星際爭霸裡槍兵動力戰甲中的核聚變發動機是如何解決散熱問題的?

2020-12-14 麥大麥

Hi~ o(* ̄▽ ̄*)ブ ,大麥的《星際爭霸十萬個為什麼》又和大家見面啦!每次說到機槍兵的動力戰甲都是讀者們喜聞樂見的內容,雖然說在遊戲裡一個機槍兵只值50塊錢,但是這套戰甲所擁有的黑科技卻令不少玩家覺得50塊錢就能擁有一套戰甲再送一個槍兵實在是太划算啦!

而在CMC動力戰甲中當屬他的核聚變發動機是最核心的部件,但是也有一些玩家產生疑惑了,一般來說核聚變的發生溫度幾乎都是在幾億度以上,如此高的溫度為什麼穿著戰甲的士兵不會被瞬間蒸發呢?他到底是如何散熱的?今天就讓大麥同大家說說星際爭霸遊戲中動力戰甲核聚變發動機的散熱設計原理。

冷核聚變發動機

或許有一些讀者了解過星際爭霸遊戲背景的話就會說到,動力戰甲的核聚變發動機使用的是冷核聚變的原理,因此他的散熱不成問題。的確在我們的現實世界當中,冷核聚變技術風靡過一段時間,在1989年化學家弗萊施曼和龐斯他們在常溫常壓下用鈀電極來電解重水,偵測到了異常的能量發生反應,因此他們就對外宣布發現了冷核聚變。

然而實際上,這只不過是一場科學鬧劇,鈀電極電解重水並不能激發核聚變反應或者說效率極低幾乎沒有利用價值,因此用這個原理來製作動能戰甲的核聚變發動機並不是最好的選擇。在星際爭霸遊戲裡大約在2200年的時候,地球人類已經實現了可控核聚變工程,而其核心原理那就是「託卡馬克核聚變」也被稱之為「超導託卡馬克核聚變」。

它是運行方式是在真空室當中通電產生的巨大螺旋型磁場,將其中的等離子體加熱到很高的溫度,以達到核聚變的目的。而動能戰甲的核聚變發動機就可以看成是一個超小型託卡馬克核聚變反應堆,在半徑為10釐米高40釐米的圓柱形核聚變發動機內他的輸出功率能達到0.5到1兆瓦之間。

雖然功率輸出很高,但是核聚變發動機內的等離子體在發生核聚變的時候會產生超過1億度的高溫,在如此高的溫度下,要如何保護穿著動力戰甲的士兵不被大量的熱輻射所直接蒸發就是這個動力戰甲的技術核心要素之一。

偏濾器的作用

事實上,對於核聚變引擎來說最擔心的是引擎內外壁的巨大溫差導致的材料損壞,畢竟接近1億度的溫差是沒有材料能夠承受的,所以會在內壁和等離子流體之間加裝一層偏濾器來平衡溫差。而核聚變發動機的內壁厚度大約在0.02米左右,因此大圓半徑R為0.1米,小圓半徑e為0.08米,求出的圓環表面積就是:

所以一臺發動機內壁上的平均熱流密度就是:

面對內壁上如此高的平均熱流密度就會使用一個名為偏濾器的裝置來避免熱量的集中,在偏濾器上會加裝鎢裝甲用來抵抗等離子體衝擊,內嵌銅管加裝氦冷。那個偏濾器大概長這樣

其中鎢裝甲的厚度大概在0.5釐米左右,而它的導熱率為K=173W/(m·K),因此如此一來就會使得核聚變引擎的等離子發生裝置的內外溫度差為:

也就是說依靠偏濾器能使得裝置的內外溫差保持在100度以內,這樣就避免了材質的損壞。當然了保證整個核聚變引擎不會因為高溫核聚變而熔毀的關鍵還是因為實際上這些超高溫的等離子體的密度極其稀薄,再加上都被電磁場限制在核心區域不會和內壁發生直接接觸。(等離子內部溫度圖)

不過需要注意的是,個別一些年久失修的核聚變引擎,在內部的等離子流體高速運轉的時候會發生一些和太陽耀斑一樣的爆發,短時間內產生數十倍的熱量,等離子體衝破電磁場的限制撞擊到內壁上,就會導致發動機的局部溫度過高使得表面熔毀的事情發生,這還是非常危險的。

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