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2019/4/15 15:52:49

[原创]关于第五次工业革命的猜想二,太空开发

 这是2018年1月份写的一篇文章,一直没有发出来,直到前几天看了《流浪地球》,才记起这边文章。


关于第五次工业革命的猜想二,太空开发

 

“我们的征途是星辰大海“这一句火遍网络,源自于网络作家的一部作品《我们的征途是星辰大海》。这本书主要写的是1840年到今天我们国家的建设情况,并以此为主轴,穿插着写了中、美、俄三国斗法的趋势,试图告诉读者,我们国家从1840年发展到今天逐渐走向昌盛的原因。在20141015日,网络作家作为草根文艺工作者代表,习总书记人民大会堂参加文艺座谈会,受到习近平总书记的接见。

“我们的征途是星辰大海“这句话最早来源于日本著名作家田中芳树。1982年,田中芳树发表个人第一部长篇科幻小说《银河英雄传说》,《银河英雄传说》是一部以浩瀚银河为舞台的壮丽英雄史诗,并在1988年改编为动画片。“我们的征途是星辰大海“中的主角“莱因哈特.冯.罗严克拉姆”最有代表性的一句台词。

后来这句话在网络上演变成“我的征途是星辰大海”用于网络装逼,显示自己与众不同,超凡脱俗的理想与志趣。

回到现实,如果第四次工业革命,人类的发展除了自身生命体的延续,更多的会思考人类未来的空间和命运。也就是说第五次工业革命可能发生在航空航天领域,通过航天技术实现外太空的资源开发与利用,更进一步是先星际航行于外空殖民/移民。

自从葡萄牙航海探险家麦哲伦率领的探险船队在15199-15229月,历时1082天(麦哲伦1521327日入侵菲律宾,中箭身亡),人类首次完成环球航行。借助蒸汽轮起、内燃机、喷气发动机,环球旅行变得越来越容易,时间也越来越短,还有就是借助现代化的通讯工具,地球变成了一个地球村。直径一万多公里的地球已经越来越容不下人类对于物质和资源的追求,但是也离不开这个孤独的星球。因为这个星球的温度适宜有机物的合成,同时拥有生命赖以生存的水、空气。还有庇护生命的地球磁场,抵御宇宙射线对生命的伤害。

除了以上资源以外,人类要进一步发展还需要其他资源、比如能源。人类的终极能源应该是核聚变,核聚变最理想的材料是-3 (He-3)因为使用氦-3的热核反应堆中没有中子(氦-3与氘进行热核反应只会产生没有放射性的质子),故使用氦-3作为能源时不会产生辐射,不会为环境带来危害。但是因为地球上的氦-3储量稀少,无法大量用作能源。但是离地球不远的月球上有,根据月球探测的结果,月球上的氦-3含量估计约100万吨以上。100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源总量。

外太空有人类急需的一些稀有金属,一年前美国航空航天局(NASA)日前宣布了两个新的小行星探测任务“Lucy”、“Psyche”,目标分别是木星轨道上的特洛依群小行星、大型金属小行星16 Psyche16 Psyche位于木星、火星之间的小行星带内,距离地球3.7亿公里,是太阳系内最神秘的天体之一。它的宽度达200公里,全部由金属组成,主要包括铁、镍,还有少量的金、铂、铜。据科学家计算,仅仅是其中的铁,就价值1千亿亿美元,也就是将近7千亿亿元人民币,可见其资源价值之巨大。

让这些资源实现这些商业价值,首先是要过的去,其次是要拿得到,最后是要运的回。上世纪70年美国实现了人类的首次登月,然后对于登月的热情开始慢慢沉寂下来,技术上说明过得去的问题基本上不大。最主要的原因是登月成本耗费巨大,就算美国这样的地球霸主都无法承担这样的费用。其次是费效比不高,以前的登月只有政治价值,没有商业价值。

以美国阿波罗登月飞船和土星5号登月火箭为例,土星5号登月火箭总重3038吨,最大推力3408吨,只能将47吨阿波罗登月飞船推离地球轨道,其中耗费的燃料将近3200吨,然后只带回来大概100多公斤的岩石标本。如何降低发射费用和提高发射成功率是实现太空飞行商业价值最直接的方式。沿用现有的发射方式,发射费用无法降低,同时风险极大,一旦发射失败都是箭毁人亡的巨大损失。

随着电磁技术的日益成熟,电磁弹射的发射方式不失为一条可行之路。电磁弹射的发射方式将具有以下优点,可重复使用(均摊下来费用便宜),发射过程和速度可控,发射风险降低。

电磁弹射技术可以将30吨中的重型舰载机加速时速250公里;磁悬浮技术可以将几百吨的列车加速到时速600公里以上,电磁炮可以将一公斤的炮弹弹丸加速到每秒2公里(约合时速7200公里)。虽然和第一宇宙速度每秒7.9公里(约合时速28500公里)还有很大距离。但是随着技术的发展和成熟,不是不可能实现,未来甚至可以实现弹射速度达到每秒11.2公里(约合时速40500公里,第二宇宙速度,挣脱地球引力在太阳系内环游),甚至更高每秒16.7公里(约合时速60100公里,第三宇宙速度,挣脱太阳引力在银河系内进行星际旅行)。

按照能量定力E=MV²,参照阿波罗宇宙飞船的重量,让50吨重的航天飞行器达到第一宇宙速度,需要消耗的能量大约E=50000KG*7900)²焦耳。

这么大的能量赋能,不是一蹴而就,按照土星5号火箭的发射过程,大概需要1030秒钟(火箭发动机做功时间),发射过程中最大推力为3408吨,约合功率将近为1亿千瓦,随着发射升空,土星5号一步一步抛掉箭体(死重大约200吨),到第三级火箭推力只有102吨,但是阿波罗飞船的速度已经达到11.2公里每秒,火箭发动机的功率有1120万千瓦,所以火箭的发射过程是随着三级箭体的抛离,不同级的箭体上的火箭发动机功率逐步减小。

作为对比,电磁弹射发射初始功率一样大,也就是3408吨,按照加速度计算公式,加速度可以达到60G,航天飞行器可能在这么大的推力下会解体,人所能承受的的极限加速度不过10G,所以初始的推力最大只要500吨就到达极限了,弹射以后航天器的速度在每秒7.9公里,进入太空以后还需要航天器的自身助推火箭加速到每秒11.2公里,由此可以计算出大致的电磁弹射的末期功率是4800万千瓦。按照10G的加速度来计算,V=Gt,一次来计算整个电磁弹射时间应该需要790秒,整个加速度弹射路程按照S=½GT²,因此理论上大概距离是3042公里。

接下来要做的事情就是建设一个发电站,5千万千瓦电站建设,和建设一个航天电磁弹射场,电磁发射架可能会建设的很高很高,估计会有上千米,甚至几千米的高度,发射架建设会像一个四分之一的圆弧,圆弧的一段和地面平行,一段垂直指向太空。在地面上还要建设一段加速度导轨,当然加速度导轨可以建设成为直线的,也可以建设成为螺旋圆弧,以节省发射场的占地面积。电磁弹射场的选址应该靠近赤道附近的低纬度地区,航天器利用地球自转的速度,可以节省一部分能量。

以基建狂魔中国来承建这样的发射工程,按照中国人的聪明和勤劳刻苦,将在几年到十几年的时间可以完成。

核电站的建设和发射场的建设属于一次性投资,可重复利用,发射次数越多,均摊下来的每次的发射成本就越少。另外在非发射时间段,核电站的电能输出可以用在商用和民用领域,航天用电和商业、民用用电形成有效的补充,也可以再次均摊掉核电站的运营成本。

借鉴国际空间站的多次发射、搭积木的组建模式,未来的月球开发飞行器将建设的超过几百吨甚至几千吨,成为类似笔者儿时看过的动画片《太空堡垒》一样的超大型航天器或者航天母舰。因为发射成本的降低,电磁弹射发射航天器的商业价值被发掘,航天变成一件有利可图的事情,借助太空中零重力、高宇宙辐射、真空状态的条件,人类在太空可以开办高技术的制造业,利用这些特殊的环境,生产合成一些地球上不能生产的药物、关键零部件(比如零重力下可以生产出绝对圆形的滚珠,这是最理想的高速轴承部件)、太空育种等。另外太空采矿、星际旅行、星际移民的逐渐成为可能

当然这些都是以上推算都是按照笔者有限的高中物理知识来估计的,过程中没有考虑空气阻力,以及航天器在加速中与加速导轨、空气摩擦产生高温高热的情况,还有就是加速度轨道和发射架的损耗维护成本问题。

2018.01.31

 



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