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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。
+ o, i: i z9 @! { 这一期,半只猫会从以下方面全面解读“行星发动机”$ }2 t9 k' G3 V8 n
1、为什么要造行星发动机?
- l1 T' D1 ^7 l3 T' o 2、发动机如何产生推力?5 h& E5 B" n/ ^6 j# O$ Z5 K9 E
3、发动机的参数和构造?" Y4 s8 j b# r! C3 ?
4、对地球产生的影响?0 B% g1 s% R( _+ A7 w* K; u1 l p F
5、现实中能否造出行星发动机?* l( B0 n% W& O+ v
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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#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#
+ U* o; M' {- [0 s 一、为什么要造行星发动机?4 h0 H- P5 d3 C6 y3 {- t
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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。! @$ X; b2 E+ ~
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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。
7 _1 `; W6 \3 G 而行星发动机则是整个计划的关键所在。
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星系示意图1 e; i( i# p; ?2 s6 e4 r# K8 |
人类的自救之旅分为五步:1 @! o2 u; I ]' J. S+ y7 F: \
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。
% ?" v; W( L0 k8 {! J4 _' ^ 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;
: g* G% \, [/ X i! f' x 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。+ @9 K6 `& v2 y! n* p0 K
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,% V4 U+ q/ a2 L3 U: w
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。) Q1 z. E% M: ]
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。
. ~; R; l+ c) ~ 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。
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半人马座的三颗太阳
/ z" N6 U- }6 L9 N' S 这就是建造行星发动机的意义
, p! r& U9 \1 T0 W! n! f 二、行星发动机如何产生推力?) O. O) J. U& y9 \' A- Z8 E
! B: N2 l% X( D+ X6 A 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。
5 V- r5 p. z6 z 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。
8 s0 v" [2 d1 B# L3 ] 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。
1 \* h8 H6 k" j' |4 [8 _( ~ 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。; F! i! @- r. F* M
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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。, }! y7 H W C% w z% [. R
“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,
* I5 ] O) J5 H8 x “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。
9 K$ n. i8 |! I3 u* V 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。
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8 g8 o0 C& Y- t! s' P9 L _ 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。( b6 P8 ~/ S2 X2 t$ ]
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。4 a2 g1 I5 Y4 p* t2 `! W) C
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。8 P- M6 ^5 m/ \: z) \/ }
/ r- |) Z' u. o 火石8 g3 y( Y9 ]1 Y
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。
9 B" j/ g" K. P 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。2 |5 K% s- B# r8 w9 q; c7 e
) r, M0 l) I3 s: Z9 K$ i 火石机械臂
- W+ g" ~! Z* b7 _% E& N4 h 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 G7 @( Q7 Y" t 三、行星发动机的参数和结构( F; _8 K( L. L5 A4 { `
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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”
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上帝的喷灯概念画 c1 r. m o9 c
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( o7 w* f5 f2 y5 D
" F/ g) E1 w; n 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( o- U. y% M4 D
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转向发动机
, }! ~8 E7 y4 F0 B: ^ 外部结构$ i' q4 F( q9 ~6 D- `2 v2 P
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。! ^/ L' ^: b, ]) Q: V, M3 q4 C# ]
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。2 ]' M c5 l4 X6 j* q
z+ y5 A# y) l6 b" P0 T* M6 ~ 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。6 F' X7 m9 B* \3 L! v1 i
( W% `! x$ y! T% O) [" l0 k 7个支撑臂
: `3 P, B: y4 w# U' h/ | 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+ q" s% k, f9 h- l
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。9 J B" g3 J: h& m' L
- _+ F% k j/ f/ U$ e1 E& @ 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
( L1 ^- X- t5 a- M# s% y 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”。# I' B7 n* h- j% s( _ f
登“峰”靠巨型电梯,登“山”则必须坐车沿盘“山”公路上行。
3 M9 }2 B3 }' V' c 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。
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: W) s, h3 `" a* J9 o5 I 进料口' y5 h7 f8 b5 A
内部结构6 k$ v" T; U/ Q: o7 w
, M7 G9 C4 x0 I" J 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。2 Q' e& D/ r4 R- q( G
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。9 B9 J. |/ J6 Q; f: S; z
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。
7 N& Z5 O' i. R& h$ ?$ n9 k 苏拉威西发动机
+ |7 r/ l2 N* x" e" u. u0 Z" k 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。& U7 {! b% w0 a' ~" C* K
) h* F/ e) E* u6 f 流浪地球导演郭帆
/ t4 K' w5 R8 u) l4 a2 x 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。* ?% l% _+ o2 G
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通往点火闸的通道
# E! C5 h6 G% F& ` 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。3 Q( K& F0 R2 y! p* [. W% ?
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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# t- p' C1 [" b0 O; p 反应堆点火闸9 B% }0 {+ @6 |7 F
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。& c. y% }" v; v5 d! C
0 y* u+ y) @+ @' n" ]1 P& @# M" @ 重聚变反应堆. b' q% A: r6 n M% G! t
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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。5 M- f7 ]$ g' h- Z N$ H: F
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喷射口细节
; E0 ]$ j- E) S- X7 \8 v 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。
* X. C+ O: |$ t7 f& z( s: Y. ] 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。. g+ g8 q& ]* z4 L, ~1 J
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百度上的截图
. p! Y! L( l; m' q 四、行星发动机对地球产生的影响?
# r9 e/ ?8 x' w3 _. P% L 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。
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8 t8 } u- | k$ n1 Y4 I 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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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。7 b% |) J5 t" M0 W# I8 K& {7 {
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。* b. |) y$ F* F% u5 `$ ]
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。
/ ~4 I+ N: k$ X2 X% q5 w 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: M+ E$ y! D2 E% a/ J
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 v) ?% m7 \1 }- }% T9 h2 v X
但科幻,不就是这样吗?. p$ [2 p, y1 c. C# ~
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?7 M2 _9 T! N c+ F
/ G9 _& |% b W( n# i 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0 @# v4 w5 C$ V- b, m
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