为什么不管是载人还是无人驾驶,都很难达到光速的1%呢?

时间:2020-10-17 08:57:19   作者:
所以光速的1%到底有多快?以米/秒为单位,大约是300万米/秒,或者用更容易理解的说法,大约是670万英里/小时。从这个角度来看,速度最快的人造物体之一是帕克太阳探测器,它的速度达到了每小时213200英里,大约是我们0.01摄氏度速度的3.1%。帕克太阳探测器能够达到如此惊人的速度,是几个因素的综合作用,首先是德尔塔IV重型火箭的发射。

为什么不管是载人还是无人驾驶,都很难达到光速的1%呢?

即使有这个强大的运载火箭,它也不可能达到接近它的任务参数,或者打破速度记录。为了实现这一目标,飞船将对金星进行七次近距离飞行,以缓慢降低它与太阳的最近距离。今年1月,它从离太阳194亿米的地方经过,它将在6月进行同样的飞越。2025年12月,探测器将在距离太阳中心69亿米或距离太阳表面62亿米的地方近距离飞越。这距离太阳只有9个太阳半径,可以达到每小时43万英里,或者说我们目标速度的6%。

正如其他答案所指出的,要达到光速的1%,第一个障碍就是燃料能量密度的问题。化学推进剂的密度还远不能达到接近目标的程度,化学火箭的最快速度是新视野号(New Horizons)探测器的发射,大约为每小时36400英里,而发射时使用的是阿特拉斯5号(Atlas V),这是目前服役中最强大的火箭之一。为了达到光速的1%,我们需要更高效、更强大的推进方式,可供选择的推进器有很多,在这里要提到的实在太多了。

下一个障碍是加速。作为人类,我们只能在持续的重力作用下存活很长一段时间,在你开始遇到器官衰竭之前,你实际上到达了一个点,我们体内的结构将真的被撕裂。加速度从1克(地球表面重力)的几分之一,到2到3克可能会持续相当长的一段时间,从几分之一克的几个月到1到2克,从几天或几个小时也许3克左右。一旦你进入更高的加速状态,通常只有在游乐园里几分之一秒的速度才能体验到,或者在高速飞机的机动过程中,你就会下降到不到几个小时。即使是更高的加速度,也需要更小的时间框架才能生存。人类所能承受的最高加速度是46.2 g,而这只持续了几分之一秒。

也就是说,用不了那么大的加速度就能达到光速的1%。如果你想以舒适的1g加速,需要305,810秒,也就是3.51天。以1g的速度加速运行的距离刚好是地球和太阳平均距离的4倍多。如果你以5倍的速度加速,也就是5g,这只需要61652秒,也就是17个小时,你只走了地球-太阳平均距离的62%。

正如其他回答指出的那样,以这种速度飞行的一个主要问题是碎片。即使在目前的太空旅行中,这也是一个问题,而我们的旅行速度要慢得多。随着速度越来越快,碎片的相对速度也越来越大,即使是最小的粒子最终也会变得致命。想象一粒沙子以每秒300万米的速度撞击目标。这样一个抛射体的动能是1.35兆焦耳,或者大约相当于一辆时速67英里的雪佛兰塔霍车的动能。让沙粒撞到你比卡车撞到你更糟糕的是沙粒的面积小得令人难以置信。正因为如此,小而快速移动的弹丸才能穿透那些容易让卡车停下来的材料。对于这个问题,任何合理的解决方案都会增加质量,从而降低你能加速到光速的1%的速度,也会降低你能走多远,这取决于你所拥有的燃料的数量。

另一个需要考虑的问题是,为了到达目的地,你必须放慢速度,除非目的地以光速的1%行进。这就是为什么在空间中任意两点之间以恒定加速度运动的最省时的方式是在一半路程中加速向目标移动,在另一半路程中减速。这样一来,导航问题就不需要考虑你能飞多快了,而在太空中,飞多快是毫无意义的,因为任何物体,只要有足够的时间、加速度和燃料,都能飞到某个不可思议的速度,而更多的是考虑最大加速度。如果有一个长期的恒定加速度,你可以在一周内到达太阳系内部的任何地方,在一个月内到达太阳系的任何地方,也许两个,取决于轨道位置。在月球上飞行大约需要3个半小时,相当于从伦敦到雅典的长途飞行时间。
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