《三体》航天考(二):推进系统

POST TIME: 2014-12-31 13:51:46


1、核聚变推进

核聚变火箭发动机

一种核聚变发动机设计图。图片来源:www.ynmvc.com

进入三体危机纪元后,为尽早造出核聚变火箭发动机,人类的可控核聚变项目设立了四个研究分支,分别按不同的研究方向进行。在现实中,受控核聚变的常用方式有两种,对应这两种方式,工程师提出了两种核聚变火箭发动机方案,它们各有优劣:

磁约束聚变发动机。

磁约束聚变也叫做持续性聚变,是将核燃料变成数百万度的高温等离子体,使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用强磁场来束缚它们,否则高温离子体会熔化任何束缚它们的容器。《三体2》这样描述了磁约束聚变发动机试验失败的场景:

在人类太空舰队的发展方向确定为无工质辐射推进后,大功率反应堆开始进行太空实验。这时地面上的人们常常能看到三万公里的高空发出炫目的光芒。这被称作“核星”的光芒是失控的聚变堆失控产生的。核星爆发并不是聚变堆发生爆炸,只是反应器的外壳被核聚变产生的高温烧熔了,把聚变核心暴露出来。聚变核心像一个小太阳,地球上最耐高温的材料在它面前就像蜡一般熔化,所以只能用电磁场来约束它。(《三体2》242页)

磁约束聚变或许是核能发电的最佳方式,但未必适用于用于太空飞行。要约束住高温等离子体,必须安装一个磁场发生装置。这种装置由永久磁铁和电磁线圈组成,体积庞大,重量惊人。这意味着火箭发动机必须造得很大。大刘的态度很明确:小说中,首次实现可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说,“我早就感觉到托卡马克方式是一条死路,方向对了,突破肯定会产生。(《三体2》220页)”这里的托卡马克方式就是磁约束聚变。

惯性约束聚变发动机。

惯性约束聚变也被称作脉冲性聚变,利用激光或者粒子束来照射核燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高的离子体,从而引发聚变反应。由于此时反应时间非常快,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应,所以无需强磁场束缚。在太空的真空环境中使用粒子束比在地球上具有明显的优势,可以不受大气分子的干扰。从这一点来说,此方案更为可行。不过,采用惯性约束还需安装激光器或粒子束发生器,并且需要给它们提供能量。虽然如此,此方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。

稳定功率输出的可控核聚变虽然还未实现,但其原理是明确的,障碍只存在与技术领域。假以时日,定能取得突破。而且航天器的尺寸、结构与功能也得在现有基础上有很大提升。目前的聚变反应堆容器非常大而且重,这使得其并不好用于星际旅行,在未来如磁约束或惯性约束和等离子不稳定性等技术问题解决后,小型的聚变反应堆有可能被设计制造出来。

在探测三体舰队虚实的“阶梯计划”进行的同时,人类开始研究太阳系防御事宜。首当其冲的问题就是,用什么动力推进庞大的太空战舰?核聚变是当时人类最有可能掌握的高密度能源,该怎样使用核聚变能呢?固守化学燃料火箭思路的航天界实力派主张研发工质推进飞船,以核聚变能推动有质量的工质,产生反推力推进飞船。而太空军则力主研发不需要工质的辐射驱动飞船。

要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的发展历程。


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