最近這幾天,說“南天門計劃”無異于往褲襠里塞黃瓜的文章又火了。
大家討論的很積極嘛,首先得說一點,對于科幻IP類的東西W君往往就是瞥一眼,不可能去溯源或者正經的去分析其中的任何問題??梢詮闹庇X上就告訴你大多數科幻作品不如一個屁的意義大。
既然大家熱議,那么W君也去了解一下,起初W君還以為“鸞鳥”是一個近地軌道空天母艦,沒想到數據是這樣的:
全長:242米、翼展:682米、空重:47200噸、標準任務重量:112800噸、滿載重量:122900噸、入軌高度42000公里。
那么咱們來說說鸞鳥造好了在哪里:
這是一個完全比例的空間圖,鸞鳥就會運行在圖上紅箭頭所指的位置上。大約占用這張圖0.00258個像素,雖然不可見,但是大家可以比較清晰的知道鸞你所在的位置了吧?
那么咱們就來說一個“小學生可以回答的應用題”:假設在鸞鳥空天母艦上有一架白帝戰機,需要到地球執行一次飛行任務,例如把關島基地炸一遍,執行任務后再返回鸞鳥。它要消耗多少燃料呢?執行這個任務的周期大約是多久呢?
至今沒有數據說明白帝戰機的空重是多少,咱們就按照殲-20的空重把白帝戰機的空重也設定為17噸。
任務分為三個階段,下來-作戰-返回。
簡單的說,下去就是白帝戰機脫離鸞鳥空天母艦從42000公里的軌道高度下降到大氣層進行作戰
作戰的過程中白帝戰機需要攜帶著能夠返回空天母艦的燃料完成所有的作戰任務,
返回是指白帝戰機完成既定作戰任務后安全的回到42000公里軌道高度上的鸞鳥空天母艦,可以再次補給執行下一次作戰任務。
邏輯上是不是這樣的?如果你同意這一點,那么咱們就可以繼續聊了:
首先,第二階段的作戰過程中的所有事情咱們都可以忽略不計,咱們從第三階段白帝戰機返回42000公里高度上的鸞鳥空天母艦入手來看。
這是這個三個階段中最簡單的一個環節,幾乎等同于我們從地面上發射一枚火箭將一顆人造衛星送入軌道的過程?;氐胶教祛I域,為什么我們現在依舊要用液體火箭發動機進行發射呢?這里面主要的原因就是在于液體火箭發動機在提供了足夠大的推力之余還提供了足夠的比沖。
就目前而言,液體火箭發動機的比沖咱們可以維持在450s上下,相對于固體火箭發動機的250s要高了不少,當然了,和可變比沖等離子脈沖火箭發動機(VASIMR)這種理論上比沖(Lsp)逆天的30000s比液體火箭發動機的確是個弟弟。
可是從實踐中目前最好的成績是這樣的:
最大推力只有6牛頓。所以咱們也就別指望更先進的VASIMR帶著白帝飛向鸞鳥。
目前最經濟實惠的白帝入軌方案還依舊是氫氧火箭入軌(450s比沖)。
前面說了白帝的空重按照17噸計算,現在我們就得說發射17噸的載荷到42000公里的軌道上需要的燃料了。隨手可以拿到的火箭計算器:
是235524千克,大約是235.5噸。
這個重量是什么概念?也就是說在白帝完成了第二階段對關島的打擊后,還得保證自己有235.5噸的最小燃料儲備才能飛回鸞鳥空天母艦。這里面有一個速度變化“Δv”,W君設定的是每秒11.6千米,這是一個相當經濟的入軌速度。不是說7.9km/s就可以脫離地球引力嗎?為什么是11.6km/s呢?實際上這是走了一個捷徑叫做霍夫曼轉移軌道,通過把軌道壓扁在軌道遠端再進行姿態調整就可以用最少的燃料進入最高的軌道的一張航天常用軌道力學的計算方式。
進入霍夫曼轉移軌道后,白帝戰機的飛行速度就會由地球引力的作用下逐漸在遠端降低經過數次乃至數十次的軌道調整,最終可以獲得42000公里高度上每秒2.86千米的軌道速度。
這個過程最快也得6個小時左右完成。如果白帝戰機的軌道和玄鳥空天母艦的軌道交疊角選擇的不好,則需要幾天的時間才能完成“返航”的操作。
這就是第三階段的全部了。
那么參考第三階段我們知道怎么看返回地球大氣層的出擊操作了嗎?
玄鳥空天母艦在合適的位置上釋放白帝戰機。白帝戰機調整姿態進入到霍夫曼轉移軌道,在這個軌道上再進行機動變軌,逐漸的進入大氣層。和第三階段不同的是,這時候白帝戰機要更重。因為這個階段上,白帝戰機的燃料載荷是不僅僅包含了白帝戰機17噸的自身重量的,還要包含235.5噸的返程燃料重量。但從能量守恒的角度上來說,在這個軌道上的Δv的變化其實是不變的還是可以設置為11.6km/s
白帝自身+返程燃料=17000+235500=252.500噸 這個是白帝離開玄鳥的有效載荷,那么帶動這些有效載荷Δv=11.6km/s就好算了
我們就可以沿用之前的計算器了:
大約是3498噸的返回燃料。也就是說,白帝從鸞鳥上離開的時候的重量大約是3750噸的重量。
3750噸這個量就很有意思了,這是051級導彈驅逐艦的最大排水量。W君要告訴大家的一個事情是即便是鐵疙瘩的驅逐艦,3750噸也是這么大!
當然了,現在返回式人造衛星落地并不需要攜帶大量的燃料,這是因為返回式人造衛星本身所需要的返回周期并不受到限制,可以在軌道上連續幾周的時候通慢慢的調整軌道姿態在相當長的時間內返回,而如果是作戰,則需要在最短的時間內到達。就不得不使用連續的大功率推進方式直接再將白帝戰機“打”向地球了。
對于第二階段,實際的作戰,參考一下基本上在天上飛的波音787就是254噸,接近于白帝戰機在二階段作戰時候的總體重量。
所以,這玩意:
且不說別的,這貨能裝235噸燃料?即便是能裝253噸燃料,這樣的小身子板能帶得起來?
這件事咱們還是當真的信,W君認為能造出這樣的一架載油量數千噸的宇宙油輪。但還有一個問題咱們得稍稍考慮那么一下下吧?也就是“成本”——白帝戰機在出發的時候所攜帶的燃料可都是在玄鳥空天母艦上的吧?
埃隆·馬斯克搞了一個星艦把近地軌道上的發射成本降低到了5000美元一公斤(300-500公里高度軌道)。那么這3700噸的燃料可是在42000公里高度上的玄鳥上,咱們繼續砍價砍成白菜價,吧發射成本降低到1000美元一公斤。W君這樣夠良心了嗎?要知道1000美元一公斤的近地軌道發射成本可是一個會讓各個國家擠破腦袋的超級白菜價格。即便是這樣,光是把白帝一次飛行任務所需要燃料“放到”玄鳥上也得37億美元。
這樣的“白帝”,一個飛行小隊四架飛機到地球上執行一次任務,有沒有戰績暫且不用說,他們可以霸氣的告訴大家——光“油”我們就燒掉了一艘福特級航母。
當然了,還會有人說,我們不能用現在的眼光去看未來的科技發展。大清朝的人根本無法想象登月或者手機。但是,敲黑板,這是對大家科技觀相當重要的一句話:科技的發展只能告訴你一個“公式”,真正起到落地作用的是“工程學”。大多數時候科技只可以給大家提供一個可能的發展方向。例如登月、手機等等的事物其實在清朝就有研制的端倪了。
例如咱們在前面提到的火箭方程,是齊奧爾科夫斯基在1903年提出的,按照咱們的紀年來說是光緒二十九年。麥克斯韋方程組的提出是1865年,那個年頭是大清同治四年。再早一點,牛頓發表《自然哲學的數學原理》是1687年,是康熙二十六年?!蹲匀徽軐W的數學原理》講什么——牛頓三定律。
其實即便是在清朝,我們也只是民眾不知道最前沿的科學而已。大多數人不看歷史,所以一提清朝的大學士,我們首先想起來的就是紀曉嵐和珅之流。
如果真是這樣,大清就撐不過順治帝了。例如梅文鼎、明安圖、李善蘭這些人其實都是清朝的大學士,在數學、物理、天文學等等領域都有很大的造詣。只不過那時候先進的科學理論大多停留于廟堂,而非民間而已。
在月球上有個坑叫做“Wan-Hoo Crater”其實就是在紀念地球上第一個將登月這件事付諸于實踐的人——陶成道,這個人比大清還早,這是一個明朝的萬戶。這哥們的像現在還在西安衛星發射基地中放著呢。
他的失敗在于工程技術跟不上。工程學才是真正讓一件事落地的主要途徑。清朝不能想象登月或者手機,并不是那個時候沒有這些科學理論而是那個時候很難完成工程實踐而已。
所以,根本不存在“大清朝的人根本無法想象登月或者手機”這樣的說法。但是別樂觀,物理學不會限制大家胡思亂想,但絕對會限制你最終可以到達的“程度”,例如有人提出零下300攝氏度這樣的說法,W君只能認為這貨瘋了?;蛘哂腥擞X得南天門計劃可行,W君也只呢認為這個人腦子不正常,里面有“蟬”。還是之前的話——物理學不會告訴你什么事情可為,但一定會告訴你什么事情不可為。而從42000公里的軌道上部署一個空天母艦就明顯的屬于不可為的范疇。
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