航天器
众所周知,在太空科幻作品中,宇宙飞船、太空战舰或称太空航天器等是决不可或缺的要素。
而一说到航天器,最为人斤斤计较的无非是两样:超光速航行和人工重力。超光速没什么好争论的,“曲速”理论似乎是这方面最权威的结论,相反“人工重力”一点就更多元化了。
像《星球大战》、《星际迷航》这一类纯娱乐性质的经典太空歌剧并没有特殊交代过为何他们战舰的采用传统“平躺”设计却始终可以保持舰内的重力。这些其实不需要过多的在意,如果你的立意不是一个硬科幻,那大可天马行空,开启你的脑洞,不需要吃饱了撑的似的在意这些有的没有的。
但如果你觉得写成那样不太严谨,哎,今儿咱们来唠点“硬”的。
重力
我们人类生活在地球上,无时不刻承受的重力我们把它称作“1G”,而这1G便是9.8m/s^2,既每秒9.8米的加速度。
在地球生活的人类极度依赖这个重力系数,在长期的宇宙航行里多了少了都不行,这也是为什么“高达”,和战斗机都实际上毫无用武之地的原因。(具体我们后面讲)
火星的重力是地球的三分之一略多,当你踏上火星,你会发现你可以跳得更高,因为对火星来说你更轻了。而适应了火星重力的人在没有接受1G训练后进入1G场所,则极有可能在短时间内被压的喘不过气来。
可见人类对自己生活环境的依赖性。
人工重力
如果按照天马行空类的设定,那么需要在舰船的底部安装一个质量巨大的物体来产生引力,但这似乎是不可能的。你可以管他叫“魔法”重力。
而比较科学的手段则是以下两种:旋转式和线性加减速式,我们用最通俗易懂的话来说:前者是通过旋转往外甩,把你摁在地上模拟重力;而后者是从你的脚底以9.8米每秒的加速度把你往上托起来模拟重力。
旋转式多用于空间站和超~~巨型民船,普通民船和军舰只能采取线性加减速的方式。我们来重点说一下线性加减速式。
若想利用这个原理,舰船就不可能是像市面上绝大部分科幻作品那种类似现代舰船的传统设计,而更像是把一栋大楼的底部装上了引擎,舰艏在头顶,舰艉在脚底。这样一来以1G重力加速度航行之时,引擎会推动舰体,并推动你的脚底板,让你感受到和地球上一样的1G重力。减速时需掉过船头,让舰尾朝向目的地,然后进行1G减速度。
原理其实很简单,甚至我认为以人类现在的工业水平,造一艘太空舰船的船体是没问题的,它不会比美国的“福特”级航空母舰复杂多少,顶多是冲大气层的隔热外装甲极其费钱。而致命的因素就是心脏——引擎和核聚变反应堆。
用1G重力加速度,最短两天就可以到火星,可你们知道现在去火星要多久嘛?半年之多。
我们人类现在航天所使用的还是化学燃料火箭发动机,一枚运载火箭或航天飞机满载昂贵的燃料,却也只能在地球的引力范围内活动,根本走不远。
现在往火星运探测器的方法是,在火星靠近地球后,运载火箭拼命地加速,当燃料耗得差不多了速度也有了,之后再让探测器以惯性飞抵和地球处于最近距离的火星,最后用火星的引力和大气来减速。这种方法但凡有个人类就不能用。
对宇宙不是很了解的朋友可能会有疑问了:宇宙里又没有大气层那么大的阻力,为什么不能用化学燃料火箭推到1G重力加速度然后保持加速度滑行?
宇宙里的阻力也是不小的,它来自尘埃的摩擦,和各星体的引力。就运载火箭的个头来说,一旦发动机熄火,引力就拽着它一点点慢下来。其实有望在不久的将来给探测器装上离子发动机,脱离加速完成的火箭后再慢慢持续加速飞往火星,会更快,NASA和我国都在往这边发展。
同理,使用1G加速度的太空舰船关闭引擎后,船的速度会立马降下来,对里面的人来说就是托着脚底的力变弱了,重力系数急剧缩减,虽然不是彻底的零重力但你还是会飘起来。
还有一点,火箭拼命加速完的速度看起来是极快的,而你1G加速度扣扣缩缩地真的有那么快嘛?不好意思有的,你火箭的加速还没过瘾呢燃料就烧完了,之后探测器要飘几个月到火星,这个过程就会被地球和太阳拽没很多速度的。而1G重力加速度滚雪球一样地越跑越快,你可能不信,但它九天就能跑20个天文单位(1个天文单位1.5亿公里。)
再说回“重力”那一栏提到的战斗机、高达无用论,在宇宙里长期的航行人必须保持自己适应的重力环境,而这样一来无论你是只能坐一个人的战斗机还是能坐几百人的战舰都是1左右重力加速度(火星人另说)。保持高G加速度,你战斗机里的人根本受不了,还没地方吃喝拉撒,所以想硬科幻的话,战斗机可以带,但得是那种下地表战斗的,在宇宙里没价值。
“那我可以超近距离舰队战的时候用战斗机轰炸敌舰啊!”
emmmmmmm我寻思这不就是拿飞行员当牲口用吗?导弹它不香吗?
总结
1G重力加速度其实是非常高效的航行方式,不过吹了半天1G加速度的优点,现在人类用不上的原因就是不会,造不出核聚变反应堆和那么高推力的离子引擎,再有个一百年也够呛。
现在NASA用于实验的离子推进器才3100S比冲,在《太空无垠》(小说《浩瀚苍穹》)这一科幻作品里,舰船所使用的离子引擎均是百万比冲级别的,那还在很远的未来。
另外值得一提的是,同时出发的话,火星的船是完全追不上地球的,地球是9.8米/S的加速度,而火星的是3.7米/S(←火星的重力加速度)。