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美国大片的空天航母,从机械学材料学,动力学上论证能造出来吗?

作者:机械网
文章来源:本站

  

美国大片的空天航母,从机械学材料学,动力学上论证能造出来吗?

  比较难,空天航母可不仅仅是材料学和动力学上的问题。

  如果仅谈论材料、动力方面的问题,空天母舰实际上也存在着技术上的鸿沟。

  首先,人类目前还没有一个超级强大的能源,可供一个近10万吨重的物体在天上飞着不下来。

  现有的能源利用方式都很简单,无非化学能、机械能、核动力。我们可以把火箭用化学能射上天,但这股力量能维持的时间相当短。

  以我国的长征5号为例,其采用液氧、液氢、航空煤油作为燃料,起飞重量达到850吨,然而这其中燃料重量就达到了765吨,占据了90%的整体质量。

  在发射前,“胖5”还需要经历漫长的燃料加注时间,这需要一种23米长、10米宽,1000吨级的重型平板车进行运输,实在是复杂又艰难。

  胖5的尺寸是多少呢?高度为56.97米,芯级直径5米,这已经算是个很巨大的庞然大物了,也是我国目前的技术天花板。

  所以,我们根本没有办法去设计一个超级巨大的空天母舰,人类缺乏让它摆脱地心引力的能力,哪怕使用了可抛式的外挂火箭,那么升空以后呢?光这些火箭燃料的持续燃烧都足以让任何一个国家变穷光蛋,我们还无法保证火箭发动机的可靠性,甚至发射时的场面都可以吓死人了。

  这也是为什么人类需要发展“飞机”这种大气层内飞行器的原因。飞机基于伯努利原理制造,是一种利用大气层流体效应维持升力的机器,它从外形上就必须严格的遵循流体力学,否则不具备火箭那种高推力的飞机,便只能依靠升力发动机维持短时、低空的高推重比悬停(超过1:1),而无法形成长时间的高效飞行。

  说简单点,飞机带翅膀,有升力结构,其推力组件能长时间提供加速度,这一切构成了飞机长时间滞空的能力,但即便如此,飞机的燃料消耗也是相当巨大的,飞行成本以分钟计,多少知名航空公司都毁于燃油价格。

  空天母舰当然不符合飞机的一切特征,它既无法经由推力速度形成升力,自身也不是升力体,还没有那么大的航空发动机完成推动,哪怕采用多联装也不行,仅靠小功率发动机矩阵估计连船身阻力都无法对抗,就算能飞,摩擦热量也足够让它化为飞火流星。

  核能可能是现在唯一的解决方式,但也是当前可靠性最差的解决方式。依靠核电站肯定是不行的,普通的核电站本身就是个沉重的机构。

  以美国的航母为例,它们的压水堆采用了内外两套加压水蒸汽循环管路和巨大的蒸汽轮机系统,提供的电量也就维持下船体的推进,以及弹个飞机、淡化海水之类,作为漂在海上的船舶,核动力航母本身就是“节能”的,它们不会是一艘浮在空中,每时每刻需要对抗地心引力的飞空巨舰。

  所以压水堆是断然不行的,得上更高级的核聚变反应堆,但这项技术目前被认为还有20-50年的技术攻克期,人类并没有掌握可控核聚变,甚至连耐超级高温的材料都没发展全,多数实验停留在使用激光进行氘氚点燃的阶段。

  况且就算实现了可控核聚变,我们也只能采用其发出的电能来转化为其它动力,电本身是没办法让东西飞的,哪怕采用电磁悬浮,人类也无法做到让一艘航母悬浮起来。

  现在人类最成熟的电能运用是电能转机械能技术,说白了就是电动机。我们可以让电动车的轮子转起来,自然也能让螺旋桨和涵道式风扇动起来,实际上现在已经有了电动直升机和电动螺旋桨飞机,某些型号还能利用太阳能飞到极高空。但还是那句话,光靠小型螺旋桨的机械能是不够的,人类也没有制造超大规模螺旋桨的经验,更没有足够厉害的材料。

  电能倒是还有条路走,即“离子喷射器”,这种技术又称“离子发动机”或“电火箭”,它的原理很简单,用电将物质电离,然后用电场将离子加速后喷出,获得反推力。现在的卫星上已经在使用这种技术,但它的缺陷也很大,1.离子化也需要物质 2.推力太小太小。

  此外最后一种解决方法是直接制造核发动机,这种技术现在也有,而且自冷战时美、苏就已经完成了一定的发展,甚至俄罗斯还在近些年将之疑似装到了新型的巡航导弹上,号称“航程无限”。

  核发动机的原理靠键盘打也不复杂,按照冷战时流出的概念,它与普通的航空涡轮发动机大同小异,仅通过技术将燃烧室换成了一个核热力炉,将核反应高温导入其中,取代航空煤油推动涡轮运作,然后让飞机飞行下去。

  问题是,这种技术真的不靠谱,不然也不会冷藏了许多年也没谁拿出来,如果将之放到空天母舰上,持续性的动力可能是有了,但只要这玩意儿炸一个,那乐子可就大了。

  当然,更简单的方法也不是没有,就是说出来有些丑——飞艇技术。理论上人类可以制造一个超级巨大的飞艇矩阵,然后在其上搭建硬式结构,做成一个飞空要塞。但仔细想想便知道也不可行了,其中涉及的问题实在是多,光氦气的消耗都足以令欧美集体破产。

  归根结底,人类科技并未真的突破到能建设空天母舰的地步,现在哪怕如美国那样的超级大国,连造两艘最新的“福特级”航母都喘得直哼哼,所有的一切都不过是屏幕上的幻想罢了。

  如果抛开什么材料、动力问题,从军事的角度考虑,空天母舰则完全是一个没有丝毫作用的大玩具,它那巨大的体积将避无可避,地面上哪怕最落后的对空雷达都能轻易侦察到它。然后人们可以随意使用防空、空空、巡航、反辐射、反舰,甚至制导炮弹干掉它。

  真要让空天母舰在大气层里飞,至少得解决护盾技术、反重力技术、能源技术、主动隐身技术等多项关键技术,否则它不过是天上的靶子罢了。

  所以,与其花大力气造空天母舰,倒不如发展网络化的长航时作战无人机技术,或者干脆发展宇航技术,在太空部署战舰级的宇宙飞船,设立星际轨道军事基地和月球、火星、土卫、柯伊伯带的太空炮台,它们绝对比建造大气层内的巨型飞行母舰来得简单。

  就拿复联里面的飞天航母举例子吧。

  在电影里面的设定是以美军的星座号为原型设计的。星座号本身又是小鹰级航母的二号舰,满载排水量8万吨左右。

  这个重量的航母肯定不能设计成需要跑道起飞的飞机。因为没有能承受8万吨这个载重力的轮子和跑道。所以只能和电影里面一样在海上起飞。

  起飞方式有两种,一个是用升力,和飞机一样起飞。

  我们省去海面系数等一些列问题,只算升力。用波音747做类比要比较容易理解点。

  升力公式是Y=1/2ρCSv2,其中Y是升力,飞机要起飞,升力需要大于自身重量,所以升力要大于8万吨。其中p是大气密度,我们就按照海拔500米为1.2来算,C是升力系数,通常按照1来计算,S是机翼面积,v是飞机速度。

  因为机翼面积和机翼速度是你大我小的关系,所以在设置上比较随意。我们设置一个波音747的起飞速度,也就是每小时270公里,也就是每秒75米。

  在公式里面Y的单位是牛顿,9800牛相当于一吨。

  公式是,784000000N=1/2 1.2×1×S×752

  最后算出来机翼面积约等于,232296平方米,也就是23平方公里。

  波音747重185吨,为了达到每秒75米的起飞速度,发动机的总推力是112吨,也就是说8万吨的空天母舰在和波音747气动布局设计的差不多的情况下,最少也得需要也得49000吨推力才能起飞。

  那如果是个电影里面一样直上直下的起飞方式呢?

  那就不需要机翼了,有8万吨以上的推力就能起飞了。目前最强大的发动机是火箭发动机,美国的F1火箭发动机,单个推力是770吨,只要装上100多个,就能轻松把航母送上天。

  只不过火箭的耗油量极大,平均每秒消耗两升燃料,按照火箭燃料是水的0.7倍来算。8万吨的航母就算只装油也就够飞个9分钟。

  如果将来有了可控核聚变倒是有可能解决能源上的问题,到时候如果有这种需求的话,是否真的能搞出来也说不定。

  我个人认为航母制造不会很难。而且我像造大型潜艇一样,将四艘长六百米,直经三十米的大圆桶焊接成二层,再悍在我设计的航母中心。武器再配套。四个圆桶拥有重型运输机的推动能力,有助航母加速。这个怪胎停的战机将由专门舰船电梯式传送上航母补充数量,弹药,补给养,不需进入母港。中国造。

  这不就是个大号的大疆无人机么,关键是材料的结构应力,目前还没有满足这样的材料;所以很抱歉,做不成;

  在大片里轻而易举。核动力战甲都能量产,空天航母更不在话下,像吹泡泡一样,成群连片升空。

  首先,要材料科学技术的突破,用钢铁肯定不行,比如重量和空气类似,但强度可以超越或者达到金属,才有可能在现有能源利用方式中,实现空天航母;其次,要在基础科学上突破,反重力,反物质、场理论等取得重大进展,才有可能实现;最后在动力方面有所突破,可控核聚变、粒子能利用能有进展,才可能实现。目前,没有任何一箱取得突破性进展,所以暂时好像不大可能实现。

  人类现在的基础科学是造不出来的,但是,可控氢聚变技术下的反重力飞行器就可以

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