什麼樣的動力可以支持我們的太空飛行器飛出太陽系?

科學黑洞


 太陽系邊界的定義有兩種,一種既飛出冥王星軌道,過了何伊伯帶,距離太陽30至50個天文單位(地球至太陽的距離為一個天文單位)。如果是這樣,那麼現有技術,液氫和液氧就可能做到。旅行者一號現在正以每秒17.8公里的速度,於2012年8月25日衝出了所謂的太陽系!但是它也是通過了多個行星引力加速後,才勉強超過第三宇宙速度(是擺脫太陽引力的最低速度,每秒16.7公里)。



第二種太陽系的邊界界定範圍要以太陽的引力範圍為標準,也就是奧爾特雲。它一直延續到距離太陽50000—150000天文單位的區域!這裡是太陽引力束縛天體作圓周運動的最後區域,也即太陽系邊界。


講到這裡,才可以和你開始談起你今天的提問。要離開太陽系的奧爾特雲,用現有的化學燃料,迄今為止,人類最快的飛行器“旅行者1號”以每年約3.5天文單位的飛行速度,還需要3萬年才能飛出太陽系!那麼星際旅行將變得毫無意義!

星際旅行是一大熱門話題。對星際旅行的憧憬與構想絕不僅僅限於科幻小說,畢竟飛出太陽系,是件多麼激動人心的事兒!因此,如果我們真的想進行深空星際旅行,那麼就需要新的技術。這些技術的可行性是有的,其中一些,將會在未來歲月裡實現!而另一些也許根本就不可能!也只能停留在美好的科幻電影裡!


1.等離子, 新型航天推進器設計成使用電磁力,將中性氣體轉化為能產出推力的超高溫等離子體,如高級等離子體火箭推進器。一個月到達火星不是夢,然而還需要人們努力才能使其速度達到光速的15%並實現星際飛行,以適應未來火星短期旅行和其他星際航行需要。

2.太陽帆,太陽帆飛船不需要攜帶大量的燃料就能夠進行星際航行,這一點是化學能動力系統所不具備的。這種太陽帆船能收集恆星吹來的太陽風,飛船能擁有30000km/s或者說1/10光速的平均速度。對於星際旅行來說,初級階段速度還是太慢了!




3.核能,核脈衝反推裝置,即用許多小型氫彈爆炸產生動力,每隔5秒鐘爆炸一次,幾天就可以使飛船加速到1萬千米/秒的速度,據計算約280年可以達到天狼星附近。


4.星際核聚變衝壓發動機,這種星際衝壓式噴氣發動機 ,1960年就由羅伯特.巴薩德提出,但現在發動機仍未成為現實,可它很可能是未來最好的一種方案。《星際迷航》中的星艦就是其原型。該發動機利用強大磁場形成巨大的磁漏斗,磁漏斗的作用是將星際旅行中沿途的氫收集起來作為飛船核聚變反應堆的燃料。沒有燃料負載的飛船在星際衝壓式噴氣發動機的推動下,能以接近光速的速度在宇宙中自由穿梭。這將是實現恆星際旅行的絕佳方式!

5.反物質, 使用神秘的正常物質的對立物來為飛船供能,聽起來是不是很怪異!然而這或許是太空航行歷程中下一次飛躍!而且該火箭比其他類型的火箭更有威力。其面臨的最大難題是,如何真正地創造並儲存反物質粒子。然而最近天文學家發現在我們身邊就有一種豐富的為地球磁場所捕獲的反物質資源。如果將來有足夠數量的反物質被發現,那麼飛船以接近光速的速度飛行,將不僅僅只存在科幻電影裡!


6.黑洞, 基於量子效應,科學家們認為這種黑洞星艦會被從黑洞的視界中投放出來,霍金輻射是一種被提議作為推進物使用的電磁效應。研究表明,在配備有拋物面反射的飛船後部製造人造黑洞,雖然由於人造黑洞有碰觸到飛船甚至失控的風險,這是一項危險的選擇。這種方式被認為能使人類在3.5年內到達半人馬座阿爾法星!


7.磁單極子,磁單極子是理論物理學弦理論中指一些僅帶有N極或S極單一磁極的磁性物質,它們的磁感線分佈類似於點電荷的電場線分佈。這種物質的存在性在科學界時有紛爭,直到2009和2014年這種現象在實驗室中被創造出來。它可以在不違反物理學定律得到情況下存在。它能為未來的飛船提供無盡的能量,以及深不可測的速度動能!


8.阿庫別瑞曲速引擎, 阿庫別瑞曲速引擎是一項推敲性的時空數學模型,科幻小說中,星際旅行裡的跨星際的超光速(跨光速)航行的工具——曲速引擎。其原理基於愛因斯坦的相對論——物體會使其附近的時間和空間彎曲。物理學家"阿庫別瑞"於1994年提出了波動方式展延空間,使宇航船前方的空間收縮,而後方的空間擴張,前後所連成的軸向即為船想要航行的方向。船在一個區間內乘著波動前進,這區間稱為“曲速泡”,是一段平坦時空。船在"泡泡"內並不真的在移動,而是由"泡泡"帶著船走,這種方法使得從一個星球到另一個星球的移動可以在瞬息間完成,比光速還快十倍,百倍!而不用打破物理學定律。其可行性已被證實,扭曲時空所需能量遠遠超過現今技術所能提供的。然而,NASA已經在研究能駕馭曲速旅行的飛船!


9.蟲洞,蟲洞是宇宙中,可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。對於穿越蟲洞的宇宙飛船而言,其最重要的任務就是保持蟲洞的開啟和穩定狀態。研究表明,由負物質可以使蟲洞保持長時間的開啟和穩定的狀態!就算這一方法理論上可行,可由於穿越蟲洞的未知性,這是相當危險的!螃蟹美味的發現,就是有人敢於嘗試。說到這裡囉嗦的也不少了,其實我個人感覺,太空中可能不會是真的.是空的!它充滿了我們人類未知的物質,也可能就是取之不盡,用之不竭的未知能量!


自然春來


現在讓航天器飛出太陽系還是可以的,但是不容易。而且飛出去肯定是沒有能力收回來的,也沒有有效的方式保持長久通信。

怎樣判斷航天器是否能不借助動力,自己達到逃逸太陽系的速度呢?這樣計算,航天器從無限遙遠的地方,到達地球。引力在這麼長遠的距離上做功。做功之和小於航天器的初始動能,就證明航天器有能力不借助動力飛出太陽系。

也就是對萬有引力公式,從地球表面到無窮遠處積分,得到的結果就是16.7公里每秒的初速度就足以支持它無限遠離我們。這就是地球表面的第三宇宙速度。

我們來計算一下,如果載荷是一塊磚頭,算上黑科技比衝450的小型發動機和火箭殼子按照一噸來算,和扔出太陽系需要燃料70噸。哎呀,看來也不容易,70噸燃料的殼子和發動機可不止一噸。這就是為什麼,咱們不發射那麼多前往太陽系外的探測器。70噸燃料可能需要10噸的火箭以及發動機,那麼需要的燃料就變成了780噸燃料。這780噸燃料如果需要達到剛才的比衝,就需要更多發動機更重的火箭。於是就進入了死循環,火箭越來越大。

所以,通常採用利用其他行星引力加速的方式。這樣起飛需要的燃料和重量就可以少一些。


於是航天器可以逃離太陽系了。這時的航天器,是沒有辦法再返回地球的,因為返回地球需要的能量是發射到這裡的兩倍。和登陸月球不同,登陸月球的時候,即利用了月球引力彈弓減速,也要用火箭減速才可以登陸月球,返回的工作已經完成了一半。從月球起飛在返回地球就比較容易。



但飛出太陽系的航天器全程一直在加速,所以沒辦法返回地球。

距離太陽太遠,太陽的輻射量也大大減少。就好像吹泡泡,泡泡越大,同時也越薄。遠離太陽,可利用的太陽能非常非常少,不足以支持太陽能電池板。甚至太陽能電池板在自然壽命達到前都無法充一次電。所以旅行者號使用的是核燃料電池。

總而言之,我們現在有能力把航天器送出太陽系,但是速度也僅僅是剛好送出去。在有生之年看不到他到底能飛多遠,也很難再聯繫到提供有效信息了。


蛋科夫斯基


什麼樣的動力可以支持我們的航天器飛出太陽系?

其實這個問題的關鍵是是太陽系的邊界定義,如果以柯依柏帶邊緣的日球層頂端為太陽系邊界(約100天文單位),那麼我們現在的技術手段還是有戲的,但如果以奧爾特云為太陽系的邊界,我們這點雕蟲小技何足掛齒......0.5光年,銀河系動輒數十萬光年的直徑,0.5光年實在算不了什麼,但同老驥伏櫪,如同螞蟻......我們人類的實在是太悲催了,就這點微末道行,居然還有人認為咱是宇宙中最高級的生命形式。

電推進發動機是我們最接近現實的選擇,其他手段諸如:

化學能發動機比衝太低,除非關鍵變軌否則路程上大部分時候都是關機狀態的;

太陽帆遠距離效果實在不行,而且加速太慢,面積太大難以收放。

現在主流的有離子電推進和霍爾電推進兩大類,而磁聚焦霍爾電推進在關鍵性能上遠優於傳統霍爾電推進

離子推進器結構原理圖

但如此複雜的結構仍然只能產生數十毫牛的推力,這是一個什麼概念呢:

連續不斷的推動使98年發射的“深空一號”的時速每天提高25至32公里(時速),連續300天增加推力就可將時速提高到9700公里/H

顯然在太空中最關鍵的不是推力大小,而是比衝:火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量,或單位流量的推進劑產生的推力,又稱比推力。比衝或比衝量是對一個推進系統的燃燒效率的描述,數字越高說明燃料利用率越高!

液氧煤油火箭發動機的比衝約為:350-400

氫氧火箭發動機的比衝約為:400-450

電推進火箭發動機比衝:1500-2000以上

能跨出到太陽系邊界的也就電推發動機了,這是最為現實的選擇,無論你是不是覺得這個發動機推力太小或者加速太慢,抱歉你現在只有這個選擇,那種百米跑冠軍的化學發動機不太適合用在超長距離的旅途中


星辰大海路上的種花家


你們的飛船用什麼材料做是關健,如果用地球上的有型粒子材料做,只要太陽活著,就不可能走出太陽系,因為地球上的所有物質體跟隨太陽一起經過星系中心加工後,運行於太陽的一個天文單位軌道上。太陽系範圍是非常大的一個動態範圍,其界線與相鄰恆星呈大至等距,從等距至太陽是光年計距離,有粒子團存在的應不超出等距的5%距離,假如等距一光年,那麼有有型粒子體的也有20天光距,算下來也有3800多天文單位,依然很大。如果按粒子構造特性分析,地球上的粒子無論用什麼作為動力,都走不出這380O天文單位圈,為什麼呢?原理與質子加速器有相同點,存在動態環境度規,最終會不斷走向平衡。

要想走得遠一點,只有去尋找地球上粒子半徑最小的質子物質才會走得最遠,動力系統走得最遠的只有同物異動放電,否則用化學能或聚變能走不了多遠,用地球上物質造的飛船就會自動解體,物質體的凝聚幾何力變得很小,成為分散的物態質子中子群飄在太陽軌道上。

在天體恆星系裡,宇宙中沒有任何有型粒子能跨越恆星之間進入彼鄰恆星系內,地球上獲取的太陽系外物都是能量態體,沒有一粒是實物粒子,都是能量態,所以人類想以粒子體離開太陽系是永恆不可能的,無論人類科枝怎樣發達,反過來說也沒有任何有型粒子體的天外來客能進入太陽系內。


宇宙譜


宇宙萬物都有引力,引力是我們最容易想到的動力。如果地球對我們失去引力,我們將自由飄入太空,根本不用強大的火箭推進器。只要有辦法控制引力黑洞都不怕了,即然萬物有引力,就有離心力,離心力要用天然的,這樣才節能,飛船可以飛的更遠,人造的離心力不行,廢能源,飛船帶不了那麼多燃料。


開心果52105317


藉助行星的引力加速,經過幾十年的飛行,旅行者一號已經飛出了狹義上的太陽系,它使用的當然是化學燃料。

但如果想快速、大量的進行太陽系外的宇宙航行,估計要等核聚變技術極其成熟以後,飛船裝置核聚變發動機了。太空中接近真空,沒有反作用力,不能像飛機那樣靠噴射空氣來獲得推力,所以只能向前進的反方向拋射自身攜帶的物質,如果物質拋光了,即使核聚變燃料沒有耗盡,飛船也將寸步難行。所以,太空旅行真的是非常艱難。


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