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无论你是否会去看《流浪地球2》的电影,半只猫都建议你了解一下行星发动机的概念,一定会让你叹为观止。+ {2 @. G3 U' {9 R$ {
这一期,半只猫会从以下方面全面解读“行星发动机”" }/ m3 m+ C" c' }
1、为什么要造行星发动机?
. A; K. ?8 q0 [5 O \! E2 [ 2、发动机如何产生推力?/ a0 J# g v3 C* G( J4 E! B
3、发动机的参数和构造?
. i' i2 Y. |( x6 V. S2 }, C+ E 4、对地球产生的影响? ?7 c: F) u! L3 x( q+ h" d
5、现实中能否造出行星发动机?$ `+ f% ]$ p. H3 V. X
主要参考了小说、电影、官方微博、电影制作手册等官方资料,并尽可能整理、融合在一起。
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8 [* e5 q" j) a, A #电影流浪地球2##流浪地球##刘慈欣##行星发动机##电影流浪地球#
j! F V4 D! u, f4 Z' Z 一、为什么要造行星发动机?8 U' h! ^8 h* s' M
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人类预测太阳将在数百年内发生氦闪,成为一颗红巨星,地球在这个过程中将被太阳吞没、气化,不复存在。
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因此,人类启动了“流浪地球”计划,花2500年时间前往4.22光年外半人马座的比邻星。: v: M9 s6 m, B
而行星发动机则是整个计划的关键所在。
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5 | u% P: F. O9 W" w! B 星系示意图* x; `4 M8 U3 R. Z) h) z8 |
人类的自救之旅分为五步:( I" U! I) @, C, T4 m ~& _( u1 B/ J
第一阶段【刹车时代】用50年的时间研发制造行星发动机,使发动机喷口固定在地球运行的反方向;2039年第一组行星发动机建成,2060年最后一组建成,2065年地球停止转动。! H: H' t2 @: |) n: _
第二阶段【逃逸时代】全功率开动行星发动机,使地球加速到逃逸速度,飞出太阳系;( u% o. Y" _8 F0 j" D
不过,行星发动机的推力没有我们想象得那么强,它只能给地球很小的加速度,不能把地球一下子推出太阳轨道,在地球离开太阳之前,还要绕太阳转15圈,慢慢加速,逃出太阳系。
/ ^- r/ [5 H3 C- U ~ 第三阶段【流浪时代Ⅰ(加速) 】地球在外太空继续加速,飞向比邻星;这个阶段,地球脱离太阳系轨道,飞向目标,不间断地加速500年,加速至光速的千分之五,这500年中,发动机将烧掉亚洲大陆上一半的山脉。然后地球以光速的千分之五滑行1300年,走完三分之二的航程,3 t. O1 R- Z0 d. U$ \) A9 Y
第四阶段【流浪时代Ⅱ(减速) 】地球掉转方向,用行星发动机开始长达500多年的减速;再用100多年的时间,泊入比邻星的轨道。" Y$ z4 }* V' E
第五阶段【新太阳时代】地球成为目标恒星系新的行星,人类抵达新家园。
# i$ E* s! G0 v1 {8 l7 | 人们将看到半人马座三颗金色的太阳在地平线上依次升起,万物沐浴在它温暖的光芒中。固态的空气融化,变成碧蓝的天空。两千多年前的种子从解冻的土层中复苏,大地重归绿色。/ V- V/ Q2 C1 r+ X- z; a
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半人马座的三颗太阳
. p% ^# M1 }2 [( m/ ^ |; C 这就是建造行星发动机的意义$ x p- c( h4 c" b2 m$ a: \
二、行星发动机如何产生推力?
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, J8 }: ^4 }7 I/ h0 w, X 发动机利用真空岩石重聚变技术作为动力源,通过氦三激发硅原子重聚变链式反应,从而获得高能高压的等离子流。这股等离子流沿着发动机喷口向指定方向喷射,通过反作用力推动地球前进。全功率运行时,一台行星发动机平均每秒产生150万亿吨的推力。4 e2 ]# }' F3 i( P1 j& Q
这并不是发动机运作功率的极限,如果使用特定的催化材料和石料混合放入反应炉中,发动机可以产生200万亿吨的推力。
) O1 m+ Y6 n" ]+ X* s4 q( V 但是如果长时间这样运作,发动机会因为散热能力不足而发生故障。由于内壁散热能力有限,发动机采取脉冲喷射的方式运作,通常的运作周期是每60秒进行一次全功率喷射,喷射持续10秒,间隔50秒以便散热。- [; k+ x9 y. v1 _4 s
当然,这个喷射周期可以在发动机控制中心进行调整,比如,春节十二响,比如,七娃合一。
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这里半只猫解释一下什么是“重聚变”,首先把这个词拆分开来。
3 f: w5 j7 Z/ M1 C1 f “重”是指重元素,也就是元素周期表里原子序数比较大的元素。原子序数,就是原子核内质子的数量,越多也就越重。氢元素的原子序数是1,硅是14,铁是26,
) f7 p I% K- S* \/ g “聚变”是核反应的一种,在极高的温度和压力下,让核外电子摆脱原子核的束缚,让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,这个过程将产生巨大的能量。
g9 Z% R6 l4 e% I 1公斤的氢聚变为氦的过程,产生能量约等于150573.6吨TNT的当量。' b+ o( e0 Q0 n& g7 P, j% _. S
. T6 Q0 R4 I( W9 L# k9 u 但是即便如此,就算烧完地球上所有的氢元素也不足以支撑人类到达遥远的比邻星,所以才要烧地球上随处可见的石头,本质上就是石头里硅元素的核聚变。$ V9 f: }1 v6 [
不过原子序数越大,条件也越苛刻,氢元素核聚变需要1000万摄氏度,氦元素核聚变需要2亿度,到硅元素至少需要10亿度,甚至更高,太阳都达不到那么高的温度。9 h* @" a$ T) z l) k/ w
那人类到底是如何实现重聚变的呢?现实里我们有生之年恐怕都很难见到,小说里压根没提,电影里则增加了“火石”的设定,使其成为行星发动机启动的必要条件之一。发动机一旦停止运行,就需要安装新的火石才能启动。
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9 f3 l5 |& ?8 N 火石
4 v+ ]5 Z7 ]3 J+ B+ b& f' _! w 每个火石只能使用一次,可以瞬间产生百万度的高温,启动重聚变链式反应,一步步实现重元素核聚变所需的苛刻条件。) H, w; k' M3 w7 S
火石本身就是个非常危险的东西,所以火石没有就近存放在行星发动机附近,而是要千里迢迢地运过去。
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2 f" n) O" h) M) M 火石机械臂1 J4 y/ q1 j* s
但火石可以被枪打坏,这个情节就让人有些尴尬了,我们暂且理解为,是打坏火石的引信装置吧。4 V- K# V, }% I$ S- s( \. g
三、行星发动机的参数和结构' j; \1 ?1 q" ^9 G8 g4 o) p
- `( X" F( w# w) u8 T* H 行星发动机,也叫地球发动机,英文名Earth engine,人们也称它们为“上帝的喷灯”% M9 A' n2 J- c
: z8 M6 p* y, ^" t% T 上帝的喷灯概念画
! C/ k- i3 d7 V5 P( `9 I 行星发动机共有12000台,分为推进发动机和转向发动机两大类。前者有10000台,负责为地球提供前进的动力,安装在北纬30° 以上的亚欧和美洲大陆各个平原上,因为只有这两个大陆完整坚实的板块结构,才能承受发动机对地球巨大的推力
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转向发动机有2000台,安装在赤道上,不直接推动地球,作用是停止地球自转,保持地球运行轨道的稳定,通常以较低功率运行,当地球需要改变方向时,则会根据需求大功率开启其中一部分。, F, X, v; W; P. {. V3 `
6 i- M) r4 G: H' X 转向发动机1 f ?4 u+ l" C- `% T/ Q" y1 {# t
外部结构0 s4 E: d9 u/ g9 T% X4 ^" ^
行星发动机依山而建,高度从8公里到11公里不等,成矩阵放置。
' t" Q0 K% A! m, t7 k 为了让发动机启动时不会下陷,底部用最新的复合材料制作了直径超过100公里的支撑面,以降低对地表压强,中间有7个支撑臂。3 q* A. H+ \! w/ |4 l$ W5 ]
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正下方建造了地下城,人类利用发动机产生的能量在地下生存。
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# ? Z# Q( i/ p7 O, | 7个支撑臂
' A0 w+ _/ M0 i# J* Q 发动机最外围是平均高度600米、厚度300米左右的高大防洪堤,为发动机运载燃料的运载车就停靠在这里。
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最前面的就是堤坝+ ]. D6 f& u: ?# B2 T) V, a5 p& ^( e1 H
地下城的电梯出口也在防洪堤顶端。防洪堤与发动机外部的冰原和发动机主体结构以桥梁相互连接。
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, Y0 [# j# R5 g' A- M 推进发动机有3000台大型发动机,直径33公里左右,7000台小型发动机,直径10公里左右。转向发动机的规模和建制与大型推进发动机相当
' C5 r5 a' C3 u$ S: `$ ~# x5 @ 人们称呼大的叫“山”,小叫“峰”。比如小说里称呼一台发动机叫:“华北794号山”。
9 H; |8 D4 r6 V# K8 e& T" | 登“峰”靠巨型电梯,登“山”则必须坐车沿盘“山”公路上行。
( a) I' f. `4 b- v 大型发动机的进料口在6000米~7000米处,运载车会把石头运到这里喂给发动机,作为燃料。7 v5 w( M3 @ M0 T; [/ E
# z1 v5 @" T. |; F3 @: P# r( h- i 进料口
! b: m" [ S b% z, g" o 内部结构7 V, |1 D8 G: g: E: P! x: e. t
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以电影里赤道上的苏拉威西发动机为例,我们具体介绍一下发动机的构造。
6 O* w- ~" |/ o. K 发动机指挥中心在距离发动机外壁3公里处,有直达地下城的主电梯以及备用电梯。
5 i* k/ B* q. R4 w q6 w1 [ 指挥中心上层设施包括:中枢电脑和电路室,是主要的程序控制区域,李一一和老何在这里破解发动机的程序。指挥中心下层,是控制发动机喷射口的联动装置,也就是王磊队长等人推动“撞针”的地方。
5 _0 x; U/ ?* \3 J A" L 苏拉威西发动机
% w& q3 R+ V7 D& j* B0 ?1 d 这里说个题外话,其实制作团队自己都觉得撞针需要手动操作不太合理,但剧情上,需要一个众人拾柴火焰高的场景,于是就有了一群人“推针”的情节。1 I2 c& p) l8 D& b$ T
& ~6 I x3 x- t T+ P 流浪地球导演郭帆
: Q- ?2 P4 {7 i7 @" Q) H 围绕发动机主体,有几百米高的高速路桥梁,刘启开着运载车从这里进入发动机内部——发动机点火核心。. u- N" T: V4 J/ x/ b! M1 @
3 n+ @8 _3 l$ I* P, A( W( m: M# | 通往点火闸的通道
. y, c M; W* k; C 发动机点火核心的室内温度可达120度,必须穿冷却服才能进入。9 ^7 @! E4 |. } \5 V
一直往中心位置走,有一条车行通道可以到达反应堆点火闸,也就是男主角安放火石的地方
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反应堆点火闸4 q7 ~3 j2 ?' w% A3 ~
点火闸往上延伸的就是行星发动机的主体,重聚变反应堆,发动机的核心装置,石料发生反应产生能源的区域。* ?) l3 \* A3 W" N. @" j$ t8 ]
' H3 A1 d% R0 [3 Z G 重聚变反应堆
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再往上,就是等离子喷射口,发动机的喷射方向可以在指挥中心进行调整,调整角度的极限是15度。; j& `2 d( x7 d. `
/ A( `* T5 C& t 喷射口细节& E/ s, V2 e. r: B; s+ E. L ?
每个发动机的喷口不止一个,而是由上百个喷口组成阵列。这是为了让喷射的能量更加均匀而不是集中在一个点上。但是电影中李一一为什么说是7个发射口呢,你可以理解为七组喷口,每组有14个小喷射口。
! [+ e x! ~0 J' ]* f4 A- ?- @ PS,百度百科里有一段关于行星发动机内部结构的描述,但我没有找到官方出处。这段描述最大的问题就是,1亿度还不足以发生硅元素聚变。9 x4 b0 `/ ~0 o! h8 \1 l
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百度上的截图( N# i$ ^. m' S. E% h, Y% |
四、行星发动机对地球产生的影响? s3 K' M3 J5 c7 T0 A
行星发动机的等离子光柱把整个北半球照得通明。并且带来酷热,周围户外气温高达七八十摄氏度,必须穿冷却服才能外出,在这样的气温下常常会有暴雨。" r6 i$ C" _8 P- ~2 _2 Z% Q+ t4 a
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行星发动机加速造成的潮汐,吞没了北半球三分之二的大城市,发动机带来的全球高温融化了极地冰川,更给这大洪水推波助澜,波及到南半球。加速产生的百米巨浪轰鸣着滚上每个大陆,灼热的飓风夹着滚烫的水沫,在林立的顶天立地的等离子光柱间疯狂呼啸,拔起了陆地上所有的大树
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' S& h: k1 C1 a: O9 r, \ 另外,由于行星发动机产生的加速度及运行轨道的改变,地核中铁镍核心的平衡被扰动,其影响穿过古腾堡不连续面,波及地幔。各个大陆地热逸出,火山横行,这对于人类的地下城市是致命的威胁,岩浆渗入灾难频繁发生。
$ E* M# w; Y. a- s& C 五、现实中能否造出行星发动机?
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有网友曾经估算过,如果要造出电影里北京三号发动机,光是框架结构总重量就达到了1400多万亿吨,按每吨4000元的价格, 就超过了500亿亿元。
5 w7 f' i, D5 @' A8 o- C 而根据2021年世界钢协的数据,全球粗钢产量也只有19.51亿吨,连造行星发动机的一条支撑臂都远远不够。# O' v0 o) t6 f: s) S% J2 ~; e
更不用提“重聚变反应堆”了,我们现在连最轻的元素聚变技术,都还存在着许多问题。重元素聚变,那可能是几辈子以后事了: e+ {' P0 M' N! r0 H
当然还有人说,即便造出来了,地球的地壳结构也承受不了,或者动力远远不够,让地球飞往比邻星,简直就是空谈。6 h, V1 g$ j0 L
但科幻,不就是这样吗?2 Z/ H+ @" Y m2 s9 {! v1 i
曾几何时科幻作品里的“不现实”,有多少已经走入了“现实”。如果人类连想都不敢想,那和被三体人的智子封锁了科技又有什么两样呢?
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让我们一起期待有更多“敢想”的科幻作品吧。喜欢深挖电影的小伙伴记得给半只猫点个赞,评论区里来催更吧! l; z0 p# A- T. m0 s
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