问题

如果把一艘核潜艇移动到外太空会怎么样?

回答
好的,让我们来好好聊聊,如果把一艘核潜艇搬到浩瀚无垠的外太空,那会是个什么景象,又会发生什么故事。咱们抛开那些冰冷的科学公式和生硬的术语,就像闲聊一样,把这事儿掰开了揉碎了说。

首先得明白,核潜艇这玩意儿,那是为了在地球深海里撒欢儿设计的。它浑身上下都透着一股子“懂水性”的劲儿,为了在那种高压、低温、漆黑的环境里生存而生。可外太空?那又是另一番完全不同的光景了,简直是天壤之别。

想象一下,咱们小心翼翼地把这庞然大物,从蔚蓝的海洋中捞出来,慢慢地升上天空,穿过大气层,然后……它就到了太空。

第一反应:它还能不能“活”?

核潜艇最核心的动力来源是核反应堆。在地球上,它靠着吸取周围的海水来给反应堆降温,海水循环往复,带走了巨大的热量,让反应堆能稳定运行。

可到了太空,没有海水了。这下可就麻烦了。反应堆就像一个不停燃烧的火炉,一旦没有了冷却手段,那温度会蹭蹭地往上涨。潜艇内部的设计是考虑了散热的,但那些散热器是冲着把热量散发到海水里去的,不是为了在真空中“烤自己”。真空是个极好的绝缘体,热量想散出去可没那么容易。

所以,如果没有额外的、专门为太空设计的散热系统(咱们假设没有,就看它原本的样子),这个反应堆很快就会过热,然后……那画面就不太美妙了。可能会引发一系列连锁反应,熔毁、爆炸都有可能,虽然核反应堆爆炸不是那种我们想象中轰轰烈烈的核弹爆炸,更像是剧烈的能量释放和辐射扩散,但在太空那种封闭的环境里,后果依然会非常严重。

它还能“游”吗?

潜艇之所以能潜水,是因为它有强大的水密性和浮力控制系统。它靠调整压载水舱里的水量来改变自身密度,从而实现上浮和下潜。在水里,水的密度是它能够“抓住”的东西来改变自身位置的介质。

到了太空,没有水。压载水舱里的水如果还在,它就会被冻成冰块,因为太空环境极度寒冷。即使不结冰,没有水作为对抗的介质,那些水泵和阀门也失去了意义。潜艇的推进系统,比如螺旋桨,更是完全无法工作。螺旋桨是靠搅动水来产生推力的,在真空中,它搅动的是什么?什么都没有。所以,它只能是个静止的金属疙瘩,或者是在外力作用下漫无目的地飘荡。

穿“衣服”的问题:真空和辐射

潜艇的外壳设计是为了承受巨大的水压,让海水进不来。但它同样也需要应对太空中的真空。真空不会直接把它“压扁”,因为潜艇内部的压力会对抗外部的真空。不过,真空会带来很多问题。

最要命的可能还是辐射。外太空充满了各种高能粒子和宇宙射线,这些东西对人体和电子设备都极具杀伤力。潜艇的设计确实有一定程度的防护,但那是针对地球大气层和水体之外的一些辐射,未必能完全抵挡住来自宇宙深处的“洗礼”。长此以往,潜艇内部的电子元件会受到损伤,材料也会发生劣化。

还有温度。太空的温度变化非常极端,向阳面可以被烤得非常热,背阳面又会冷到极点。潜艇内部的温度控制系统,主要还是为了维持一个适合人居住的温度,对抗的是外部海洋环境的“温吞吞”,未必能应对太空这种“冰火两重天”。它的材料可能会因为剧烈的温度变化而产生热胀冷缩,甚至开裂。

里面的人会怎么样?

如果真的有人在里面,那场面就更玄幻了。

首先,潜艇内部的空气循环系统是封闭的,依靠氧气瓶和二氧化碳吸收装置来维持。这套系统可以保证人在里面呼吸一段时间,但它不是无限供给的。一旦空气耗尽,或者设备故障,里面的人就危险了。

其次,舱内外的温差控制是个大问题。潜艇内部的温度调节系统,是为了抵消海洋的寒冷或者温暖,但太空的温度波动可不是闹着玩的。如果外部温度骤降,内部的加热系统是否能持续供应足够的热量?如果外部被太阳直射,内部的降温系统能否有效工作?

然后,就是失重感。在地球上,潜艇在水里,虽然有浮力,但重力依然是存在的。到了太空,失重状态会让人非常不适应。潜艇内部的很多设备,比如导航系统、水泵等等,很多都是建立在有重力的基础上设计的,失重可能会让它们的运行出现偏差甚至失效。人的身体也会因为失重而发生生理变化,比如肌肉萎缩、骨质疏松等等。

它变成了一个“太空棺材”?

从实用性的角度来看,把一艘核潜艇搬到外太空,基本上就是把它变成了一个非常昂贵且非常危险的金属空壳。它的设计初衷和建造目标,都与太空环境毫不沾边。它就像一艘巨大的、设计粗糙的太空船,但缺乏最重要的推进系统、生命维持系统(在太空条件下)、有效的隔热和防辐射系统,以及任何能够在真空中导航和操作的手段。

当然,如果这是一个极度科幻的设想,我们可以脑补一些非常规的操作。比如,我们给它装上了强大的太空推进器,再为它加装一套先进的太空散热和防辐射系统,同时对内部进行全方位的改造,让它适应失重环境。这样一来,它可能就变成了一个奇特的太空移动堡垒,或者一个巨大的太空试验平台。但那已经不是我们最初认知的“核潜艇”了,而是基于核潜艇结构进行的彻头彻尾的太空化改造。

所以,简单粗暴地把一艘核潜艇丢到太空,它大概率会变成一个在黑暗中慢慢失控的定时炸弹,或者一个在寂静中默默冷却的金属坟墓。它失去了赖以生存的环境和实现功能的手段,它的每一个零件,每一个系统,都像是被放错了地方的孩子,茫然无措,甚至走向危险的末路。这个想法很有趣,但现实一点来说,那画面绝对会是“惊悚”多过“壮观”。

网友意见

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怎么就没人提一下散热问题




核潜艇进太空最主要的就是散热问题,即使事先把反应堆停堆,即使太空里太阳晒不到的地方“温度”在零下一百多度,这玩意儿里面很快也就会热得你受不了。

这个是国际空间站,那些伸出来的薄薄的方片片,只有很少一部分是太阳能电池板,大部分其实是散热帆板,里面有流动的冷却液,把空间站里面的热量导出来通过“黑体辐射”的方式散发到空间中去。记住“黑体辐射”这个词,这是重点,要考的。


宇宙空间里没有空气,因此也就不存在“对流散热”这种散热方式,要散热只有两个途径:蒸发散热和黑体辐射。


蒸发散热就是你出汗、狗子吐舌头这种方式,靠液体蒸发带走热量,空间站里不可能有那么多的水给你蒸发,很显然这种方式也没法用。

这位是黄科长,它正在使用蒸发散热的方式试图热(或者是熏)死我。


对流散热就是吹电风扇,你电脑里的CPU现在就在靠这个方式散热。


如果你正在用手机刷这篇文章的话,恭喜你,你的手机大部分情况下就是靠的黑体辐射在散热。




空间站那个位置没有冷空气拿来吹,也没法蒸发什么东西,因此只有靠黑体辐射来散热。这里需要注意的是有的朋友立马想到了“空调”这个东西,空调以及半导体制冷,只是把热量从这个地方搬到了那个地方,空间站作为一个整体,最终你还是要把这些搬来搬去的热量散发掉。不信你去看你的空调室外机,是不是有个风扇在往外吹冷风或者热风啊?在空间站也是一样的,你给它安个“空调”,这些搬出来的热量最终还不是要用黑体辐射给散出去。


我估算了一下,压缩机/半导体制冷片的电损耗产生的废热,导致散热效率整体是下降的,尽管把热量集中起来提高稳定确实提升了一点点黑体辐射效率。


绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量为:


其中

是个常数,叫黑体辐射常数,等于:

我这个人极其讨厌公式,任何公式都是,从πR平方到各种飞天玄火的公式都讨厌,相信你也一样的讨厌,反正你记住一点就是了:黑体辐射的效率跟黑体本身的绝对温度的四次方成正比


再简单一点,东西越热,凉得越快


这个定律适用于一切黑体,也适用于各种流量明星,比如你家哥哥犯罪嫌疑人某签、某真。




很显然一艘核潜艇根本不够热,其散热效率太低了。但是它又不能太热,否则人在里面活不了。我们假设一艘核潜艇整个温度都是对于人体十分舒适的25摄氏度,这玩意儿的黑体辐射功率是多少呢?


25℃,换算成绝对温度是298.15K,取整300K好算,四次方是8.1E9,这玩意儿的黑体辐射功率大致上是459瓦/平方米。


现代核潜艇耐压壳体的直径大致上在10米左右级别。

艇长按照150米计算的话,这玩意儿的表面积大概在4712平方米的级别。


也就是说,这个“潜艇状空间站”的黑体辐射功率上限是4712平方米乘以459瓦/平方米,2163千瓦


整个核潜艇里面所有所有的能够发热的东西总功率不得超过这个功率,2163千瓦,否则潜艇的温度一定会上升。当然上升以后的热平衡是另外一回事儿了,温度上升肯定黑体辐射功率也会上去,具体的热平衡我就不算了,总之,你得小心对付这玩意儿里面能够发热的东西,否则很快里面就会热得不行不行的。




很遗憾,核潜艇是个产热大户


“人类一切科技不过是烧开水”,核潜艇的核反应堆目前主要也是靠烧开水。其实我不大赞同这句话,人类有些科技就不是烧开水,比如说“可控核聚变发电”。实际上我们现在已经实现了可控核聚变发电,太阳能电池板就是的,太阳的核聚变可控不?电池板是不是在发电?


但是核潜艇确实需要烧开水。

目前人类的绝大多数核反应堆都是通过可控核裂变产生的热,烧开水来发电,核潜艇上面的反应堆就是这样的,这个过程中对热量转换为别的能量效率还是比较低的,意味着一定会有大量的废热产生。这就是为什么现在的核电站都靠近大型水源的原因,需要这些水把废热带走。


太空里没有这些水。


我们的核潜艇黑体辐射上限是2000多千瓦,而随随便便一个核反应堆的功率(输出功率)就有好几万千瓦,废热总比输出功率多很多,这玩意儿的热功率大概在10万千瓦的级别。


那么一艘核潜艇移动到外太空,第一要务是停堆,或者干脆把反应堆抠出来扔掉。


不然的话,它肯定很快就会变成夜空中最亮的星星,跟你家哥哥一样。




核潜艇耐压壳体的事情大家已经说得差不多了,保证不漏气是没有问题的,再说了,没有什么漏气是一管密封胶解决不了的,如果有,那就再来一管

区区一个大气压,小case。


氧气也不成问题,核潜艇里面本来就有足够的氧化钠还原剂制氧。


让艇员存活超过一天的最重要的事情就是停堆,如果不马上停堆,就核潜艇那点散热功率,分分钟就会把核潜艇里面搞得跟地狱一样热,我都不知道是堆芯先熔融,还是艇员先被热死。




这篇无聊文章的意义在于告诉你:


1、真空是热的不良导体,所以“真空不锈钢保温杯”这东西是很有道理的,它能够泡枸杞解决你的中年危机就是靠的真空导热不良这个原理。


2、空间站那么多帆板不都是“太阳能帆板”,还有一些是散热用的黑体辐射散热帆板,目的是通过增大辐射面积,散出去更多热量。


3、越热的东西凉得越快,宇宙中一切物体都遵守这个规则,从你家哥哥,到太空中的空间站。

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好像有个日本的漫画就是这个设定吧?

舰长很像超时空要塞的装扮,大檐帽,飒领,干瘦干练。

女主好像是红皮,有一个能量宝石吊坠,人小身型火辣。

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