是太陽系逃逸速度,因為逃逸速度在太陽不同距離上是不一樣的。

那麼可以計算時間了,1光年大約需要17,751。3488年,也就是旅行者飛行一光年需要1。77萬年,而新視野號的相對於太陽則只有14。52千米/秒,它比旅行者一號更慢一些,旅行者二號大約15。2千米/秒,所以用人類最快的速度的飛行器飛越1光年,需要1。77萬年!

為什麼要那麼久,沒有更快的速度了嗎?

方法還是有的,只是比較難!要了解為什麼會這樣,必須要先來了解一下火箭技術,現代火箭技術都脫胎於1926年戈達德試射的第一枚液體火箭,結構上並沒有大的改變,都是燃料和氧化劑,還有燃燒室!

唯一有改變的就是增加了渦輪和各種燃氣迴圈,所以比衝得到了大幅度的提高,在這裡必須要提一下比衝這個概念:火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量,簡單了來理解就是比衝越高,火箭燃料利用率也就越高,同時出發的兩枚火箭燃料與結構與重量一致的火箭,當燒完所有燃料時,比衝高的飛的速度更快!

比如偏二甲肼和四氧化二氮的火箭,比衝大約是260左右(比如長征三號甲YF-21C),液氧煤油能做到300多(RD180能做到311),氫氧機可以到400多以上,當然不止和燃料相關,還和燃氣發生器迴圈有關,另外材料和噴管以及渦輪機等等都有關係,但最主要的還是燃料相差太大!

聯盟號運載火箭的助推級採用四個RD-107發動機

很簡單,更高的溫度,更高的排氣速度,燃料的利用率也就越高,那麼有更NB的發動機嗎?當然有!

離子電推進火箭發動機

從燃料成分來看,要想大幅度提高能量比例已經非常困難,那麼提高排氣速度也可以,離子電推進就是將排氣速度從每秒數千米提高到數百千米甚至上千千米!這樣一來,不但燃料利用率極高,而且達到同樣的目的還可以大幅度縮減燃料,這本身就降低了發動機的負擔,最終速度可以更高!

但離子電推有一個毛病,儘管比衝極高,可以達到2000-3000,霍爾電推也能在1000以上,但它的推力仍然太小了,到現在想要製造牛頓級別推進器仍然不容易,比如NASA-457M,功率50kw,推力接近3N,美國最大的霍爾電推,功率102kw,推力5。4N。

這個推力用在深空探測上沒啥問題,但它不可能將飛船從地面推向近地軌道,因此仍然需要用常規化學火箭首先將飛船上送上近地軌道,然後再開啟電推發動機,但它也不能跑遠,因為102kw的電力需要太陽能,它在土星軌道內跑來跑去足夠用,出去就要空間核反應堆了!

除了電推外,還有太陽帆,利用光壓和太陽風的動力,這個有點誇張了,因為光壓極小,需要超級大面積才能獲得足夠的推力,一般來說這種大張旗鼓的玩意兒筆者並不看好。

再有就是未來的核聚變堆吧,那個能加速到光速的1%-10%,那麼一光年距離也就10-100年,還是有點希望的,假如是曲速引擎,最快據說可以達到199516倍光速,跨越一光年只需160秒,如何,夠快吧!