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乘着太阳风殖民宇宙
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本帖最后由 阴暗面 于
14:41 编辑
& &殖民宇宙最大的问题是携带燃料问题。即使是能量密度高的核聚变飞船也是如此，于是在一些科幻小说里星际殖民飞船动辄有重达数千万到数亿吨的庞大重量和可与一座小城镇比拟的庞大体积，那里面装满了核燃料。
& &智慧的人类想出了一个有效的解决办法——核聚变冲压发动机，也叫巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet)，它是美国物理家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960提出来的。众所周知任何航天器要远行都必须自身携带燃料。而核聚变冲压发动机的优点在于不需自身携带燃料，它利用一张数千到数万平方公里的巨大磁场收集空间内的质子（氢元素）以用于自身的推进。它可以通过向前方发射激光或者电子束来将星际物质的外部电子击开形成离子，然后利用磁场收集，这个磁场漏斗的延伸范围甚至可以比巴萨德最初设计的漏斗更大，而实体漏斗本身则可以做得比较小甚至不要。
& &但是这种巨变冲压发动机的缺点也非常明显，那就是宇宙空间的氢元素是如此稀疏。以至于每立方厘米只有1个氢原子。而1ml水中有6.688*10^22 个氢原子。有人统计，为了收集到足够的氢原子这种飞船必须以每秒18000公里也即6%光速的高速前进以收集稀疏的空间粒子。要达到6%光速谈何容易，于是有人宣称巨变冲压发动机仅仅是一种狂想，根本不具有可行性。
& &奈何天道留一线，一种太阳猛烈释放能量的现象——“太阳风暴”为我们提供了解决问题的曙光！！！
& &太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。我们寄予希望的“扰动太阳风”，即在太阳活跃时期喷射出的粒子流。这种太阳风与太阳抛射物质事件或爆发现象有关，还有时伴有高能荷电粒子的大量增加，其射流速度一般可以达到每秒钟千米，粒子密度也比较大，每立方厘米可含质子几十个（地球轨道附近的观测值）。这种太阳风每次持续数小时到数十小时。
& &太阳风的物质密度是如此之大，以至于高于星际空间数十倍（星际空间大约每立方厘米只有一个质子）。根据核聚变飞船收集星际物质的公式：每秒收集到物质总量=收集磁场截面积*飞船速度*空间物质密度。在高空间粒子密度的情况下，我们完全可以以较低的速度收集质子。举个例子：假如太阳风密度达到100个质子每立方厘米，我们就不必以6%光速收集质子，而是以180公里每秒收集质子。如果以太阳风中的氦3为燃料，速度可以降的更低，同理我们也可以大幅度的减少飞船收集粒子的磁网的面积。在太阳风中我们不需要张开一张2万平方公里的大网，我们只要张开一张数百平方公里的磁网就足够了了。这是上天赐予人类航天计划的福音。让我们设想一下未来人类乘着太阳风殖民宇宙的情景吧：
& & 2220年人类观测到一场猛烈的太阳风，这场太阳风将以1000公里每秒的速度与人类的金星轨道站——燧人氏轨道站擦肩而过。将历时30个小时，在燧人氏轨道站附近物质密度将达到120个质子每立方厘米（离太阳越近，质子密度越高）。对此期待已久的燧人氏轨道站的工作人员们欣喜若狂，等候已久的夸父号飞船随机起飞，这艘飞船总质量达到50万吨，是一艘以氘氘聚变为动力的核飞船。他可以张开一张2万平方公里的巨大磁网以收集空间中的质子。在太阳风暴到来之前数天这艘夸父号飞船就已经起飞，经过数天的加速，这艘夸父号飞船达到了1070公里每秒的高速，随即夸父号飞船机动变轨，切入太阳风尾端。
& &随着进入太阳风当中，夸父号飞船张开了一张面积达到一千多公里的巨大磁网。这张巨大的磁网收集了前方的物质，并筛选有用的氘原子和氦3进入主发动机。随即氘原子和氦3被聚变发动机转化成推进夸父号前进的动力，核聚变发动机为这艘50万吨级别的飞船提供了10米每秒的加速度。就在夸父号聚变冲压发动机启动的同时，夸父号的驾驶员享受到了久违的重力感。10米每秒的飞船加速度正好相当于地球的重力加速度。
& &飞船的速度越快这艘飞船收集质子的效率也越高。为了减少阻力飞船张启的磁网面积也在不断缩小当中。经过18天的不间断加速，这艘飞船的速度终于达到了6%光速也就是18000公里每秒。此时飞船的磁网已经缩小到了数百平方米，尽管不再以这张磁网收集质子，但是这张磁网仍然保留着，目的是为了推开一些质量较轻的障碍物。到达星际物质较密集的太阳光球层顶端之前这张磁网将不再开启。
& & 至此人类第一艘亚光速飞船“夸父号”正式启程，他将以6%光速飞向距离地球大约0.8光年远处的奥尔特星云天体——幸运之星褐矮星。大约13年后到达。
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本帖最后由 djwkx 于
21:32 编辑
很遗憾，楼主搞错了一个基本事实，导致全盘计划只能成为不切实际的幻想
那就是－－－太阳风里并不存在氘元素，因为恒星里的氘是在核心反应区由质子聚变而来，且会与质子聚变成氦3；另外，太阳风的速度是1000公里/秒，而飞船的初始速度只有1070公里/秒，两者的相对速度只有70公里/秒
虽然太阳风里没有氘元素，但我们可以不考虑太阳风，就考虑一般的恒星际宇宙空间，并以此做一个假设计算：
假设宇宙空间里的粒子密度达到100个/cm^3（实际上这是不可能的），飞船的初始速度是1000公里/秒，则当飞船的磁场截面积为5万平方公里时，其在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个
而宇宙的元素丰度是普通氢元素占74.99%，氦4占25%，氘仅占0.01%，换算成粒子数目比例，氘仅占6.13*10^(-5)
因此一秒之内收集到的氘核数量应为5*10^24*6.13*10^(-5)＝3.065*10^20个
考虑氘氘聚变和氘氚聚变，平均一个氘核释放出4.978MeV
则飞船一秒之内收集到的氘可产生2.444*10^8 J 的能量
而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度，仅仅这个10m/s的速度增量对应的能耗就高达2.5*10^10 J
换言之，速度增量所需的能量是实际获得能源的100倍
但事情到这里还没完，前面仅仅计算了10m/s的速度增量对应的能耗，真正的动能增加量还要再加上飞船原有速度与速度增量的乘积这一项，由于原有速度为1000km/s＝10^6m/s，故此项之值是“速度增量对应能耗”的20万倍，是实际获得能源的2千万倍
也就是说，即使磁场面积达到惊人的5万平方公里，即使星际空间的粒子密度达到痴人说梦的100个/cm^3，即使氘核聚变产生的核能全部转化为飞船的动能（这根本就是不可能的），飞船收集到的氘核也绝不可能为重达50万吨的自己提供一个g的加速度，实际上那点能量连这个能耗的零头都满足不了
若要那点能量提供一个10m/s^2的加速度，飞船的总质量应降至24.44千克
可笑的是，光人的体重就不止这么多，更别说飞船本身的重量了
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djwkx 发表于
很遗憾，楼主搞错了一个基本事实，导致全盘计划只能成为不切实际的幻想
那就是－－－太阳风里并不存在氘 ...
太阳风里面存在氦3的。这也是一种核聚变原料。
搞定氦3与氦3之间的核聚变就不需要携带燃料了。
搞不定的话就携带一些氘，这样也比所有燃料都要携带强。
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超大游击队员
djwkx 发表于
很遗憾，楼主搞错了一个基本事实，导致全盘计划只能成为不切实际的幻想
那就是－－－太阳风里并不存在氘 ...
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该比地球轨道附近高几个数量级
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本帖最后由 djwkx 于
20:37 编辑
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...
氦3与氦3的聚变？
你知道这个反应的条件有多么极端吗？
太阳核心温度1500万K，压力2500亿个大气压（托卡马克中的等离子体热压强才10几个大气压）
即使是这样的超高温超高压，氦3与氦3的聚变所需的约束时间仍然高达3*10^5年
以人类的尺度而言，这根本就是不可能的
你只能寄希望于氘与氦3的聚变，然而这种聚变要求你携带氘燃料，一旦氘用完，氦3也就不起作用了，另一方面，没有了太阳风，氦3也就没有了---这两种核原料在太阳系内的加速过程中都是极其有限的
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本帖最后由 djwkx 于
21:13 编辑
太阳风里面含有4%的氦3。而且太阳风的发散比阳光的发散强烈的多。在靠近太阳的地方太阳风的粒子密度应该 ...
占太阳风所有粒子4%的是氦元素，不是氦3，而氦元素中氦3与氦4的比例仅为5∶10000。事实上，太阳每生成10000个氦4，才会生成一个氦3
至于太阳风的发散性，显然不可能高于光的发散性，高能粒子只要不碰到障碍物，它会一直向前高速运动，而光线即使不碰到任何介质，也会自然地发散
靠近太阳的地方也许会有较高的粒子密度，但越靠近太阳，引力就越强，到时候克服引力引发的能耗恐怕早就超出粒子密集带来的助益了
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占太阳风所有粒子4%的是氦元素，不是氦3，而氦元素中氦3与氦4的比例仅为5∶10000。事实上，太阳每生成1 ...
如果速度很快，逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的
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本帖最后由 djwkx 于
23:28 编辑
如果速度很快，逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的
你只适合写科幻小说
不管是持续太阳风还是扰动太阳风，都是一种物质抛射现象，而非球状爆炸．只要高能粒子是在真空中传播，没有碰上障碍物，粒子密度不可能产生数量级的变化，你那个“每立方厘米5万个”是怎么算出来的？如此稠密的粒子介质，你还能张开2万平方公里的磁场？巨大的阻力恐怕早就让你的飞船歇菜了吧
假定太阳风的粒子密度是100/cm^3，飞船相对于粒子的速度是1000公里/秒，飞船的磁场截面积为5万平方公里
则飞船在一秒之内收集到的粒子数量应为5*10^24个
而太阳风中4%的粒子是氦元素，且氦3与氦4的比例仅为5∶10000
因此一秒之内收集到的氦3数量应为9.995*10^19
考虑“氦3＋氘”的聚变反应，一对“氦3＋氘”可释放出18.4MeV
则飞船一秒之内可产生核能 2. J
而50万吨的飞船若每秒增加10m/s的速度，对应的每秒能耗就高达2.5*10^10 J
两者相差两个数量级，还是没戏
另外，你在新贴《开发宇宙的第一步：向着太阳冲锋》中说什么“工质喷速达到光速的1/10，同时加速度达到几百个g”？？
你不知道工质喷速和加速度是相互制约的吗？因为工质被喷出发动机的动能也来自于燃料的燃烧，工质喷速越高，其获得能量就越大，但飞行器获得的能量就越小，这样一来就无法得到大推力，只能得到极小的加速度
以你的狂想为例，工质喷速达到0.1c，由于“氦3＋氘”是生成“氦4+氢核”，所以聚变产物的质量应为8.36354*10^(-7)kg，这个质量若是达到0.1c，其动能应为3.792*10^8 J，这早就超出“氦3＋氘”产生的所有能量了，也就是说，你的飞船根本无法获得能量，即无法获得推力，加速度为0
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如果速度很快，逃逸太阳的引力很容易的。我写了个修正版本的
http://lt.cjdby.net/thread--1 ...
不过我可以告诉你一个好消息，我在本贴2楼的回复中故意漏了一个破绽，你能找出来吗？
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氦3与氦3的聚变？
你知道这个反应的条件有多么极端吗？
我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
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我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
亲太阳表层只有区区数千度
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我记得有人说太阳表面就能核聚变来着
那显然是胡说八道
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LZ啊，我不是叫你找找我在本贴第2楼的回复中故意放出的破绽吗？如果你能发现，你会有些许安慰的，呵呵
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最具影响力中文军事论坛 - Most Influential Chinese Military Forum太阳风是什么？
太阳大气分层图
太阳大气层由内而外可以分为光球层、色球层和日冕层。
太阳风是太阳活动的一种表现形式。太阳活动是指太阳大气层里一切活动现象的总称。主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。
遮住光球层后观察到的太阳日冕层
太阳风是发生在日冕层里的一种太阳活动，是从太阳大气层中向外射出的超声速等离子体带电粒子流。太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的高速带电粒子流。这种物质虽然与地球上的空气不同，不是由气体的分子组成，而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成，但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称它为太阳风。
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太阳风假想图
太阳风（solar wind）的密度与地球上风密度相比是非常稀薄而微不足道的。一般情况下，在地球附近的行星际空间中，每立方厘米有几个到几十个粒子，而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。然而太阳风虽十分稀薄，但它刮起来的猛烈劲，却远远胜过地球上的风。在地球上，12级台风的风速是每秒32.5米以上，而太阳风的风速，在地球附近却经常保持在每秒350～450千米，是地球风速的上万倍，最猛烈时可达每秒800千米以上。
如此之快的太阳风对地球会有极大的影响，好在我们有磁场保护，地球的磁场是的太阳风中的带电粒子沿着磁力线往两极移动，带电粒子在两极高空集聚，并和地球大气产生摩擦，从而产生了极光现象。
太阳风影响的范围有多远呢？目前来看可能整个太阳系都受其影响，在冥王星轨道以外的柯伊伯带里仍能探测到太阳风的作用。太阳系的半径若以冥王星轨道为限，为40个天文单位，约60亿千米。
太阳系示意图
由此我们设想既然太阳风很像地球上的风，那么我们人类在进行宇宙探测的时候能不能借助太阳风的能量来飞行呢？
太阳风风帆模拟图
答案应该是可行的，为此人类也已经开始了相关探索。美国宇航局的工程师们已经开始测试新型空间推进系统，这一系统将利用太阳释放出的大量粒子产生的推力，实现史无前例的加速，一旦成功，它将有望将人类的探索范围拓展至恒星际空间。
美宇航局实验假想图
日本为此还研制了一艘Ikaros太阳风风帆太空飞船飞向金星进行探测。
日本太阳风风帆在试验中打开
展开的太阳帆，面料闪闪发亮，像锡箔。它其实是镀上一层铝的聚脂薄膜材料。聚酯薄膜很寻常，但太阳帆薄得不寻常，只有100个原子厚。链、索、杆都是碳纤维复合材料。本身很轻，充气后才能勃起，硬如钢铁。扬起巨帆方能行大船。太阳帆也是越大越好。在刘宇艳等人撰写的《可展开太阳帆技术概述》中说，如果太阳帆直径300米，可以获得340牛顿的压力。让0.5吨的航天器在200天飞抵火星。如果直径2000米，就能把5吨重的航天器推出太阳系。
2005年6月，由于运载火箭发动机出现故障飞船未能进入预定轨道，太阳帆飞船“宇宙一号”实验失败。目前人类对于太阳风的利用还处在探索阶段，总有一天，我们会掌握相关技术，真正应用于宇宙探索之中。
声明：本文由入驻搜狐号作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。科学家发现太阳风离开太阳表面后可进一步加速至每秒500公里，其能量来源一直是个未知数
一组天文学家发现了太阳风的未知能量源，当前的太阳动力学研究显示，太阳风是一类高速运动的带电粒子流，可从太阳的两极和赤道区域释放出，美国宇航局的探测器监测显示，太阳风的速度为每秒500公里，科学家通过近十年的观测，获得了太阳风能量起源之谜的解释。这一发现使得科学家们试图解释困扰近十多年的太阳风之谜，是何种机制在对太阳风加热和加速呢？来自太阳外层大气的等离子体摆脱了太阳，向四周释放。
研究人员认为这就像我们在炉子上烧开水，在水沸腾的时候可形成蒸汽，而太阳正是一个巨大的“沸腾炉”。根据美国宇航局戈达德空间飞行中心科学家亚当·邵博介绍：“太阳风形成原理其实与厨房里的蒸汽类似，当蒸汽从锅里升起后会逐渐冷却，运动放缓。”然而，太阳风离开太阳表面后却一直在加速，穿过日冕等外层结构向周围的宇宙空间前进，数十年来，科学家正在寻找太阳风加速之谜，是何种机制对其进行能量补充。早在20世纪70和80年代，德国和美国研制的太阳神飞船通过观测发现了一些混合态的等离子体，磁流体波和湍流存在某种加热机制，推动太阳风前进。
哈佛-史密森天体物理中心科学家认为太阳风的加热源是离子回旋波，这是由围绕太阳磁场进行波浪式运动的质子流，对此，研究人员菲尔·伊森伯格的理论研究发现离子回旋波从太阳表面发出，被加热到数百万度和极高的速度。通过对太阳风的研究有助于我们研发光压飞船，将太阳光子携带的能量转化为驱动飞船前进的动力。当然，除了其能量源之谜外，太阳风还存在另一些奇特性质，比如重元素为何移动得更快，而且其温度比轻元素要高。
离子回旋理论认为重离子与离子回旋波之间存在共鸣，相比较于轻元素而言，可以获得更多的能量和热量目前，美国宇航局正计划向太阳发射一个新型太阳探测器，将于2018年发射，主要研究太阳的大气结构，在接近太阳表面大约700万公里的高度运行，需要承受住1400摄氏度的高温，具有较高的抗辐射水平。
腾讯科学讯（Everett/编译）NASA试验太阳帆欲借助太阳风太空飞行(组图)_科学探索_科技时代_新浪网
NASA试验太阳帆欲借助太阳风太空飞行(组图)
太阳帆能利用阳光进行太空探索
NASA工程师与其设计的纳米太阳帆
　　新浪科技讯 北京时间8月15日消息，据美国宇航局太空网报道，长期以来人们一直希望能像早期的帆船利用风能一样，通过太阳帆利用阳光进行太空探索。现在美国行星协会希望重新修改美国宇航局的一个太阳帆设计，第三次尝试把首个太阳帆放飞到太空中。
媒体来源：新浪播客
　　太阳帆并非试验得太少，但是由于受到最初推进方法的影响，以前利用太阳帆把交通工具送上太空的尝试从没取得成功。总部设在加利福尼亚州的行星协会曾尝试在2005年把“宇宙1”号太阳帆发射升空，但是由于俄罗斯的火箭出现故障，这次尝试并没成功。2008年美国宇航局利用美国太空探索技术(SpaceX))公司制造的“猎鹰1”号火箭第三次尝试把NanoSail-D太阳帆发射升空，但是由于火箭发射失败，这次尝试也不了了之。
　　2004年日本试图利用一枚探空火箭发射太阳帆，但是最终该国并没进行受控飞行。行星协会的这次最新尝试既要参考早期飞船项目采用的技术，又要从早期项目的教训中学习经验。加利福尼亚州帕萨迪纳行星协会常务董事路易斯?弗里德曼(Louis Friedman)说：“我们根据‘宇宙1’号设计了更多传统飞船，但是现在那些技术已经得到了发展。事实上你能获得一个更高性能的太阳帆，该帆拥有的飞船的质量更低。”
　　NanoSail-D可能为以后体型更小的飞船设计提供参考基准。美国宇航局本打算利用这个太阳帆探测太阳风压和地球大气阻力，但是由于它在受控太阳帆飞行过程中缺乏实际操作能力，因此这项计划最终以失败而告终。与之对比，“宇宙1”号拥有一个无线电系统、成像系统和一个可以控制飞船的微加速度计(Micro-Accelerometer)。
　　美国宇航局拥有NanoSail-D的备份部件，这些东西都储存在地球上，行星协会的工作小组会在夏末作出决定，制定出重新修改这个设计，以便实现远大目标的最好办法。以后的所有设计可能都比造价大约是400万美元的“宇宙1”号花费少得多。弗里德曼说：“对我们来说，如果能把费用降低一半，将是一件天大的幸事。”然而他表示，减少费用的同时要保证性能不能下降，而且新设计的太阳帆的加速度至少会跟“宇宙1”号一样好，甚至会比它更快一些。
　　未来太阳帆达到跟“宇宙1”号一样的速度，或者比它的速度更快是可能的，因为加速度跟面积除以质量得出的结果成比例，质量更小的飞船可以用来发射体积更小的太阳帆。行星协会的另一个迷你型太阳帆建议是由莫斯科太空研究所的俄罗斯宇航员提出的，他们也参加了“宇宙1”号项目。更小的太阳帆也为从俄罗斯“联盟”号的发射，到美国和其他地方的私人太空发射公司的一系列发射开辟了新的可能性。
　　太阳帆可以像“正方体微型卫星”(CubeSat)任务一样，作为二次有效载荷(secondary payload)被发射升空，科学家通过这种任务，可以把很多科研仪器送入太空。行星协会官员表示，比较理想的做法是，与太阳帆一起发射另一艘飞船，让它看着太阳帆展开。除此以外，研究人员还能通过这种任务获得一些非常有价值的数据，例如这种像蛛网一样的轻薄结构在微重力环境下会有什么反应。
　　确定太阳帆如何在太空运行，最终将导致在太空操作飞船就像在地球上驾驶船只一样令人安心，届时科学家甚至敢让它们迎着即将到来的太阳风航行。芬兰正在研发的太阳帆或许是这项最新设计的一大竞争对手。芬兰的太阳帆采用了跟电荷排斥(electrical charge repulsion)稍微有所不同的概念。电荷排斥利用带电太阳粒子。行星协会官员表示，他们打算在今年夏季对美国宇航局的NanoSail-D太阳帆备用件和俄罗斯的迷你型太阳帆概念进行的分析结束后，宣布这项可行性研究的结果。(孝文)
媒体来源：新浪播客
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