復(fù)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(jī)，該發(fā)動機(jī)的動力產(chǎn)生方式源于復(fù)合式動量系統(tǒng)的動量特性（詳見論文），即該發(fā)動機(jī)以其獨特的復(fù)合式動量結(jié)構(gòu)，通過改變陀螺儀組的軸向運(yùn)動軌跡，生成整個系統(tǒng)單一軸向上的有效科里奧利力，進(jìn)而形成循環(huán)往復(fù)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(yùn)動。至于空間飛行器在三維坐標(biāo)系中的空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)。

圖1 可續(xù)能空間飛行器實驗室模型圖

力場發(fā)動機(jī)靠電能維持運(yùn)行，在宇宙中電能可以靠太陽能板收集轉(zhuǎn)化，這樣組合就達(dá)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(guān)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(wǎng)絡(luò)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(xué)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(jī)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(jìn)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(xué)能源所產(chǎn)生的高倍加速度使之達(dá)到光速。

以上這兩派學(xué)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(xué)說也被其他科學(xué)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(dǎo)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(xué)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(zhì)量將給飛行增加不小的負(fù)載；其二是高倍加速度飛行狀態(tài)下人體正常生理機(jī)能是無法適應(yīng)的。因此，上述兩派學(xué)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(rèn)為，出現(xiàn)眼下這種進(jìn)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(jìn)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(xué)異想天開的產(chǎn)物，所以大部分人及學(xué)者的潛意識中會認(rèn)為空間飛行器的工作方式應(yīng)該是只要其尾部的光束亮了，飛船就可以瞬間進(jìn)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(xué)技術(shù)想達(dá)到這種狀態(tài)還有很長一段距離。這就好比16世紀(jì)末蒸汽機(jī)還沒有誕生，人們已經(jīng)在憧憬火車應(yīng)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(shù)均為試驗性技術(shù)，應(yīng)該先拋開美好的憧憬，腳踏實地地在現(xiàn)有科技的基礎(chǔ)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(rèn)為至少應(yīng)該滿足以下四條：（1）飛船動力系統(tǒng)（發(fā)動機(jī)）其動量特性可通過常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其合成材料可通過地球物質(zhì)提煉加工而成。（2）飛船動力系統(tǒng)（發(fā)動機(jī)）所消耗的能源可以在外太空飛行條件下得到補(bǔ)充。（3）飛船在達(dá)到光速之前均可以獲得持續(xù)穩(wěn)定的能源補(bǔ)充。（4）外太空可提供充足的飛船補(bǔ)充能源。

結(jié)合第一章的內(nèi)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(xì)討論一下第三條與第四條。首先滿足第三條需要的基礎(chǔ)條件是能源在補(bǔ)充過程中其傳播速度達(dá)到光速，可續(xù)能空間飛行器上裝設(shè)的太陽能板所收集的太陽能剛好可以滿足這一基礎(chǔ)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(zhuǎn)播速度為光速。其次滿足第四條需要的基礎(chǔ)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(bǔ)充能源。當(dāng)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(chǔ)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(jìn)去，不到之處還望專家學(xué)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(jié)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(guān)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(jī)在做勻加速直線運(yùn)動時其運(yùn)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(chǎn)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(shè)進(jìn)行粗略計算。

3.1 參數(shù)設(shè)定

可續(xù)能空間飛行器體積：小于75m3

力場發(fā)動機(jī)的聯(lián)動方式：雙軸聯(lián)動

力場發(fā)動機(jī)的驅(qū)動形式：四驅(qū)形式

雙軸電動機(jī)：采用超低速大扭矩電動機(jī)

數(shù)量：2臺

額定轉(zhuǎn)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(zhì)量 ：100kg（m1）

陀螺儀：采用高速大功率外轉(zhuǎn)子電動機(jī)

數(shù)量：8臺

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min（含負(fù)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(zhì)量 ：12kg（m2，負(fù)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(qiáng)度合金

重量 ：80kg（m5）

根據(jù)上述參數(shù)的可下調(diào)裕度，其它配件重量可忽略不計，進(jìn)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(chǎn)民用設(shè)備參數(shù)，如果從專業(yè)角度按目前最新科技設(shè)計，可在此基礎(chǔ)上相應(yīng)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(jìn)動特性可知：Ω=M/H

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

M-外力矩（即為陀螺儀反向扭矩T）

H–陀螺儀轉(zhuǎn)子動量矩

因此，單臺陀螺儀所產(chǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

ω–陀螺儀轉(zhuǎn)子角速度（314rad/s，見陀螺儀參數(shù)）

因此，單臺陀螺儀所產(chǎn)生的反向扭矩為：

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理可知：

其中：m–陀螺儀轉(zhuǎn)子質(zhì)量（10.5kg，見陀螺儀參數(shù)）

r–轉(zhuǎn)子質(zhì)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(chǎn)生的反向扭矩為：

因為單臺雙軸電動機(jī)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(jī)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(chǎn)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(chǎn)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(dá)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(jìn)一步計算出可續(xù)能空間飛行器速度從0達(dá)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(jié)語

天文學(xué)家普遍認(rèn)為50億年前形成太陽及其行星的星云殘余物質(zhì)包圍著太陽系，并稱之為奧爾特云，是一個假設(shè)包圍著太陽系的球體云團(tuán)，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(jié)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(yùn)動，可在到達(dá)奧爾特云時接近光速。當(dāng)然考慮到太陽光的傳播過程衰減，以及力場發(fā)動機(jī)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?cè)電W爾特云之前達(dá)到光速，不過在穿越奧爾特云之后達(dá)到光速的可能性仍是存在的，前提假設(shè)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(bǔ)給，進(jìn)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(guān)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(shù)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(shù)的突破對于人類來說將是動量系統(tǒng)史上質(zhì)的飛躍。不過以人類目前科技水平想達(dá)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(zhì)量的比值，即飛船加速度無法實現(xiàn)大于等于9.8m/s2。

想達(dá)到這一目的，眼下我們可以向兩方面進(jìn)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(zhì)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)子的角速度成正比，通俗理解就是增大轉(zhuǎn)子質(zhì)量或提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jī)以完成陀螺儀輪動工作），這里作者更傾向于提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法，主要原因是增大轉(zhuǎn)子質(zhì)量的方法本身與上述降低飛船總質(zhì)量相沖突。提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過建立更高效的電磁旋轉(zhuǎn)機(jī)制實現(xiàn)。即通過研發(fā)合成超導(dǎo)高散熱材料，以取代電機(jī)中導(dǎo)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(jī)中磁石等方式來完成。相比之下超導(dǎo)高散熱材料更容易實現(xiàn)，石墨烯提煉技術(shù)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(zhì)量，滿足這一要求方法相對單一，即生產(chǎn)出超輕、高強(qiáng)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(chǎn)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)單元。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。）

以上是作者對人類未來仿重力飛行技術(shù)的憧憬，也許有一天當(dāng)石墨烯材料真的可以實現(xiàn)量化生產(chǎn)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(guān)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(jī)也要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，在原發(fā)明中發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(jī)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(jī)制。在這種情況下輪動陀螺儀組力場發(fā)動機(jī)在做勻加速直線運(yùn)動時，其運(yùn)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(jī)制方式下陀螺儀組產(chǎn)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(jī)制方式下陀螺儀組產(chǎn)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(dá)到地球重力值的話，該浮動區(qū)間是人類生理機(jī)能可以適應(yīng)的，下面對其在仿重力飛船理論模型上的理想假設(shè)進(jìn)行粗略計算。

5.1 參數(shù)設(shè)定

可續(xù)能空間飛行器體積：小于75m3

力場發(fā)動機(jī)的聯(lián)動方式：八軸聯(lián)動

力場發(fā)動機(jī)的驅(qū)動形式：四驅(qū)形式

雙軸電動機(jī)：采用超低速大扭矩電動機(jī)

數(shù)量：2臺

額定轉(zhuǎn)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(zhì)量 ：200kg（m1）

陀螺儀：采用高速大功率外轉(zhuǎn)子電動機(jī)

數(shù)量：3臺

額定轉(zhuǎn)速：2000r/min（含負(fù)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(zhì)量 ：10kg（m2，負(fù)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(qiáng)度合金

重量 ：150kg（m5）

根據(jù)上述參數(shù)的可下調(diào)裕度，其它配件重量可忽略不計，進(jìn)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(chǔ)上根據(jù)實際需求調(diào)整所得，與實際應(yīng)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(shè)計，可在此基礎(chǔ)上做進(jìn)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(jìn)動特性可知：Ω=M/H

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

M-外力矩（即為陀螺儀反向扭矩T）

H–陀螺儀轉(zhuǎn)子動量矩

因此，單臺陀螺儀所產(chǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

ω –陀螺儀轉(zhuǎn)子角速度（314rad/s，見陀螺儀參數(shù)）

因此，單臺陀螺儀所產(chǎn)生的反向扭矩為：

T=0.68H=0.68J*ω

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理可知：

J=m*r2

其中：m–陀螺儀轉(zhuǎn)子質(zhì)量（7.5kg，見陀螺儀參數(shù)）

r–轉(zhuǎn)子質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(chǎn)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(jìn)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(jié)

通過上述計算可知結(jié)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(chǔ)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(shè)，實際應(yīng)用還會有一定的出入，至于出入有多大這里就不詳細(xì)討論了，此方案也僅供讀者參考。

不過在此基礎(chǔ)上采用目前人類相關(guān)方面的最高科技，我們或許可以達(dá)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(chǎn)出質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的工程材料，將本模型中的飛船整體質(zhì)量降至在805kg以下的話，那么仿重力飛船便不再是假設(shè)，人類也將邁入星際探索的新紀(jì)元！

6 結(jié)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(zhuǎn)化為電能，并以此維持力場發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行，產(chǎn)生穩(wěn)定動力源，達(dá)到飛行器空間飛行可續(xù)能的目的。

（2）結(jié)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(yùn)動，可在到達(dá)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(jìn)來，需要假設(shè)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(bǔ)給，進(jìn)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(jié)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(chǔ)上只能模擬地球重力70%的水平。若采用目前人類相關(guān)方面的最高科技，或許可以達(dá)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(shù)的蓬勃發(fā)展或許可使該項技術(shù)進(jìn)入實體實驗階段。