復合式動量系統(tǒng)與未來空間飛行器

曹峻峰

（哈爾濱市卓加科技有限公司，黑龍江哈爾濱，150010）

1 可續(xù)能空間飛行器的工作原理

可續(xù)能空間飛行器的動力系統(tǒng)為力場發(fā)動機，該發(fā)動機的動力產生方式源于復合式動量系統(tǒng)的動量特性（詳見論文），即該發(fā)動機以其獨特的復合式動量結構，通過改變陀螺儀組的軸向運動軌跡，生成整個系統(tǒng)單一軸向上的有效科里奧利力，進而形成循環(huán)往復的矢量力場，該力場亦可稱為正弦矢量力場（詳見發(fā)明）。因此，可續(xù)能空間飛行器可在該力場的作用下，做周期性勻加速直線運動。至于空間飛行器在三維坐標系中的空間旋轉運動這里不做過多描述。其實驗室操作模型可通過齒輪傳動的方式實現(xiàn)系統(tǒng)運。

圖1 可續(xù)能空間飛行器實驗室模型圖

力場發(fā)動機靠電能維持運行，在宇宙中電能可以靠太陽能板收集轉化，這樣組合就達到了空間飛行器可續(xù)能的目的。以上為可續(xù)能空間飛行器的工作原理。

2 關于光速飛船的可行性討論

對于光速飛船的理論可行性，目前網絡能查到的觀點主要分為兩大派，一派是類似黑科技的“曲速引擎”，即墨西哥物理學家米格爾·阿庫別瑞在1994年提出阿庫別瑞引擎。這是一種理論上的機制，可以使宇宙飛船在周圍形成的“曲速泡”中扭曲時空，從而進行超光速飛行。另一派是相對現(xiàn)實的“高能飛船”，即通過高效化學能源所產生的高倍加速度使之達到光速。

以上這兩派學說就目前人類科技水平而言，實現(xiàn)起來均存在很大難度。我們先說“曲速引擎”，之前也只是在科幻小說中聽說過，目前也只是停留在理論論述階段，還沒有一套完整可行的方案以供實驗。并且該學說也被其他科學家證實存在一定的弊端，即阿庫別瑞引擎裝置會令時空過度扭曲，導致宇宙飛船釋放出大量的高能粒子，并最終發(fā)生毀滅性爆炸。這種裝置不可能使超光速宇宙飛船安全著陸，更別說載人飛行了。相對而言“高能飛船”的學說要現(xiàn)實很多，但要從載人航天的角度實施起來亦存在兩個硬性問題。其一是高效能源本身的質量將給飛行增加不小的負載；其二是高倍加速度飛行狀態(tài)下人體正常生理機能是無法適應的。因此，上述兩派學說所提供的方案以人類目前的科技水平還無法實現(xiàn)，只能靜等人類科技的攀升。

不過作者認為，出現(xiàn)眼下這種進退兩難的狀況并非人類科技瓶頸所限，也可能是我們在航天飛行邏輯上走進了一個誤區(qū)，其主要原因是近代科幻小說及電影的影響，大部分涉及航天飛行的科幻小說或電影都是人們跳出科學異想天開的產物，所以大部分人及學者的潛意識中會認為空間飛行器的工作方式應該是只要其尾部的光束亮了，飛船就可以瞬間進入超高速或光速狀態(tài)。不是說這種想法不正確，只是以目前人類科學技術想達到這種狀態(tài)還有很長一段距離。這就好比16世紀末蒸汽機還沒有誕生，人們已經在憧憬火車應該是磁懸浮的一樣。

目前我們正處在宇宙探索的初期，所有航天飛行的技術均為試驗性技術，應該先拋開美好的憧憬，腳踏實地地在現(xiàn)有科技的基礎上鉆研、實踐、升級。下面我們討論一下以目前科技水平制造光速飛船需要滿足的條件。作者認為至少應該滿足以下四條：（1）飛船動力系統(tǒng)（發(fā)動機）其動量特性可通過常規(guī)機械結構實現(xiàn)，其合成材料可通過地球物質提煉加工而成。（2）飛船動力系統(tǒng)（發(fā)動機）所消耗的能源可以在外太空飛行條件下得到補充。（3）飛船在達到光速之前均可以獲得持續(xù)穩(wěn)定的能源補充。（4）外太空可提供充足的飛船補充能源。

結合第一章的內容我們可知，第一條和第二條的條件通過可續(xù)能空間飛行器的工作原理便可實現(xiàn)。下面我們詳細討論一下第三條與第四條。首先滿足第三條需要的基礎條件是能源在補充過程中其傳播速度達到光速，可續(xù)能空間飛行器上裝設的太陽能板所收集的太陽能剛好可以滿足這一基礎條件，即太陽能是靠太陽光傳播，太陽光以光子形式傳播，光子的轉播速度為光速。其次滿足第四條需要的基礎條件是外天空有充足的恒星可提供太陽能，即恒星能（太陽能是指太陽的熱輻射能，理論上所有恒星都具備這樣的能量，并且該能量時時向外傳播，“太陽”是人類給太陽系中的恒星所起的名字，因此本文中所提到的“太陽能”亦可稱為“恒星能”）。稍微了解天文知識的讀者一般都知道銀河系擁有數(shù)以千億計的恒星，它們中的每一顆都是獨一無二的，并且都可以發(fā)光，以此源源不斷的向外界傳播恒星能。如此龐大數(shù)量的恒星即可為飛船提供充足的補充能源。當然，寄于對人類科技的展望，微型核電池的誕生也可以讓我們在不依靠恒星能源的條件下實現(xiàn)光速飛行。

上述討論范圍是作者根據(jù)現(xiàn)有理論所建立的光速飛行基礎條件，也只是最少需要滿足的條件，還有很多實際問題沒有考慮進去，不到之處還望專家學者們多多指教，但就以上問題的理論分析可知，以人類目前科技水平結合可續(xù)能空間飛行器的工作原理實現(xiàn)光速飛行是有一定可行性的。

3 關于光速飛船的理論模型算

圖2 光速飛船理論模型圖

輪動陀螺儀組力場發(fā)動機在做勻加速直線運動時其運動模式很像船的雙槳在水中劃水（如圖2），因此在此過程中力場的大小是成正弦曲線變化的，其變化最大值為陀螺儀組產生科里奧利力矩的總和（詳見論文及發(fā)明）。下面對其在光速飛船理論模型上的理想假設進行粗略計算。

3.1 參數(shù)設定

可續(xù)能空間飛行器體積：小于75m3

力場發(fā)動機的聯(lián)動方式：雙軸聯(lián)動

力場發(fā)動機的驅動形式：四驅形式

雙軸電動機：采用超低速大扭矩電動機

數(shù)量：2臺

額定轉速：6.5r/min

額定角速度：0.68rad/s

額定扭矩：2200N.m（力臂：1m）

額定功率：1.5kW

質量 ：100kg（m1）

陀螺儀：采用高速大功率外轉子電動機

數(shù)量：8臺

額定轉速：3000 r/min（含負載）

額定角速度：314 rad/s

額定扭矩：950 N.m（力臂：0.7m）

額定功率：0.3 kW

質量 ：12kg（m2，負載部分為 10.5kg）

蓄電池組：采用高密度鋰電池

存儲電量：30000Wh

重量 ：50kg（m3）

太陽能板：采用超輕柔性太陽能板

功率：6kW

重量 ：120kg（m4）

外殼及框架：采用超輕高強度合金

重量 ：80kg（m5）

根據(jù)上述參數(shù)的可下調裕度，其它配件重量可忽略不計，進而得可續(xù)能空間飛行器總重量m=m1*2+m2*8+m3+m4+m5=1 00*2+12*8+50+120+80=546kg。

以上參數(shù)來自于百度搜索，均為國產民用設備參數(shù)，如果從專業(yè)角度按目前最新科技設計，可在此基礎上相應提高，本參數(shù)僅供粗略計算參考。

3.2 理論計算

根據(jù)陀螺儀進動特性可知：Ω=M/H

其中：Ω-陀螺儀進動角速度（0.68rad/s，見雙軸電動機參數(shù)）

M-外力矩（即為陀螺儀反向扭矩T）

H–陀螺儀轉子動量矩

因此，單臺陀螺儀所產生的反向扭矩為：

T=M=H*Ω=0.68H

根據(jù)角動量守恒原理可知：

H=J*ω

其中：J–陀螺儀轉子轉動慣量

ω–陀螺儀轉子角速度（314rad/s，見陀螺儀參數(shù)）

因此，單臺陀螺儀所產生的反向扭矩為：

根據(jù)經典力學原理可知：

其中：m–陀螺儀轉子質量（10.5kg，見陀螺儀參數(shù)）

r–轉子質點到陀螺儀軸心距離（0.7m，見陀螺儀參數(shù)）

因此，4臺陀螺儀所產生的反向扭矩為：

因為單臺雙軸電動機額定扭矩為2200 N.m，并且4394.24 N.m≤2200 N.m *2，所以該配置可以滿足可續(xù)能空間飛行器正常工作需求。

根據(jù)杠桿原理可知：

其中：FMAX–陀螺儀組反作用力的最大值

L–輪動陀螺儀組反向扭矩力臂（1m，見雙軸電動機參數(shù)）

因此，輪動陀螺儀組反作用力最大值為：

根據(jù)正弦波特性可知：

其中：FMEAN–陀螺儀組反作用力的平均值

K–正弦波平均值系數(shù)（0.6366）

因此，可續(xù)能空間飛行器上正弦矢量立場所產生的平均推力為：

F= FMEAN=4394.24*0.6366≈2797.37 N.m根據(jù)動量守恒原理可知：

其中：F–正弦矢量立場所產生的平均推力

m–光速飛船總重量

v-光速（3*105km/s）

因此，可續(xù)能空間飛行器速度從0達到光速所需要的時間為：

t=mv/F=546*3*105*103/2797.37

=58659848.09s≈16294.40h≈679day

因此，根據(jù)加速度公式可以進一步計算出可續(xù)能空間飛行器速度從0達到光速所行駛的直線距離為：

S=（1/2）at2=（1/2）(v/t)t2=（1/2）vt

=0.5*3*105*58659848.09≈8.80*1012km

≈58824.37AU≈0.854ly

其中：AU - 天文單位，1AU=149597870.7km

ly - 光年，1ly≈9.46*1012km

3.3 結語

天文學家普遍認為50億年前形成太陽及其行星的星云殘余物質包圍著太陽系，并稱之為奧爾特云，是一個假設包圍著太陽系的球體云團，布滿著不少不活躍的彗星，距離太陽約50000至100000個天文單位，差不多等于一光年。

通過上述計算可知結合可續(xù)能空間飛行器的光速飛船模型在不間斷供電的情況下，持續(xù)做勻加速直線運動，可在到達奧爾特云時接近光速。當然考慮到太陽光的傳播過程衰減，以及力場發(fā)動機與太陽能板的工作效率，以地球為起始點的話，目前人類科技尚無法使該模型在駛入奧爾特云之前達到光速，不過在穿越奧爾特云之后達到光速的可能性仍是存在的，前提假設上述光速飛船模型可以在不減速的狀態(tài)下順利穿越奧爾特云，并在無任何阻礙的情況下飛入其它恒星星系，從而繼續(xù)得到恒星能源補給，進而有望將該模型的直線飛行速度提高至接近光速或光速。

4 關于仿重力飛船的可行性討論

仿重力飛船相對于光速飛船的可行性技術難度要大得多，理論上如果人類真的制造出加速度接近重力的飛船，那么通過該飛船反向重力加速度與地球重力加速度的抵消方式亦可實現(xiàn)飛船的地表大氣懸浮狀態(tài)。所以這一技術的突破對于人類來說將是動量系統(tǒng)史上質的飛躍。不過以人類目前科技水平想達到該項成果可以說幾乎不可能，主要原因是飛船本身加速力場與其質量的比值，即飛船加速度無法實現(xiàn)大于等于9.8m/s2。

想達到這一目的，眼下我們可以向兩方面進行科技拓展，其一是增大飛船加速力場，其二是降低飛船的總質量。就增大飛船加速力場而言，根據(jù)陀螺儀的定軸特性可知，陀螺儀的穩(wěn)定性與轉子的轉動慣量及轉子的角速度成正比，通俗理解就是增大轉子質量或提高轉子轉速均可增大飛船的加速力場（在飛船加速力場增大的同時還需配置更大扭矩的低速電機以完成陀螺儀輪動工作），這里作者更傾向于提高轉子轉速的方法，主要原因是增大轉子質量的方法本身與上述降低飛船總質量相沖突。提高轉子轉速可以通過建立更高效的電磁旋轉機制實現(xiàn)。即通過研發(fā)合成超導高散熱材料，以取代電機中導電材料；或通過高純度提煉配合高密度合成工藝加工超高磁性磁石，以升級電機中磁石等方式來完成。相比之下超導高散熱材料更容易實現(xiàn)，石墨烯提煉技術的升級即符合這個發(fā)展方向。接下來我們再說一下如何降低飛船的總質量，滿足這一要求方法相對單一，即生產出超輕、高強度的工程材料以取代原飛船的整體框架及外殼。這樣看來石墨烯材料的量化生產也恰好符合這個發(fā)展方向。

（注：石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。是除金剛石以外所有碳晶體的基本結構單元。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業(yè)革命。）

以上是作者對人類未來仿重力飛行技術的憧憬，也許有一天當石墨烯材料真的可以實現(xiàn)量化生產時，我們實現(xiàn)仿重力飛行、行星大氣懸浮、星際旅行等科幻場景便不再是夢想！

5 關于仿重力飛船的理論模型算

圖3 仿重力飛船理論模型圖

相對光速飛船模型，仿重力飛船模型所配置的力場發(fā)動機也要進行相應的改進，在原發(fā)明中發(fā)動機結構基礎上增加陀螺儀對數(shù)，如果將原有方式稱之為雙軸聯(lián)動機制的話，那么仿重力飛船的理論模型完全可將原有方式升級至八軸聯(lián)動機制。在這種情況下輪動陀螺儀組力場發(fā)動機在做勻加速直線運動時，其運動模式很像船有八只槳在水中劃水（如圖3），因此在此過程中力場的大小也是成正弦曲線變化的，其變化最大值為雙軸聯(lián)動機制方式下陀螺儀組產生科里奧利力矩總和的2.614倍，變化最小值為雙軸聯(lián)動機制方式下陀螺儀組產生科里奧利力矩總和的2.414倍。這樣便可使得仿重力飛船加速度的變化區(qū)間在加速度平均值的±4%區(qū)間浮動，也就是說如果加速度可以達到地球重力值的話，該浮動區(qū)間是人類生理機能可以適應的，下面對其在仿重力飛船理論模型上的理想假設進行粗略計算。

5.1 參數(shù)設定

可續(xù)能空間飛行器體積：小于75m3

力場發(fā)動機的聯(lián)動方式：八軸聯(lián)動

力場發(fā)動機的驅動形式：四驅形式

雙軸電動機：采用超低速大扭矩電動機

數(shù)量：2臺

額定轉速：6.5r/min

額定角速度：0.68rad/s

額定扭矩：4200N.m（力臂：1m）

額定功率：3.0kW

質量 ：200kg（m1）

陀螺儀：采用高速大功率外轉子電動機

數(shù)量：3臺

額定轉速：2000r/min（含負載）

額定角速度：314rad/s

額定扭矩：950N.m（力臂：0.7m）

額定功率：0.2kW

質量 ：10kg（m2，負載部分為 7.5kg）

蓄電池組：采用高密度鋰電池

存儲電量：40000Wh

重量 ：70kg（m3）

太陽能板：采用超輕柔性太陽能板

功率：10kW

重量 ：200kg（m4）

外殼及框架：采用超輕高強度合金

重量 ：150kg（m5）

根據(jù)上述參數(shù)的可下調裕度，其它配件重量可忽略不計，進而得可續(xù)能空間飛行器總重量m=m1*2+m2*32+m3+m4+m5=200*2+10*32+70+200+150=1140kg。

以上參數(shù)為作者在光速飛船理論模型的基礎上根據(jù)實際需求調整所得，與實際應用參數(shù)比較會有一定出入，如果從專業(yè)角度按目前最新科技設計，可在此基礎上做進一步提高，本參數(shù)僅供粗略計算參考。

5.2 理論計算

根據(jù)陀螺儀進動特性可知：Ω=M/H

其中：Ω-陀螺儀進動角速度（0.68rad/s，見雙軸電動機參數(shù)）

M-外力矩（即為陀螺儀反向扭矩T）

H–陀螺儀轉子動量矩

因此，單臺陀螺儀所產生的反向扭矩為：

TGR=M=H*Ω=0.68H

根據(jù)角動量守恒原理可知：

H=J*ω

其中：J –陀螺儀轉子轉動慣量

ω –陀螺儀轉子角速度（314rad/s，見陀螺儀參數(shù)）

因此，單臺陀螺儀所產生的反向扭矩為：

T=0.68H=0.68J*ω

根據(jù)經典力學原理可知：

J=m*r2

其中：m–陀螺儀轉子質量（7.5kg，見陀螺儀參數(shù)）

r–轉子質點到陀螺儀軸心距離（0.7m，見陀螺儀參數(shù)）

因此，14臺至16臺陀螺儀所產生的平均反向扭矩為：TMEAN=4*2.514*T=4*2.514*H*Ω=4*2.514*m*J*ω*Ω=4*2.514*m* r2*ω*Ω=4*2.514*7.5*0.72*314*0.68≈7890.80N.m

14臺至16臺陀螺儀所產生的最大反向扭矩為：TMIX=4*2.614*T=4*2.614*H*Ω=4*2.614*m*J*ω*Ω=4*2.614*m* r2*ω*Ω=4*2.614*7.5*0.72*314*0.68≈8204.68N.m

因為單臺雙軸電動機額定扭矩為4200N.m，并且8204.68N.m≤4200N.m *2，所以該配置可以滿足可續(xù)能空間飛行器正常工作需求。

根據(jù)杠桿原理可知：

FMEAN=TMEAN/L

其中：FMAX–陀螺儀組反作用力的最大值

L–輪動陀螺儀組反向扭矩力臂（1m，見雙軸電動機參數(shù)）

因此，輪動陀螺儀組反作用力平均值為：FMEAN=7890.80N

根據(jù)正弦波特性可知：

八軸聯(lián)動機制的正弦浮動范圍為其平均值的±4%

因此，可續(xù)能空間飛行器上正弦矢量立場所產生的平均推力范圍為：

F= FMEAN±4%=7890.80N±4%

因此，根據(jù)加速度公式可以進一步計算出可續(xù)能空間飛行器加速度范圍為：

A=F/m=（7890.80/1140）±4% ≈ 6.92±4%m/s2

5.3 小結

通過上述計算可知結合可續(xù)能空間飛行器的仿重力飛船模型在目前民用科技的基礎上只能模擬地球重力70%的水平。上述計算也只是理想情況下的假設，實際應用還會有一定的出入，至于出入有多大這里就不詳細討論了，此方案也僅供讀者參考。

不過在此基礎上采用目前人類相關方面的最高科技，我們或許可以達到模擬地球重力80%甚至更高的水平，放眼未來如果我們能生產出質量更輕、強度更高的工程材料，將本模型中的飛船整體質量降至在805kg以下的話，那么仿重力飛船便不再是假設，人類也將邁入星際探索的新紀元！

6 結論

（1）可續(xù)能空間飛行器可以通過其自身配置的太陽能板將太陽能收集轉化為電能，并以此維持力場發(fā)動機的正常運行，產生穩(wěn)定動力源，達到飛行器空間飛行可續(xù)能的目的。

（2）結合可續(xù)能空間飛行器的光速飛船模型在理想情況下，持續(xù)做勻加速直線運動，可在到達奧爾特云時接近光速。如果把現(xiàn)實環(huán)境中的不可行因素考慮進來，需要假設該光速飛船模型可以在不減速的狀態(tài)下順利穿越奧爾特云，并在無任何阻礙的情況下飛入其它恒星星系，從而繼續(xù)得到恒星能源補給，進而有望將該模型的直線飛行速度提高至接近光速或光速。

（3）結合可續(xù)能空間飛行器的仿重力飛船模型在目前民用科技的基礎上只能模擬地球重力70%的水平。若采用目前人類相關方面的最高科技，或許可以達到模擬地球重力80%甚至更高的水平。寄于對人類科技發(fā)展的厚望，石墨烯技術的蓬勃發(fā)展或許可使該項技術進入實體實驗階段。