焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

当你在新墨西哥州旷野上看到这巨大的建筑物时,一定不会想这居然是NASA一个将用来发射卫星进入近地轨道的设备,它究竟是什么原理?未来是否会大行其道?或者能否被我们所参考,这些未知的问题,下文将试图分析并回答。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

离心力”发射,各位小时候的梦想成真

这个巨大的结构看起来是一个像是一个6字,主要是其庞大的圆盘结构,它的原理很简单,利用高速旋转的结构,在其线速度满足要求时释放有效载荷,让其从6字形的顶端开口释放出来。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

不知道各位有没有想过类似的方案,至少种花家小时候特别爱胡思乱想,还真考虑过这样的发射方案,实在没想到的是现在NASA居然真的将其付诸实施了,而且还建造出了实物,从理论上来看,这种发射成本很低,估计人人都能付得起发射卫星上太空的价钱。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

到底有多低呢?我们来简单做个计算,假如发射一颗250千克重的卫星,别以为这干不了啥事,马斯克的星链卫星才227千克~277千克左右,能干很多事情了,所以以250千克为准,将其加速到7.9千米/秒(第一宇宙速度),这得花多少钱呢?

250千克,7.9千米/秒速度,动能为:7801250000焦耳

满足250千克达到第一宇宙速度需要耗能为7801250000焦耳能量,如何计算其价值呢?因为旋转的方式很容易通过电能来获取,比如通过一台超大的电动机,让其高速旋转,输入电能一直加速到线速度满足第一宇宙速度,那么需要消耗多少电能呢?

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

7801250000 焦耳=2167.0138889 千瓦·时

大约是2167度,假如这个系统的效率大约是80%(电机损耗以及传动机械损耗等),那么总共消耗的电能约为2708度,按工业电约1.1元/度算,也就3000块人民币不到,美国电价更低,折合人民币都不要1块钱,这发射一颗卫星只要500美元都不到,真到那会,估计种花家都打算发射一颗卫星玩玩。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

成本确实是够低了,那么究竟是怎么发射出去的呢?

NASA介绍了这种发射机构的发射原理,尽管就像大家猜想的那样,但仍然有所出入,下面是其“发射”流程:

  • 1、将载荷装入巨型“环形加速器”;
  • 2、将“环形加速器”内部抽成真空,然后加速到数倍音速;
  • 3、旋转系统不使用火箭燃料,一般使用电能;
  • 4、到达要求速度时在出口切线点释放载荷,达到高超音速的载荷从打开口的出口飞出;

看起来似乎不难,而且成本也很低,那么究竟是不是会成为未来方向呢?

低成本发射,究竟是否值得参考?

其实这个看似“革命性”的发射装备要考虑很多问题,首先第一个,假如加速到第一宇宙速度的话会有两个问题,首先是低空稠密大气层的阻力,那么必须将载荷的空气动力结构模拟在大气层中的速度衰减,加入减速部分,也就是说在发射设备出口的速度要高于7.9千米/秒。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

但另一个问题是7.9千米/秒至少是23倍音速,属于极端超音速行列,其气动加热会非常恐怖,相当于从太空重返大气层的“摩擦”燃烧阶段,因此这就成了一个非常大的问你题。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

解决方案:将其加速度到热障速度以内,比如3-4千米/秒,也就是说起外壳不需要达到抗热2000℃,比如在600~800℃即可,达不到第一宇宙速度怎么办?需要一截火箭将其继续加速到第一宇宙速度。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

另一个补充则是尽量将其建设在高原地区,因为高原本身就已经有了基础高度,而且空气更稀薄,速度衰减也大幅度减少,更是节省了能量。

但最严重的问题出现了

假如使用火箭的话,究竟能在如此高的“离心力”作用下还不会解体,比如这台设备的尺寸如下图:

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

自由女神像的净高约为46米,其头部到足底与发射设备直径相当,约为35米总有,假设将其加速到3.5千米/秒,那么一枚250千克重的火箭会遭遇多大的“离心力”呢?

大约为:19670.8吨-力

估计绝不可能是薄壳型结构的液体火箭,这种装备在如此极端的离心力下早就解体了,一定要是反复加固过的固体火箭,甚至在如此强大的离心力下,内部已经被反复固化的固体燃料都可能重新分配,实在够呛。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

显然这也不可能用来发射载人飞船,人在这样的设备内,还没有发射就已经“解体”了,估计最多也就只能用来发射个超级坚固的卫星玩玩,要么将这个“摩天轮”直径扩大几十倍,将所受到的“离心力”降低。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

真正有前途的低成本发射系统

这种离心发射系统优势明显,但缺点也显而易见,是否值得我们中国人学习这并不是一个问题,毕竟我们的思路并非局限能在这个“离心发射”上,但这种创新的思维还是可以考虑下的,我们的方法也许更彰显科技感!

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

电磁发射系统

电磁弹射系统近几年来已经成熟了,建设一个巨大的环形真空隧道,比如30千米半径的隧道上逐渐加速,等到其适合极加速并且将超出人体承受的“离心加速度”范围时,将其引入一条倾斜向上的直线加速轨道进行极加速,然后出口则在某个高原,比如青藏高原某座海拔超过8千米的山顶。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

此处空气比较稀薄,真空管道可以降低阻力,另在开口处约一段1千米左右的隧道设置两个气闸,杜绝外界的空气进入隧道,避免每次抽真空成本太高。

焦耳和千瓦时的换算率(焦耳和千瓦时的换算关系)

这种状态下,加速度导致的过载可以在人体承受极限下,整体舒适度会比较高,适合载人飞船发射,同样也适合发射非生命载荷,笔者估计再过几年类似的发射系统一定会登场,毕竟现代的火箭发射成本实在是太高了,而风电、光电等电能却在白白浪费,能让这些电能用来发射近地轨道航天器,那真的是一个革命性的进步。

本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 sumchina520@foxmail.com 举报,一经查实,本站将立刻删除。
如若转载,请注明出处:https://www.dasum.com/12656.html