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飞船越大,推进器就越大吗?

发表于 2019-1-21 14:10:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
R:单人船的半径 L:推进器的直径

现在,如果我想把我的飞船变得大一些会怎么样?让我继续这个话题,把一些相关的因素都挖掘出来。

推进器做的是什么工作呢?这是一个很大的问题。在真正的航天器里,推进器是用来改变航天器动量的。你可以把推进器理解为一种对航天器施力使其加速的仪器。如果你把推进器打开一段很长的时间会怎么样?它会继续保持加速。你看出问题所在了吗?因为空气阻力的缘故,大多数科幻小说里出现的航天器使用了推进器,却以恒定的速度飞行。

问题的关键是,虽然和电影里的情节矛盾,我将依然假设推进器对飞船进行加速,现在我继续。

还需要做一些其他的假设吗?当然,一些科幻迷可能无法认同所有的假设,但即使他们不予赞同也不能让我停止探索这个问题。这些假设中有一些实际上可能并不成立,但是,它们和真实情况是很接近的,也能很好地展示了我的观点。

●推进器力的大小和推进器的面积是成正比的。你可以用各种各样的原因来跟我辩驳说真实情况不是这样的,但我仍然坚持我的假设。

●大大小小的宇宙飞船的密度是一样的。是的,你说的对,如果所有飞船的船壁的密度是一样的,那么大船作为一整艘船的密度就变低了。但是不要忘了大船内部也有隔层。

●小的宇宙飞船和大的宇宙飞船都产生相同(或相似)的加速度。

●下面的术语都指同样的一件东西:飞船、星际飞船、航天器,但不包括“星船”(starship),这个词我们只用来代表一个乐队,那个唱了“我们建立了这个城市”摇滚曲的乐队。

现在,我们再来谈一些物理。如果作用在飞船上的力只由推进器提供,则加速度将与推进器上的力成正比。加速度也将取决于飞船的质量。对于相同的力,质量越大,加速度越小。这就是牛顿第二运动定律的本质。

我想象出来的单人船的半径为R,推进器的直径L。如果推力与推进器的面积成正比,那么对飞船的推力就应该是一个常数与L2的乘积。

那么质量呢?因为此宇宙飞船是球形的,所以质量将是一个常数(在此情况下是4/3π)与R3的乘积。因为加速度等于力比上质量,因此它与L2/R3成正比。我可以说,推进器的直径与R3/2成正比,其他常量并不重要。

现在,让我建造一艘更大的飞船。它将是第一个飞船半径的10倍,密度相同,加速度也一样。那么它需要多大的推进器?如果飞船其他的参数是相同的,并且我将半径扩大为原来的10倍,那么推进器的直径将会是原来的31.6倍。

更加确切地说,让飞船长度上扩大到原来的10倍,体积就会是原来的1000倍(质量也会因此变化)。为了保证原来的加速度,我不得不把推进器扩大到10倍以上,因为推力和面积成正比。其结果是,更大的飞船并不是原来的小飞船按比例放大的得到的。我这里用一个对比图可以加以说明:左边这个是单人的飞船,右边这个是直径扩大过了的飞船。

推进器的大小比飞船大小攀升得要快。

现在,我们从《星球大战》里面来寻求一些例子,有两艘飞船正好可以供我们为推进器尺寸做“案例研究”:歼星舰和超级歼星舰94。为什么要选这两艘飞船进行对比呢?因为它们同在一个宇宙里,它们形状相同,我也可以肯定地认为它们的密度相同。最后,如果它们将要在同一个舰队里的话,它们需要齐头并进,加速度也必须是一样的。杰夫·罗素的太空飞船网页上就有这两艘飞船的平列比较图,你可以去看一下。


显然,有一些关于超级歼星舰大小的讨论。这方面我站在杰夫·罗素一边,同意他在网站上公布出来的数据:歼星舰长1.6km,超级歼星舰长19km。

推进器呢?根据TheForce.net网页显示,超级歼星舰背面有13个推进器,普通的歼星舰背面只有3个推进器。通过图表,我还发现,歼星舰的推进器的直径大约是0.126千米。因为我已经了解到歼星舰推进器的长度和尺寸,以此类推,我就能确定超级歼星舰上安装的推进器是多大。

准备好了吧。考虑到超级歼星舰上有更多的推进器这一事实,我发现每个推进器的直径都得在2.48km。所以呢?这意味着整只舰大概一半的地方需要为推进器腾地方,根本不是你原来设想的那样,飞船上到处分布着类似喷嘴式的零零星星设备,它看起来再也不似那个气势凌人的死亡机器,取而代之的是一艘看起来像沼泽上行进的风扇艇95了。

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