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啥是行星发动机?啥是洛希极限?流浪地球超详解析

来源:GI引力创新

期盼已久的春节档最耀眼的电影——《流浪地球》终于上映了!这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影,历时4年与观众见面,仿佛让人等了几个世纪之久。终于,中国科幻电影今天正式起航!

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显然,为了打造中国第一部真正的硬科幻电影,流浪地球的团队做了大量的功课,整部电影对太空、航天、天文、机械等有着丰富的表现。

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领航员国际空间站

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Expace 快舟火箭

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木星引力弹弓

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行星发动机

硬科幻的魅力是什么?

大概就是能跳出故事本身

让我们对生活产生不一样的思考——

导演对行星发动机的设定是怎样的?

现实中,“流浪地球”真的可能发生吗?

明知靠近木星有危险,为什么地球还要走这条路?

带着种种疑问和思考

听着热血超燃的推广曲

让我们一起了解电影的背后设定

共同走进科学的奥秘!

啥是地球发动机

在电影中,太阳内核急速老化,不断膨胀,地球将被吞没。为了生存,人类倾尽所有,建造了一万做驱使地球前行的行星发动机。一万座行星发动机全功率开启,驱使整个地球离开太阳系,踏上流浪之旅。

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流浪地球制片人龚格尔告诉引力创新,按照电影的设定,一号行星发动机始建于公元2034年,一般计划建设周期为5年,但根据实际建设情况,通常竣工时间为4年6个月左右。

整个行星发动机建设工程持续了27年,到2060年最后一座行星发动机竣工为止,总共进行了18个批次的建设。其中首批发动机建设周期为2034年至2039 年,在首批发动机试运行成功之后,联合政府于2040年起,每年开始新一批次发动机的建设,直到2056年最后一篇发动机破土动工。

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行星发动机分为了两类:推进发动机和转向发动机,前者负责为地球提供前进的动力,后者负责控制地球前进的方向。

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推进发动机安装在北纬30°以上的亚欧和美洲大陆上,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。

推进发动机共有10000台,其中3000台为直径在33公里左右的大型发动机,7000台为直径10公里左右的小型发动机。

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沿着赤道分布的转向发动机规模和建制都与大型推进发动机相当,通常以较低功率运行,保持地球运行轨道的稳定,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。

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单体发动机依山而建,高度从8公里到11公里不等,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,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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电影《流浪地球》中的防洪堤顶端

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,降低对地表压强。中央控制室控制一组矩阵的安全运作,包括防止过载系统。 在行星发动机正下方,人类建造了地下城,利用发动机产生的能量在地下生存。

运送燃料的车队是由载重3000吨的巨型自卸卡车组成,车上满载着从附近山脉或地下挖出的岩石,顺着发动机盘行公路送往大概在7000米处的进料口。

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发动机利用真空岩石重聚变技术作为动力源,具体来说就是利用岩石中的硅元素进行核聚变反应,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,通过反作用力来推动地球前进,发动机的喷射口向可以在控制中心进行调整,调整⻆度的极限是15度。

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每个发动机的喷口不止一个,而是7个矩阵喷口组成阵列,这是为了让喷射的能量更加均匀而不是集中在一个点上。

大型发动机全功率启动时,每次喷射能产生150亿吨的推力。但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材料混合放在反应炉中,发动机可以产生200亿吨的推力,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。为此发动机还设计了脉冲喷射功能,主要用于平稳飞行的流浪时代。

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说完了电影的设定,我们再回到真实世界中审视这些技术。

首先,所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”,内部就在进行着重元素聚变。

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重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计,地球要达到逃逸速度,也必须烧掉7亿亿吨的石头,相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料;要达到光速的百分之一,则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球,那就借助精巧的轨道计算,利用天文尺度的力量——万有引力。于是人类将目光投向木星,这就是为什么电影中的流浪地球计划需要推动地球靠近木星。

啥是木星的引力弹弓

航天中存在引力弹弓现象。利用它,可以令航天器零消耗、低改变方向、提升速度,送达目标轨道。

当年的旅行者一号、旅行者二号就借助了木星的引力弹弓,获得了极高的速度,现在都已经飞到了星际空间。

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引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。

这里我们用木星(红色球)和地球(蓝色球)举个例子,如图a和图b所示。

地球以速度V靠近木星,而木星在轨道上以速度U运行

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图 a 引力弹弓的示意图

足够靠近后,地球被木星引力抓住,牵引,优雅地转体半周,然后像掷铁饼那样甩出去。

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图 b 引力弹弓的示意图

感谢木星甘当人梯的奉献精神,地球获得了木星的轨道速度U,叠加上原有的速度V,速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了,却没有消耗任何燃料,就奔着新家园去了。

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但如果变轨时离一颗巨行星太近的话,这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

为啥行星发动机熄火

当地球靠近木星时,人类突然遭遇了巨大危机——数千台行星发动机故障熄火了,全球地震,火山爆发,岩浆吞没了地下城……

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为什么几千台发动机会同时熄火呢?为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢?这一切灾难的根源是“洛希极限”——简单说就是地球离木星太近了,太近会发生什么呢?

啥是洛希极限

洛希极限(Roche limit)是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时,它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明,地球和木星的距离如果低于103万公里,那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球;如果距离低于7.44万公里,那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕,我们拿一个茶壶和茶杯举例子:

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图 c 用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水,让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底,水滴会越拉越长,最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场,实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大,当它靠近木星时,离木星较近一侧受到的引力,将比较远一侧大得多,因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》电影中,地球已经到达了地木“流体洛希极限”(地木距离约10万公里)。在此处,液体和气体不再能被地球引力束缚,而倾向于逃逸;而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿。

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图 d 地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

再靠近木星一点,地球将进入地木“刚体洛希极限”(地木距离7.44万公里)。在此处,就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎,地球将彻底解体。

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图 e 地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

可以想象《流浪地球》中,人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行,那样会被潮汐力撕碎;太远离木星也不行,那样无法借助引力弹弓变轨……

好科幻对科学有指向意义

限于时间和篇幅,在此只能对《流浪地球》中两个关键情节的科学背景进行讨论。实际上电影中涉及的科学知识非常多,设定详实,且高度融入剧情。

最重要的是,它们引出了很多值得思考的问题。从这个角度看,一部好的科幻电影真的能开启观众、尤其是孩子们的想象力与求知欲。好的科幻作品,尤其是硬科幻,对于科学是有比较强烈的指向意义。

来源:GI引力创新