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【20230731 科學科普】对【总结太空歌剧和各类科幻作品在科学上的严重误解】的补档

只看楼主收藏回复

补档是检验狠活的唯一标准
如果你对硬核拟真科幻感兴趣或是想要知道可预见的未来的正经的航天军事是啥情况,欢迎来看本贴。
“为什么我们只讨论近未来?
因为我们在这方面的想象力不够,且想象力没有依据就只能是空想。
从近代自然科学的开端算起,人类的科技发展一直是加速趋势,这导致人类的想象力面对这种情况根本不够用
举个比分打个例子,不说未来,就是现在的科学技术也大大超出古代人的想象力极限:1869年你去和清朝人说一百年之后就能有人乘着大炮仗登上天空中的明月,他们会信吗?1920年你去和民国人说一百年之后一块白色的板子(我目前用来发贴吧的iPad,这还是在好几年之前买的)能用来打电话玩游戏看电影水经验,他们会信吗?即使不考虑科技发展一直是加速趋势这件事,一百年之后的世界你也完全猜不准会是什么样子的。
而且别忘了想象力是需要依据的,首先你需要比如超光速航行方法的理论依据和实现方法,结合那个时代的其他一大堆科技推论这个超光速技术是怎么工作的,仅仅绕过狭相在三维空间航行还是直接绕过三维空间抄近路,需要什么级别的供能控制导航散热,速度多快机动性多好蓄能冷却多长时间,然后再根据这些来推导可以有什么战术
而这些东西你一个都没有,现在确实有理论上“应该大概似乎”没有问题的超光速技术,但人类的理论水平根本无从寻找实现方法,且往往是传送几个基本粒子就要把全太阳系质能转换,总之近未来这种东西别想了
现在如何猜测超光速时代的太空战斗方式都是皇帝的金锄头,你猜不到的,没意义。”




IP属地:吉林来自Android客户端1楼2023-07-31 21:30回复
    内容和原帖并非一字不差,但知识确实是从同一个地方学来的。


    IP属地:吉林来自Android客户端2楼2023-07-31 21:32
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      “讨论近未来太空战技术战术”
      啥是近未来呢?超光速别想了,反物质别想了,那都是远未来。
      近未来,也就是说,在目前的理论水平上,给个一两百年,人类能发展成什么样
      具体一点?动力来源核聚变/太阳能,舰船加速度普遍低于0.01G,当然你也可以往燃料里掺工质来短时间达到甚至可以超过1G的加速度,但无脑堆工质首先你装不下,第二飞船也要增重得不偿失,最后别忘了工质是不参与聚变反应仅仅吸热膨胀排出而已,也就是说也有冷却剂的作用,冷却过分的话聚变反应也就不可能进行了
      通讯,受制于狭相限制,超光速传讯就别想了,别和我扯量子纠缠,人类的理论水平不足以控制纠缠态量子的状态,因此只能用来给通讯加密(因为密码不是用来传递信息的所以随便乱输毫无问题),实际通讯的话中远程激光传讯上佳之选,因为强方向性,节省发射能量,传的远,不容易被干扰,短程通讯的话理论上无线电都行,但是波长越短就能拿到越高的带宽,反正自己看着办吧。
      探测,主流探测方案是全波段观测模式光学望远镜巡天观测+激光雷达辅助和负责精准定位(传统雷达在太空环境下一开机无异于叫嚣着我在这里你们快来打我,激光强方向性所以问题至少并没有这么大,纯被动观测的话也不是什么都能做得到的)+宇宙微波背景辐射&太阳系星图混合对比检测,有效观测距离大到你可以认为全太阳系基本都看得到,另外不要妄想着能把自己涂成黑色来“隐形”,你引擎要散热吧?各种设备要散热吧?光学望远镜开红外观测模式照样看的清清楚楚。


      IP属地:吉林来自Android客户端3楼2023-07-31 21:34
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        第一篇:为什么军用航天器造不了小号的?
        问题在哪里,问题在于战舰不造大什么都装不下
        第一种装备,比如聚变引擎,本来就很大很重,而且造的越大输出越高
        以此类推,燃料罐,工质罐,远程导弹弹舱,都是必须造的很大
        题外话:我们这里的远程导弹你应该把它理解为一次性中小型神风炮舰/导弹舰,不服去看精品区
        否则的话你没续航能力
        第二种装备,比如激光炮,比如粒子炮,自重大体积大不说,全都是耗电大户
        那么还是需要足够大型的聚变引擎,不然根本跑不起来,跑起来了也没杀伤力
        就算你来个极端情况,也只能是减重没法减到能提高你需要的机动性能的不到十分之一,但是战斗力续航能力全都是零,只能给敌人的大型主力舰当活靶子
        有什么用?
        之后问题就简单了,既然连中小型战舰都要动辄几百米长,那么母舰得多大?
        母舰的一切工作都可以用大小和战舰差不多的后勤舰来做,另外太空中不需要船坞这种东西。
        再一次提醒所谓“太空作战平台做大做小”这类问题该怎么思考思路才正常
        光想大小不问科技基础的话,就像之前有人说的,为什么不做到分子,原子尺寸甚至更小?做出来不无敌了?找都找不到
        一个机动太空战争平台,决定大小由必要部件限定
        推进,供能,携带推进剂,武器,装甲,其他的先不说,先把以上几个都想好
        上面那些都有现实例子可以参考,例如供能使用核反应堆的话,潜艇上的就是例子
        武器使用导弹的话,至少参考潜射洲际导弹尺寸
        在能够容纳这些的基础上,尽量减轻重量
        而不是整天想着做小,高机动
        把一门203mm舰炮放快艇上,嗯,高机动,然后开一炮试试?艇都给你翻了。


        IP属地:吉林来自Android客户端4楼2023-07-31 21:42
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          第二篇:为什么聚变引擎普遍推力低到你没啥感觉?
          首先来普及关于太空航行的两个基本概念:DeltaV和推重比
          DeltaV,亦作ΔV或DV,意为可用速度增量
          推重比,推力和飞船质量的比值,决定了你的加速度
          举个比分打个例子,以你所处的空间本身为参照物,你在太空中以400m/s的速度移动,你想要把速度降到20m/s,就需要耗去400-20=380m/s的ΔV,很容易理解吧?
          太空航行的一切,什么飞船质量引擎输出,最终都是为了算出这两者
          但是这两者自己之间没有关系,加速度和ΔV没有关系,速度和加速度也没有关系
          第二个很简单,按照广义相对论,重力和加速度是等效的
          10m/s²的加速度,你的感觉和站在地面上差不多毕竟地球表面标准重力加速度……似乎是9.8来着?
          咳咳,这不重要,重要的是:10m/s²的加速度,保持大概一个多月,你会发现不知不觉间你已经进入准光速了
          太空没有空气阻力,在太空中速度和加速度毫无关系,高加速度只持续几秒也加不了多少速度,低加速度长时间保持一样能加到很高速度
          骐骥一跃,不能十步;驽马十驾,功在不舍。道理是相通的。


          IP属地:吉林来自Android客户端5楼2023-07-31 21:43
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            那么第一个呢,是时候引入“比冲”这个概念了!
            比冲量,亦作比冲,意为单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力,详细内容自己去百度,比冲(秒)等于喷气速度(米每秒)除以地球表面标准重力加速度也就是9.8m/s²,且与飞船引擎工作效率成正比
            总之,这玩意儿越高,引擎效率越高。聚变反应中综合性能优秀喷气速度最高的氘-氦3聚变反应,喷气速度约为光速的6.666666%,也就是大约两百万秒的比冲
            但是现实世界中,一般情况下,比冲越高,推力反而下降,为什么呢?
            现实中的推进器主要走两条路,低比冲高推力,以化学火箭为例;高比冲低推力,以VASIMR为例,目前还在理论中的聚变引擎甚至目前还在想象中的反物质引擎也属于此类
            可是为什么,高比冲和高推力,是不可兼得的呢?
            问题和聚变反应毫无关系,问题在于聚变引擎自己。


            IP属地:吉林来自Android客户端6楼2023-07-31 21:44
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              想想就知道,问题其实出在引擎效率和废热处理上!
              要达到更高比冲,反应产物的能量必须要高,因为高温反应产物在被喷出去之前,先要在喷管里扩张降温,这就是一个温度被转化成喷气速度的过程
              当然聚变引擎还需要负责发电,有把部分喷气速度利用电磁感应现象转化成电能的磁流体发电机/等离子发电机(导体作切割磁感线运动嘛,聚变引擎的反应产物都是等离子体状态,是很好的导体)也有用反应产物的热量来发电的
              然而问题在于这几种过程的能量转化效率都不是百分之百,甚至都不算非常高
              于是剩下的热量就需要散热片来解决,没错就是浪费掉,但不这么做的话引擎本身也会过载烧掉甚至炸掉
              在化学火箭引擎中这并不成为问题,因为首先单位时间内喷出去的东西多,带走的热量也多,而且现在很多化学火箭引擎都用低温推进剂,液氧-液态甲烷,液氢-液氧什么的,储存温度很低,点燃之前需要预热,很大一部分引擎废热都可以用来预热推进剂
              然而在高比冲低推力引擎中,以聚变引擎为例,由于反应剧烈,所以喷气速度非常高,但是聚变引擎自身能承受的热量是有极限的,所以只能尽量减少反应物的供应速度,这样一来需要散掉的多余能量就会变少,更多的能量可以用于推进和发电,引擎效率才能更高
              但如果这个时候你特别需要推力呢?往聚变燃料里掺工质吧。不参与聚变,仅仅是吸热膨胀喷出去,虽然温度更低导致喷气速度下降,单位时间内喷出去的质量变多,推力自然上升
              但是往飞船上装一大堆工质导致飞船变的极其笨重———那样又回到高推力低比冲了,那还不如用化学火箭呢,化学火箭的技术成熟度领先聚变反应至少一个世纪啊拜托
              总之,在人类现有理论水平之下,高比冲和高推力是站在对立面的,一座核电站,假设给它核武级别的裂变燃料,它可以连续几十年输出源源不断的充足能量。但如果要逼着它把这些能量在数微秒内全部释放,那就是大伊万,而不是核电站了。我目前没有见到过站在旁边引爆大伊万来给手机充电的人,而且我觉得我以后也不会见到。


              IP属地:吉林来自Android客户端7楼2023-07-31 21:45
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                第三篇:为什么小行星带以内除了飞船主要用核聚变,不管是地面还是太空城,大家都在用太阳能?
                相比核聚变来说太阳能其实一大堆优点:能量输出完全稳定———聚变堆永远做不到的,能量来源完全免费———聚变堆运作需要聚变燃料,但是谁家用太阳能要向太阳交钱?再加上聚变永远追不上的可靠性和安全性———这个不用多解释吧,另外按照现在的进度来看无聊怎么样太阳能都比聚变多出一个世纪的技术发展时间,单论技术成熟度那叫一个碾压。
                担心因为大气层光伏没效率?把巨型光伏阵列部署在地球同步轨道上呀!发出来的电微波传回地球就行,传输波束功率密度很低,仅每平方米二十瓦也完全够用,地面架空能量接收天线阵列间距很大透光通风,完全不挡什么光,下面开温室种菜或者垫一层普通光伏板什么的完全没问题
                而且小行星带以内的大型无人探测器也没必要上核动力———大型光伏阵列驱动大功率VASIMR它不香吗?技术成熟度导致的可靠性安全性和经济性都是聚变追不上的
                聚变主要的用武之地还是用来推进飞船,飞船比探测器重多了,VASIMR比冲也比聚变低,另外外太阳系光线不够也用不了太阳能。另外大家都用聚变的时候很可能是过度时期:太空大扩荒时代,化石燃料已经不够用了,光伏阵列还没造起来,这个时候确实会流行聚变。之后的话就是光伏为主。聚变/其他可再生能源为辅了。
                题外话:核聚变比起核裂变的主要优点就三个,输出更高(大概不用解释吧),更加安全(核裂变是把能烧几十年的巨量能量一次性全部存在反应堆里,核聚变则是燃料在引擎工作的时候按当前需求量从外部输入引擎,而且点燃核聚变比点燃核裂变难多了,聚变堆炸了绝对比裂变堆炸了事情要更小,而且即使波及燃料罐也不会点燃里面的燃料),以及最重要的,燃料容易获得且量大管够(元素周期表越往后在宇宙中丰度就越小,这个不难理解吧?)
                信奉核聚变万能论的人不但智商低而且是真的恶心,盲目迷信高大上名词现在很常见,除了核聚变还有比如纳米啊,量子啊什么的,道理是一样的。


                IP属地:吉林来自Android客户端8楼2023-07-31 21:47
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                  在此分享一张“核动力航天发动机大汇总”,这里面还有个用反物质的重量级。


                  IP属地:吉林来自Android客户端9楼2023-07-31 21:49
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                    第四篇:近未来太空大战会有什么厉害的武器?
                    武器的话可以大致分成三类:定向能,实弹,导弹
                    既然有武器那么还得有防御,主要就是装甲和走位,护盾什么的肯定不属于近未来嘛。


                    IP属地:吉林来自Android客户端10楼2023-07-31 21:50
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                      那么就先从实弹讲起,化学能加速弹药在这方面比不上磁场力加速弹药(前提是后者技术成熟……但是成熟技术对不成熟技术本来就不公平,另外我们讨论的时代就这种技术那还是管够的),所以这里主要讨论磁轨炮
                      虽然使用舰载双联装超电磁炮瞄准并帅气的轰碎敌船无疑激动人心,但是,但是,但是,在一般情况下实弹根本没法用来射击敌船,无论化学炮还是磁轨炮都一样
                      原因很简单:太空大战的战场实在太大了
                      太空没有空气阻力,定向能实弹导弹的有效射程普遍能上光秒级,定向能射击的弹道速度是光速(激光)或准光速(粒子束),当然近未来嘛观测速度也不会高于光速,而且定向能强方向性。也就是说,当你发现定向能射击正朝你而来的时候,你已经被击中了,而且只要没人挡在射击弹道上,就没人能看到这次射击。
                      打个比方,两艘主力舰,相距一光秒,一艘主力舰的散热片输出突然激增到峰值,一秒之后另一艘飞船毫无征兆的爆炸了。虽然这只是不负责任的啥都不考虑的模拟情况,但是大抵就是这种感觉。
                      那么,在这个情况中,一光秒距离上可以马上轰碎敌船。别忘了太空没有空气阻力,限制定向能有效射程的唯一要素就是扩散(反过来说就是要打远程不仅输出得够聚焦精度也得够),如果一光秒距离上可以一炮就把敌船轰碎的话,大家一定会在更远的距离上就开始射击。
                      于是我们得出结论:近未来太空大战,战场宽度将会至少以光秒……不,极端情况之下,甚至能以光分计算。
                      那么这样一来……光都要飞上几十秒才能通过的距离,炮弹得飞多久?
                      如果敌方观察到你开炮,并从炮弹初速度和发射方向推算出大致弹道(这容易的很),得出结论,即使敌方自己一动不动故意给你当靶子,炮弹也要几小时后才能击中……那你打这一炮意义何在?嗯?
                      因此,磁轨炮这种东西的有效射程最多只会有大概几千公里。因为以磁轨炮的炮弹初速度,这是敌方看到你开炮也没几秒钟能用来躲开的距离,更远的距离上只能靠导弹和定向能,它们才是太空大战中的主角。
                      顺便提一句,导弹这种东西嘛它射程的上限下限都非常灵活,小型短程导弹上的引擎用化学燃料火箭就足够满足需求,而重型远程导弹则拥有在太阳系内持续数周甚至数月追逐舰船的航程,看你发射哪一种了。
                      另外磁轨炮也不会被用来做战舰的近防拦截火力:技术不成熟的时候你得用长达几公里穿过整艘飞船的轴炮才能达到能用的炮弹初速度,等到技术成熟的时候的话,你就会发现既然技术都发展到能把这加速距离压缩到可以放进炮塔的水平了……轴炮副炮近防拦截都用上综合性能高出磁轨炮一大截的定向能他不香吗?
                      顺便提一嘴,虽然粒子炮这种东西只能做轴炮,但是激光可以只把聚焦系统放进炮塔,这样一来主激光器再怎么长也没关系因为它本来就不在炮塔里
                      那么能让磁轨炮发射一些别的吗?炮射导弹炮射核弹什么的?那肯定是不行啊!由于磁轨炮杀伤力的唯一主要也是唯一重要的来源就是极高的炮弹初速度,这样一来首先炮弹本身就得非常轻,啥也塞不下。第二磁轨炮不仅要长,炮弹在炮管里的加速度还必须特别高———不然炮弹初速度上不去你没威力,那么你塞进去的那些东西比如导弹引擎比如寻的制导比如战斗部本身都会在发射瞬间被巨大的加速度摧毁。
                      所以磁轨炮的发射弹药只有比如实心钨杆实心贫铀杆什么的这一类选择,不过要是你不把它用于攻击———比如用于太空城之间的短程货物运输,那它还是很香的:加速度不用那么大所以不用担心什么会被摧毁(但是如果你想问的是人那就难说,所以严禁用这种办法运送活体生物,乖乖去坐飞船吧),炮弹本身也不需要引擎,只需要雷达和RCS让它能被目的地太空城相对容易的捕获就成,成本比用飞船运要低好多呢。


                      IP属地:吉林来自Android客户端11楼2023-07-31 21:51
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                        我们接着讲,现在是定向能和导弹的时间了!
                        关于定向能,其实有一篇帖子已经说的很清楚了。
                        舰用粒子炮的主要问题和解决方案 ,就这个。
                        粒子束这种东西是只能做成轴炮的,没办法,主加速器长度不够能级就上不去,同时最好让炮体在飞船引擎的推力轴线上,以便使用飞船引擎补偿掉发射后坐力,这也决定了这种船的全长至少得到千米级才行。
                        当然你也可以不装推力轴线上,然后在开火的时候让几台聚变引擎以不同的输出开加力,强行制造一个贯穿炮体的新推力轴线,看你喜好了。
                        但是激光就没有这个问题,因为激光武器的激光器部分和聚焦镜组部分是两个部件,你完全可以只把聚焦镜组部件放进炮塔,所以激光是可以用来做战舰侧面的炮塔式副炮的。
                        激光器的话这里比较推荐FEL架构也就是自由电子激光,简单来说就是先加速电子束,然后利用同步辐射的原理把电子束的能量转移到激光上,具体可以看这个,网页链接
                        这个架构的输出和频率都能达到很高并且无级可调。电子较轻加速起来容易,所以加速器长度并不需要那么高,现在理论上4.5米就能把电子束能量增加1Tev,而质子的质量是电子的1836倍,更别说那些重离子,虽然FEL转化效率我不清楚多少,反正几十米加速器长度完全足够,所以这个架构非常好用。(别想了,做成电子炮的话这架构还是已经到塞不进炮塔的尺寸了,但如果是激光的话那就不一样了嘛)
                        聚焦镜组的话我们这里的主流架构是反射式聚焦镜组,副镜组把来自激光器的激光投射到主反射镜上,主反射镜将会把激光反射并直接聚焦在射击目标上。主反射镜有特殊设计,因此能够通过改变副镜组和主反射镜之间的距离来控制射程(反射式聚焦镜组的射程指的是激光会被聚焦到的地方离炮本身有多远,焦点到炮口之间的空间因为激光的聚焦还没完成所以威力非常低,看情况了)。一般情况下,发射电磁波频率越高,相同主聚焦镜能达到的最大有效射程就越远,相同射程下足够完成任务所需的主聚焦镜尺寸就越小。
                        所以威力最大的理论上应该是伽马射线激光,另外频率高意味着穿透力高,对增加有效射程也有帮助。但是,但是,但是,人类目前的理论水平不足以得到能够反射伽马射线激光的聚焦镜组材质。你当然可以设定一种黑科技材质来满足要求,但是很容易就会变成皇帝的金锄头类情况,没有足够重要的理由不要尝试这么做。
                        所以,要是我设计近未来主力舰的话,我会使用粒子束轴炮+炮塔式X射线激光副炮(X射线比伽马射线的频率低一级,人类尚且有材质能够反射X射线激光,所以伽马射线激光用不了的话X射线激光自然就成为近未来上佳之选了)。


                        IP属地:吉林来自Android客户端12楼2023-07-31 21:54
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                          “由于太空歌剧的误导,不少人仍认为轨道战等同于地面战斗,因此开一坑进行最基本的扫盲。本人并非航天专业,如有疏漏请大佬指正。”
                          以下内容仍转载于其他大佬的帖子。


                          IP属地:吉林来自Android客户端13楼2023-07-31 21:56
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                            第一节 萌新容易犯错的几点
                            1.同一轨道不允许不相同的速度
                            这就意味着如果敌人和你处于同一轨道上的不同点,那么你休想追上对面,除非改变轨道。
                            当然这里有逆行轨道这种特例,不过个人倾向于将顺逆行轨道看作同一位置的两个不同轨道。
                            2.追及
                            对于处于椭圆轨道的双方,“后者”要追上“前者”,通常采用减小自身轨道周期的方法。
                            由开普勒第三定律
                            T=√(4π²a³/GM)
                            而要减小轨道半长轴a,就要降低自身速度,这与大气层内的直觉刚好相反。
                            在小行星附近等弱引力场内,或者自身ΔV足够的情况下,还可采取双曲线机动的方式拦截对方:大幅增加自身速度,使自身轨道变为双曲线乃至接近直线,从而拦截位于椭圆轨道的敌方。
                            3.静止
                            显而易见,要维持环绕轨道需要一定的线速度,当线速度减为0时,航天器会直直落向天体。与天体保持相对静止的正确方法是进入拉格朗日点。但是这些点通常远离天体,而且数量有限。
                            4.高轨道对低轨道以及地面的攻击
                            又一个反直觉的例子,生活经验的类比很容易得出这样的错误结论----从空间站扔一个扳手下去,如果扳手没有燃烧殆尽的话能够砸到地面。需要注意的是,空间站和地面不是楼顶和地面,高轨道和低轨道也不是楼上和楼下的关系。的确,扳手最终可能因为大气减速的原因最终坠入大气层(联盟空间站就是这样销毁的),但是对航天器施加切线的速度通常只能使轨道在平面内偏移,除非你的麒麟臂能把扳手以远超第一宇宙速度的速度发射出去。。
                            因此,轨道战没有居高临下这种优势(引力势能比低轨道高,但是显然不能等同于优势)不同轨道之间的攻击,通常需要将自身线速度考虑进去。
                            某些速度较高的攻击方式则不受影响或受影响较少,例如粒子束,激光;或者在弱引力场中采取双曲线机动的导弹以及电磁炮。


                            IP属地:吉林来自Android客户端14楼2023-07-31 21:57
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                              轨道战的物理环境(失重,高速度,极低阻力)与地面大相径庭,这种战斗通常是反直觉的----例如通过减速来追上敌人。因此讨论轨道战需要一定的轨道力学知识。0基础小白建议自学中学天体力学部分。这里推荐几个航天器游戏。
                              《简单火箭》
                              《坎巴拉太空计划》
                              《children of a dead earth》
                              通过这些游戏能够对航天轨道有更直观的感受,建立关于轨道战的直觉。其中cde的上手难度较高,对轨道战的模拟也最完整。


                              IP属地:吉林来自Android客户端15楼2023-07-31 21:59
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