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NASA 工程师设计出无需燃料、还可加速至接近光速的太空引擎

2020-06-08


NASA 工程师设计出无需燃料、还可加速至接近光速的太空引擎

人类梦想着有一天可以出走太阳系,然而现实障碍摆在眼前:我们根本没有速度足够快的推进器能让我们在有生之年离开太阳系。最近,NASA 马歇尔太空飞行中心(MSFC)工程师 David Burns 提出一种完全无需燃料的神奇引擎,可以将速度增至接近光速,虽然这种引擎可能已经违反牛顿运动定律。

从本质上来讲,所有火箭都基于牛顿的第三运动定律:力必会成双结对的出现,当有一道力施加在火箭上,就会相等的另一道反作用力,所以传统化学火箭/推进器靠燃烧燃料来产生推进力并向前移动。

问题在于燃料是个庞大成本,根据 NASA 分析,目前火箭光是要将有效载荷投入低地轨道,成本就高达每磅 1 万美元,可想而知要将有效载荷送上月球甚至更远的火星甚至太空旅行,所需燃料量更为惊人,更别提航行时间了,着实是一道巨大工程挑战。

光是目前跑最远的 NASA 航海家1号(Voyager 1),都还需要数万年时间才能飞抵离我们最近的恆星系统南门二(Alpha Centauri);其次,太空旅行造价高昂,光是业界火箭发射成本已算很便宜的 SpaceX 公司,其猎鹰 9 号火箭发射成本也要 6,200 万美元、猎鹰重型火箭发射成本则约 9,000 万美元,而这些钱连月球都还飞不到。

所以我们先想办法压低成本再来谈离开太阳系,科学家为此努力研发能取代化学火箭的新型推进器,比如雷射脉冲火箭发动机、离子发动机等,最终目标是将成本压至每磅仅需数百美元。

其中,离子推进器是已实用化火箭技术中最经济的一种,只需要少量推进剂就能达到很高的最终速度,比如欧洲太空总署(ESA)与日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)合作开发的贝皮可伦坡号,就安装了离子推进器前往水星。

而最近 David Burns 提出了新思想实验,设想一种完全无需燃料还能产生高速推进力的太空引擎,有点类似曾轰动一时的 Emdrive 科幻引擎——号称 41 天送人类上火星,燃料量与有效载荷的比例基本上为 1:1,只要靠电力就能获得推进力,唯一的缺点是,Emdrive 引擎违反了牛顿第三定律。

David Burns 根据外观将新引擎命名为螺旋发动机,思想中心是在火箭内来回移动质量,就像一颗来回弹动的球。但如果以正常质量的球操作,则当球撞击火箭前部时,火箭会向前移动一点;当球撞击后部时,火箭又向后移动一点,换句话说,就算球来回弹跳,火箭也只会向前和向后摆动。

因此 David Burns 提出使用螺旋状粒子加速器中的粒子来充当「质量会发生变化的球」。当粒子在加速器中来回移动撞击,只要有足够时间就能达到非比寻常的速度,如果在火箭前端使粒子加速至接近光速,火箭后端的粒子速度较慢,那幺根据相对论,以光速运动的粒子其质量会比速度较慢的粒子质量还大,这会导致火箭前端比后端重,反过来说,这将使火箭的向前推力比向后推力大,火箭得以向前加速。

只不过,这项设计会衍生出长 200 公尺、直径 12 公尺的巨无霸引擎,而且要产生 1 牛顿推力(大概与你敲键盘的力道差不多大)就需要 165MW 功率;再者,只有在零摩擦环境中才能达到接近光速的速度。

如果真有这幺神奇的质量变化球,这个想法就说得过去,但相对论仍然服从牛顿第三定律,因此这个想法在现实世界行不通。曾参与 Emdrive 科幻引擎测试的德国德勒斯登工业大学科学家 Martin Tajmar 表示,这款新型引擎可能会遇到和 Emdrive 引擎一样的问题,「所有惯性推进系统都不能在无摩擦环境中运作」。

David Burns 这项有趣的思想实验未经过同行评审,验证起来似乎会出现缺陷,但科学家总要不断提出新的想法,才可能打破现状。



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