《三體》航天考(二):令人神往的無工質推進

2020-11-23 驅動之家

前情回顧:

《三體》航天考(一):太空電梯、階梯計劃

1、核聚變推進

核聚變火箭發動機

進入三體危機紀元後,為儘早造出核聚變火箭發動機,人類的可控核聚變項目設立了四個研究分支,分別按不同的研究方向進行。在現實中,受控核聚變的常用方式有兩種,對應這兩種方式,工程師提出了兩種核聚變火箭發動機方案,它們各有優劣:

(1)、磁約束聚變發動機

磁約束聚變也叫做持續性聚變是將核燃料變成數百萬度的高溫等離子體,使原子核活躍到能相互碰撞。由於等離子是帶電的,所以可以用強磁場來束縛它們,否則高溫離子體會熔化任何束縛它們的容器。

《三體2》這樣描述了磁約束聚變發動機試驗失敗的場景:

在人類太空艦隊的發展方向確定為無工質輻射推進後,大功率反應堆開始進行太空實驗。這時地面上的人們常常能看到三萬公裡的高空發出炫目的光芒。這被稱作「核星」的光芒是失控的聚變堆失控產生的。核星爆發並不是聚變堆發生爆炸,只是反應器的外殼被核聚變產生的高溫燒熔了,把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個小太陽,地球上最耐高溫的材料在它面前就像蠟一般熔化,所以只能用電磁場來約束它。(《三體2》242頁)

磁約束聚變或許是核能發電的最佳方式,但未必適用於用於太空飛行。要約束住高溫等離子體,必須安裝一個磁場發生裝置。這種裝置由永久磁鐵和電磁線圈組成,體積龐大,重量驚人。這意味著火箭發動機必須造得很大。

大劉的態度很明確:小說中,首次實現可控核聚變發電後,物理學家丁儀對章北海說:「我早就感覺到託卡馬克方式是一條死路,方向對了,突破肯定會產生。」(《三體2》220頁)

這裡的託卡馬克方式就是磁約束聚變。

(2)、慣性約束聚變發動機

慣性約束聚變也被稱作脈衝性聚變利用雷射或者粒子束來照射核燃料球產生超高溫,生成比磁約束聚變時密度更高的離子體,從而引發聚變反應。

由於此時反應時間非常快,小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應,所以無需強磁場束縛。

在太空的真空環境中使用粒子束比在地球上具有明顯的優勢,可以不受大氣分子的幹擾。從這一點來說,此方案更為可行。

不過,採用慣性約束還需安裝雷射器或粒子束髮生器,並且需要給它們提供能量。太空飛行器的尺寸、結構與功能也得在現有基礎上有很大提升。雖然如此,此方案很可能比磁約束聚變發動機要輕。

穩定功率輸出的可控核聚變雖然還未實現,但其原理是明確的,障礙只存在與技術領域。假以時日,定能取得突破。

目前的聚變反應堆容器非常大而且重,這使得其並不好用於星際旅行,在未來如磁約束或慣性約束和等離子不穩定性等技術問題解決後,小型的聚變反應堆有可能被設計製造出來。

在探測三體艦隊虛實的「階梯計劃」進行的同時,人類開始研究太陽系防禦事宜。首當其衝的問題就是,用什麼動力推進龐大的太空戰艦?核聚變是當時人類最有可能掌握的高密度能源,該怎樣使用核聚變能呢?

固守化學燃料火箭思路的航天界實力派主張研發工質推進飛船,以核聚變能推動有質量的工質,產生反推力推進飛船。而太空軍則力主研發不需要工質的輻射驅動飛船。

要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的發展歷程。


一種核聚變發動機設計圖

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