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宇宙是真空,飞船为何不能无限加速,甚至连1%光速都无法达到?

十万个为什么 空空 2024-4-09 06:06:49 4次浏览

关于问题宇宙是真空,飞船为何不能无限加速,甚至连 1%光速都无法达到?一共有 2 位热心网友为你解答:

【1】、来自网友【SK81710777】的最佳回答:

这个锅真空和相对论表示它们不背。

一和真空没啥关系。二是即使达到 1%光速,也不会造成太大的影响。

在航天器应用领域有一个非常著名的公式:齐奥尔科夫斯基公式,如下:

dV=G·Isp·ln(m0/mk)

公式各标识意义如下:

dV:航天器的速度增量,单位 m/s。

G:重力加速度,9.8m/s^2

Isp:(火箭)发动机比冲,单位 s(秒)

m0:航天器的初始质量,单位吨。

mk:航天器结束推进时的质量,单位吨。

我们假设需要将 10 吨的卫星发射到地球低轨(LEO),需要的速度增量大概是 9500m/s。我们使用真空比冲为 335s 的 YF100(液发 100)火箭发动机作为动力,单级火箭发射,那么需要多少燃料呢。

按上述公式

dV=G·Isp·ln(m0/mk):9500=9.8×335×ln(m0/10)

求得 m0=180.6 吨。

所以此时火箭初始质量最少需要 180.6 吨,如果加上火箭发动机、外壳等等的质量,那火箭就需要 200 吨以上了。

不考虑相对论质速关系,我们将 10 吨载荷加速到 1%光速需要消耗多少燃料呢?

dV=G·Isp·ln(m0/mk):3×10^6=9.8×335×ln(m0/10)

求得 m0=7.2×10^396 吨

太阳的质量大概是 1.9885×10^27 吨。而太阳的质量占整个太阳系的 99%以上。就算燃烧整个太阳系,也达不到 1%光速。

我们要降低燃料的消耗,只能提高发动机比冲。比如我们的天宫空间站维持轨道使用的霍尔发动机,比冲是普通化学燃料发动机的几十倍,每年只需要消耗几 kg 的燃料。而国际空间站为了维持轨道高度每年消耗的燃料以吨计。

我们假定霍尔发动机已经足够成熟且能够制造百吨级的霍尔发动机,且假设它的比冲可以做到 10,000s。经过重新计算,火箭发射时的初始质量 m0=1.97×10^13 吨(19 万亿吨)。大概需要烧掉几颗彗星(哈雷彗星质量在 10^12 数量级)。[狗头]

但是霍尔发动机的能量来源是电力,现在天宫的霍尔发动机是靠太阳能板来供电。要推动 19 万亿吨的航天器,这个能量消耗是耸人听闻的。

所以只有可控核聚变能提供这么大推力发动机需要的电力。

还有没有更高效的发动机呢?有!

理论上说,只要使用粒子加速器把粒子加速到接近光速,再抛出航天器,就能得到对应的比冲。但是有以下几个问题:

1.粒子加速器尺寸太大。

2.粒子加速器每次加速的粒子很少。

3.粒子加速器能耗太高(开一次机,耗一个小镇一年的电量。PS:比喻)

要想使用粒子加速器来做航天器的发动机,必须要解决设备小型化,能量利用效率和单次加速粒子的量,高能核聚变发电机,超导电力输送系统,极高效冷却散热系统等等现在看来还是黑科技的东西。

只有这些技术突破了,我们才有一丝丝可能开着几万吨的鸾鸟号,花上百年时间去比邻星遛达一圈。

最后,假设我们使用环流粒子加速喷射引擎,喷射速度 1/10 光速,我们只需要携带飞船重量 10%的燃料就可以加速到 1%光速了。

加速到 10%光速需要携带飞船重量 1.72 倍的燃料,但这个时候相对论出现了。

【2】、来自网友【四重奏 6028217】的最佳回答:

宇宙是真空,没有阻力。如果飞船持续加速,应该没有速度上限才对,可为什么连光速的 1%都达不到呢?

这是由三个因素共同决定的。首先真空是相对而言,没有绝对的真空。所谓真空只是空间的分子数量极少而已。假如说地球大气中的分子间距是 1mm,宇宙空间的分子间距是 1m,而空气阻力大小取决于飞行器单位时间遇到分子的多少。

可以想像,如果把飞船速度提升 1000 倍,那么它撞到的分子数和在地球大气中是一样的,所以即使在真空中,当飞行速度很高时也会遇到“空气”阻力。

第二个阻碍速度提升的是火箭发动机的功率和持续工作时间。只要加速运行就需要发动机不断提供推力,无论发动机使用任何燃料,其携带量都是非常有限的。这必然制约速度的提升。

以上两个因素是影响速度提升的重要条件,退一步说,即使將来技术进步了,还会遇到更大的拦路虎,这就是爱因斯坦的质能转换理论:E=mc²当速度接近光速时,能量就会转化为质量,达到光速物体质量会无穷大。

根据 F=ma,当 m 无穷大,所需推力 F 也是无穷大,这显然是不可能做到的。这就从根本上堵死了飞船速度达到或接近光速的路。以上是我的回答。

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