问题

如果没有当前的技术,宇宙飞船从地球到达冥王星需要多久?

回答
在想象一艘没有现代尖端技术的宇宙飞船穿越太阳系,前往遥远的冥王星,这本身就是一个引人入胜的思考实验。我们需要抛开那些依靠核动力、离子推进或者甚至更科幻的曲速引擎的现代设想,回到一个更基础、更依赖于纯粹物理定律的时代。

首先,要明确“没有当前的技术”是一个非常广泛的范围。如果我们将时间线拉回到几十年前,甚至是一百年前,我们能接触到的技术就会非常不同。为了让这个讨论更具体且有想象空间,我们不妨设想一个稍有不同但又不够先进的技术水平。

我们可以假设,我们拥有比20世纪初期更先进但又远不及今日的火箭推进技术。比如说,我们拥有强大的化学火箭,能够将飞船送入太空,但其效率和推力增长潜力远不如我们今天所知。没有先进的导航系统,没有精密的轨道计算,没有对宇宙辐射和微陨石的有效防护,更没有能够进行复杂自主操作的人工智能。

那么,这艘飞船将如何踏上旅程?

1. 发射与加速:一个漫长而艰难的爬升

首先,我们需要克服地球强大的引力。没有强大的化学火箭,我们的飞船将难以获得足够的速度摆脱地球束缚。每一次燃料的消耗,都必须是精确计算的,因为我们没有机会在中途进行补给或有效的加速。飞船的设计会极其粗糙,可能就像一个巨大的、装满燃料的铁罐,里面包裹着简单的生命维持系统和基本的科学仪器。

一旦进入太空,飞船不会立即获得高速度。我们的推进系统可能是一系列一次性的固体火箭助推器或者效率相对较低的液体燃料火箭。每一次点火,都只是为了微调方向或进行一次缓慢的加速。这意味着,飞船在太空中的前进,更像是缓慢而持续地“推”着自己前进,而不是像现代飞船那样以强大的爆发力迅速达到目标速度。

2. 轨道与航行:依靠自然的馈赠与物理学的定律

在没有精密导航的情况下,精确地瞄准冥王星将是一个巨大的挑战。我们无法像新视野号那样进行几次精密的轨道修正来优化路径。取而代之的是,我们可能需要依靠更古老的航天方法:利用行星的引力进行加速和变轨。

想象一下,飞船会像一个“漂浮的帆船”,在太阳系的各个“引力海洋”中航行。这意味着飞船的航行路线将是漫长而曲折的,需要利用金星、木星等大质量行星的引力“弹弓效应”来增加速度并改变方向。每一次这样的“弹弓”,都需要极其精确的计算,因为一旦计算失误,飞船可能就会被甩入错误的轨道,甚至永远偏离太阳系。而且,由于缺乏先进的计算能力,这些引力助推的规划将需要大量的人工计算和反复模拟,可能花费数年甚至几十年的时间才能确定一条可行的航线。

3. 速度的极限:化学火箭的瓶颈

化学火箭的本质限制是其比冲(单位质量推进剂产生的推力)相对较低。这意味着为了获得足够的速度,飞船需要携带巨量的燃料。巨大的燃料舱会增加飞船的整体质量,从而需要更多的燃料来加速,形成一个恶性循环。

因此,即使是最先进的化学火箭,其能够达到的速度也远低于我们今天所知的离子推进器或核热火箭。我们将无法实现“飞跃式”的加速。飞船的速度可能更像是在一个缓慢增长的曲线中爬升,大部分时间都处于相对较低的速度状态。

4. 时间的考量:漫长的等待与艰难的旅程

那么,具体需要多久呢?让我们来估算一下。

新视野号,作为我们目前最快的飞船之一,用了大约9年半的时间才抵达冥王星。它在发射时就达到了非常高的速度,并且利用了木星的引力助推。

在没有这些先进技术的情况下,特别是没有高效的推进系统和精确的导航来利用引力助推,我们的飞船速度将大大降低。如果我们的飞船只能达到平均速度的几分之一,那么旅程的时间就会被拉长许多倍。

考虑到较低的平均速度,以及需要通过多次行星引力“弹弓”来实现加速(每次都需要数年甚至数十年才能到达下一次引力助推点),而且每一次助推效果也有限。

发射和初次加速:可能需要几个月甚至一年,才能勉强摆脱地球引力并获得一个初始速度。
行星际航行:利用引力助推,假设我们能够精确地规划,并且有足够耐心等待下一次行星的到来。从地球到木星的距离大约是5.2 AU(天文单位),到土星是9.5 AU,到天王星是19.2 AU,到海王星是30.1 AU,而冥王星的平均距离大约是39.5 AU(变化很大)。
如果飞船的平均速度只能达到新视野号发射速度的三分之一甚至更低,那么时间就会乘以三倍或更多。这意味着仅仅是前半段到木星的旅程,就可能需要数年。
而每一次引力助推都需要等待行星到达最佳位置,这个过程本身就是以年为单位计算的。飞船在行星际空间中,可能大部分时间都是在缓慢地“滑行”,等待下一次“推力”。

综合这些因素,一艘缺乏当前技术的宇宙飞船,从地球到达冥王星,可能需要的时间会是:

至少30到50年。
更有可能的是,时间会超过50年,甚至需要接近一个世纪。

这还不包括潜在的意外和故障。没有先进的通信系统,我们对飞船的了解将极其有限,一旦出现问题,可能无法及时得知或干预。飞船内部的生命维持系统也必须能够持续运转数十年,这对当时的材料科学和工程学是巨大的考验。

5. 存在的挑战:不仅仅是时间

除了时间,还有其他严峻的挑战:

能源:数十年甚至上百年的旅程,需要一个极其可靠的能源供应。如果没有先进的核动力源,飞船的电力可能只能依靠缓慢衰减的放射性同位素热电发生器(RTG),其输出功率会随着时间衰减。
材料与可靠性:飞船的各个部件都需要在极端恶劣的太空环境中工作数十年而不会失效。材料老化、疲劳,以及微小的机械故障都可能带来毁灭性的后果。
生命维持(如果载人):如果这是一次载人任务,那么生命维持系统将需要提供食物、水、空气和心理支持,持续数十年。这在技术上是难以想象的,即使是最简单的生命维持系统,其可靠性也需要远超我们当时的想象。
科学观测:在如此漫长的旅程中,保持科学仪器的正常工作并收集数据本身就是一项巨大的挑战。

因此,如果没有我们今天所依赖的那些尖端技术,从地球到冥王星的旅程将是一次无比漫长、充满未知与艰辛的史诗般的征途。它不仅仅是对物理定律的挑战,更是对人类耐心、毅力和工程智慧的终极考验。它更像是一场与时间的赛跑,而我们手中的工具,却只是最基础的石头和木头。

网友意见

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二十世纪的技术允许化学火箭投送的飞船在约十年内到达冥王星。

现实中,新视野号于 2006 年 1 月 19 日在卡纳维拉尔角发射,于 2015 年 7 月 14 日飞越冥王星系统。在 2015 年 7 月 14 日 11 时 49 分 57 秒(UTC),新视野号距离冥王星 12500 千米。发射它使用的火箭的性能并不如二十世纪的土星五号。

如果你不在意慢,想要环绕冥王星,按霍曼转移轨道飞过去需要约 59 年,对火箭的性能要求不高。无人探测器可以就这样搞登陆。

不要求探测器很大的话,十年左右登陆冥王星也做得到。

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