(5th)高98探索新能源,成就星际梦“激光燃料”或使星际穿越成为现实

【重庆市第五届（重庆十一中杯）中学生科技小论文大赛】探索新能源，成就星际梦——“激光燃料”或使星际穿越成为现实作者：指导教师：摘要：火箭发射的原理是动量定理和动量守恒，化学燃料燃烧后产生大量高速气体对箭体反冲，产生强大的推力，克服自身的重力，向太空冲去。本文以火箭发射原理为基础，从理论上为火箭发射探寻新能源，论证利用激光来作为火箭发射动力。“激光燃料”相比于传统化学能源，具有方向性好、能量高、环境污染小等特点，不失为航天技术的最佳能源。“激光”作为燃料不仅可以增加飞行器的发射速度，而且可以使飞行器具有灵活操作性。关键词：激光燃料；火箭；反冲；航天。一、“激光燃料”的提出：常规的火箭，整体上是一大堆燃料，只有很小的有效载荷附加在顶部。大量燃料的质量也会增加发射的难度，因此缺乏发射效率，能源浪费，需要耗费大量的资金才能把一颗卫星送入运行轨道。火箭发射的原理是动量定理和动量守恒，化学燃料燃烧后产生大量高速气体对箭体反冲，产生强大的推力，克服自身的重力，向太空冲去。根据爱因斯坦理论，光也是一种物质，虽然其静止质量为零，但是运动的光子具有质量，如果光子向火箭运动的相反方向发射，那么这个光束会对火箭产生反冲作用，从而使火箭得以加速。由于激光具有高方向性和高相干性，因此是可以替代化学燃料的最佳能源。我们把这种燃料称为“激光燃料”。使用“激光燃料”将减轻火箭体的重量，发射火箭需要的燃料会减小，使火箭发射成本大大降低。二、航天技术简介：“火箭之父”俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再去征服太阳系空间”。开发宇宙，是人类长期以来的梦想，随着科学技术地不断发展，高新技术不断地涌现，20世纪50年代开始兴起的航天技术使人类飞向宇宙的梦想得以实现。到目前为止已有一百多个国家和地区开展航天活动，利用航天技术成果，或制定了本国航天活动计划。航天活动成为国民经济和军事部门的重要组成部分。三、火箭发射速度：目前，所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们粗略推导火箭的发射速度。火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体看成质量为m（远小于M）、相对火箭速度为u的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u向后喷出，火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度【1】。火箭和燃料的速度及动量关系，设t时刻火箭的速度为V(t)，此时它的动量为M(t)V(t)；在dt的时间内，设火箭速度的增量为dV，则在t＋dt时刻，火箭的速度为V＋dV，动量为（M＋dM）（V+dV）；dt时间内以恒定速率u喷出的燃料质量为dm，动量为dm（V－u）；由动量守恒，可得：MV=(M+dM)(V+dV)+dm（V－u）略去高阶无穷小量后，可得：MdV=－udM注意此时的M与V均是时间的函数。将其写成：dVuMdM1将其积分，设火箭初始速度为0，质量为M，最后的质量为Me，速度为V，可得：VMMdVuMdMe0所以：V=ulneMM这是在不考虑地球引力和空气阻力的作用下得到的结论，由于它们与燃料燃烧所产生的推力相比极小，不影响动量守恒，但是不可避免有引力损失和阻力损失，所以火箭最后获得的速度要比这个计算值要小。从发射速度的结论中可以不难看出发射速度与燃气喷射速度和火箭的质量比有关。为了提高火箭的发射收尾速度应从两个方面着手，一是提高质量比eMM。即要减小火箭壳体的质量的同时还需要增加燃料的质量，但是增加燃料的同时又会增加箭体的总质量，两者是矛盾的，因此这种方法不可取。二是研究新型燃料以提高燃气的喷射速度v，目前传统火箭使用的推进剂一般为液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等组成，燃料经过催化燃烧后形成高温高压的气流，气流一般以2500—5000米/秒从喷管中冲出而产生推力。但是目前的燃料喷射的速度都有一定的限制，使得发射速度受到限制。那么，有没有能产生更高喷射速度的燃料呢？四、“激光燃料”飞行器：1.动力原理根据爱因斯坦在狭义相对论中的预言，光速是宇宙中的最大速度，目前还没有找到比光速更快的运动速度，因此设想用光子来作为能源来推进火箭。“激光燃料”飞行器与传统飞行器最大的不同之处就是使用了激光作为发射动力。电影《星际穿越》中出现的飞行器就是利用光作为动力。这种动力真的可行吗？制造激光需要能量，那么飞行器在宇宙航行中的能量从哪里来呢？这是首先要考虑的问题。这部分能源可以来源于两部分，一部分可以直接利用宇宙中的射线和光能，宇宙中存在有大量的恒星，飞行器其可以利用太阳能电池对这些能量进行收集，然后通过激光发生器转化为激光能量。另一部分，如果飞行器在恒星的“背阴面”飞行时，由于收集不到光能，就需要飞行器自身佩带燃料，和传统火箭燃料类似即可。当然，随着技术的提高，也可以携带原子核能源“上天”。从原子弹铀（U）的裂变反应方程式23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n【2】可以看出，在核反应前后物质的量是守恒的，但是根据爱因斯坦理论，在反应前后物质具有质量亏损，记为m，质量亏损越大，释放出来的能量就越多，转化为激光的能量就越多，那么飞行器的发射速度就越大。因此，“激光燃料”飞行器需要携带一个微型核反应堆，以供飞行器缺乏能量时使用。为简单起见，我们假设所有的燃料都转化为激光的光能，那么火箭最终得到的动能为激光的能量。发射前，燃料和箭壳的总质量为M，发射后箭壳的质量为eM，m为经过核反应产生的光子的质量，以原子核为例，m要小于eMM，但是其提供的能量是足够的。即：2221vMmce那么：cMmve2火箭最终的速度取决于激光发射释放的总质量和箭壳的质量，燃料质量亏损越大，火箭的速度就越大。火箭需要被“激光”发射出去还需要一台大功率激光发生器，激光发射功率越大单位时间内向后喷射光子数就越多，火箭获得的动力更大，最终发射速度会更大。如果使箭壳和火箭的设备质量eM足够小的话，飞行器的最终速度可以达到光速的量级甚至接近光速。2.特点及可行性：速度快：以“激光燃料”为动力，那么飞行器就能在很短的时间内完成加速，并能以很高的速度进行航行。那么地月之间、地火之间，甚至星际间的旅行就会变得更加容易，那时候就不再是地球村了，而是宇宙村。节约能源：核反应释放出的能量是比较大的，完成能够为飞行器提供充足的动力。一旦飞行器起飞成功就不再需要释放飞行器自身携带的能量，飞行器可以利用自身表面的太阳能电池吸收来自恒星的光能或者宇宙粒子的能量。定位精确：激光不仅可以提供强大的动力，而且具有很强的方向性，可以用来对飞行器进行定位。就当前的激光技术而言，激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。随着技术的提高，其相干性会更好。宇航员可以随时查看自己的宇宙定位系统进行定位与导航。操作方便：激光具有非常强的方向性，其照射的反方向就是飞行器的飞行方向。在飞行器的尾部安装激光动力装置可以对飞行器进行加速；同时，还可以在飞行器的周围安装较小的激光装置对飞行器实现灵活转向功能。传统火箭或者航天飞机需要提前设计预定轨道，需要精确定位才能使飞行器进入正确的发射轨迹，这种转向既不方便也不安全。带有“激光燃料”的飞行器可以避免这些麻烦，宇航员可以根据飞行器实时飞行状态和飞行位置随时转向控制。五、展望及存在的问题当飞行器速度接近光速时，其相对论效应就比较明显，根据时间膨胀原理，，当飞行器加速向宇宙中心飞行的时候，飞行器的速度越来越快，飞行器上的时间也在逐渐变慢。例如飞行器的速度达到0.9倍光速时，飞行器上的人感觉到经历了1分钟，但实际上地面的时间却经历了5.2分钟。那“时间膨胀”问题怎么解决？这种提速对于节省宇宙航行的时间并没有意义。激光“燃料”提速较快，将产生非常大的加速度。这种设想是否适用于运载人类？人体是一个复杂的系统，也比较脆弱，考虑的因素也比较多。例如，在传统飞行器的载人航天史上就经历了长达几十年的发展历程，直到苏联于1961年“加加林”完成了首次航天，才标志着人类飞天的梦想得以实现。如果“激光燃料”飞行器能成为现实，那么相信载人梦想也能实现。参考文献：【1】漆安慎，杜婵英，普通物理学教程（第三版）．高等教育出版社。【2】张大昌，普通高中课程标准试验教科书，必修二．人民教育出版社。【3】张大昌，普通高中课程标准试验教科书，选修3-5．人民教育出版社。教师评价：该论文选题具有一定的难度，运用所学动量定律知识进行合理外推，科学设想大胆，具有创新性和发展潜力。论文内容较完整，层次结构清晰，主要观点突出，逻辑性较强，文字流畅，说明作者具有一定的科研写作能力。若能找到更多文献支撑或实验验证就更完美了。