在科幻電影中,空天母艦是比較常見的設定,它就像現在的航空母艦一樣可以攜帶各種更小的戰鬥機,或者作為補給站,隻是它是漂浮在空中的。
那麼,現實生活中空天母艦可以制作并運行起來嗎?
以現有的技術要把航天器送上天隻有一種方式,那就是用燃料來推進,如果沒有到達地球軌道的話,那還得不停燃燒燃料來給航天器懸浮在空中。
根據波音網站的數據,一架波音747客機在飛行時,每秒的油耗在4升左右,而它還隻是一架飛機而已,最多隻能容納568人。
油耗取決于燃油要推進的重量,重量越大則油耗越高。波音747的“裸機”重量在220噸左右,作為對比,現在一艘典型航母的重量在10萬噸左右。
要把航母大小的空天母艦送上天,并一直懸浮在空中的話,那真的是經費在燃燒。
我們可以簡單估算下:
航母的重量是波音747重量的500倍左右,如果它以飛機同樣速度飛行的話,那麼這種重量的空天母艦一秒鐘要燒掉2000升煤油。
按照航空煤油每升8元左右算,它一秒鐘要燒掉1.6萬元錢,一天燒掉一個優質村莊的GDP,一星期燒掉一個小鎮GDP,一個月一個縣城的GDP沒了。
很明顯,以現在的技術,沒有一個國家能玩得起這東西。
事實上,就算有國家在經費方面玩得起空天母艦,這也是一個非常不劃算的買賣。隻要我們的推進方式是化學燃料,那麼我們在空中作業時推進的基本都是燃料,而不是航天器本身。
這裡涉及到一個限制航天事業的公式:火箭方程。
∆v是我們希望讓火箭到達的速度,Ve是火箭的排氣速度,m0是火箭加速前的質量,mf是火箭升空時的總質量,包括火箭本身和燃油。
從這個公式中就不難發現,火箭要達到更高的速度,取決于Ve和那兩個質量的比值。
其中,Ve由化學染料的性質決定,我們用的是化學染料,沒法改變這個;同樣地,m0/mf對應的是燃料占火箭總重量的百分百,其實也是被化學燃料的性質定死的。
所以,化學燃料的航天事業是有極限值,你需要飛得更快,或者要送越重的東西上天,它最終加上燃料重量可能可能會飛都飛不起來。
現在性能最好的化學燃料是液氧+液氫,它燃料占比是是83%,也就是說即便我們把一個裝滿這種性能最好的燃料的飛行器送上天,它實際上是把83%的燃料送了上去,而不是飛行器本身。
有人做過一個比喻,我們火箭發射其實和送聽裝可樂上天是差不多,火箭本身隻是鋁制可樂瓶的重量,而燃油重量就是所有可樂液體的重量。
雖然,空天母艦可能不需要太快的速度,但是要把這樣重量的東西停留在空中,它的燃油重量是難以想象的。
還是以波音747為例,事實上,它能裝載的燃油重量和機身重量基本是一樣的,你把波音747換成航母的話,估計這東西在空中一刻都不能停止加油。
最後
隻要我們還在用化學燃料,任何航天事業都是非常不劃算的,因為運載的大部分都是燃料,所以空天母艦暫時不要想。
在蘇聯和美國太空競賽的年代,人們就已經發現了,航天事業是非常燒錢的事業,所以幾十年裡都沒人提登陸月球了,而即便是一些簡單的航天事業也都是通過合作來分攤成本。
有話要說...