把这瓶水发射到LEO轨道,打开瓶口,瓶内外的压力差是1个大气压,即1.013×10^5 Pa。
由伯努利方程
可以计算在瓶内外压差为1.013×10^5 Pa时的水流速度,伯努利方程中的P2是瓶内压力,V2是瓶内水流速度,因为瓶子内的水是流不完的,则V2可以看做是0,则水流速度可以用下式计算:
再查询矿泉水瓶口直径,可得直径为30毫米
这样可以计算瓶口出水量为
也就是一秒钟出水10升,或者10千克。因此如果把这瓶水当成一个发动机,通过调节瓶口出口的大小,那么这个瓶子可以产生0-1395N的推力,或者说0-142.3千克米每秒的动量。
长征9号的LEO运力大约是140吨
如果用这个矿泉水发动机作为长征9号载荷的空间发动机,这个矿泉水发动机可以推动形成大约0.001m/s^2的加速度,一天就有86.4m/s的速度增量。地火转移的速度增量可以用下图表示
可以看到从近地轨道LEO到火星轨道LMO的Delta V大约是5700m/s,大约需要矿泉水瓶发动机工作66天。考虑到目前地火转移轨道动辄300天的转运时间,这个矿泉水瓶发动机完全可以送400吨左右的载荷进入LMO,或者66吨载荷往返地火之间,火星LMO的运载能力大抵相当于13发星舰,我估计这玩意的估值应该至少相当于SPACE X估值的一半,小几百亿美元到底是值的。
聪明的同学应该能够看到,一秒在LEO轨道产生10升水的价值远不止给LMO轨道发射400吨载荷那么低。事实上,这个小小的矿泉水瓶一年可以在LEO产生316000吨水。
把这些水电解后相当于形成316000吨的推进剂,即使按较低的100万美元一吨的价格出售,可以值3160亿美元一年。
我们可以根据下表
按电解产生1m³氢气需要4.4千瓦计算,电解一吨水可以产生1248m³氢气,需要大约5500千瓦时的电力。我们的矿泉水瓶一小时可以产生10吨水,所以需要5.5万千瓦的电能。根据中国空间站134㎡太阳能电池板发电功率18千瓦计算,只需要大约41万㎡的太阳能电池板。按照整个发电系统25kg/㎡估算,大约是万吨级别的规模,大约需要一百发左右的星舰去构建这个系统,成本不到1千亿美元,建成后4个月可收回成本。
建成后,该系统产生的燃料每年可送大约9万吨物资进入火星LMO轨道,或者2.5万吨物资在LEO轨道与LMO轨道之间往返一趟,足够在火星上搭建一个可供数万人生存的火星基地。
某些同学应该可以看到,由
如果我们增加内外压差,那么这个水瓶的水流喷射速度将大大增加。目前人类能够做到的工业化规模的烧开水设备压强可以达到31Mpa以上,这样水流喷射速度将达到249m/s。同时,我们将这个水瓶的口径扩到d=64mm,则水流大小将达到
约797L每秒,是原来的79.7倍,一年可在LEO轨道产生2500万吨推进剂,可以送720万吨物资进入LMO轨道,可以在火星上建立百万人规模的殖民地。问题的关键是如何每年送百万吨级物资进入LEO轨道,目前来看较有希望的是TSTO有望有机会达成这一目标。
根据现有研究表明,水压可以继续增大并且保持水的形态不变,具体可见下图
在常温下可以给水加压到约1Gpa的水平,在350℃时可加压至10Gpa。脑洞再大一点设想一下,如果未来科技达到可以在火星轨道上给这个水瓶加压到10Gpa的规模,不考虑水的压缩性,则出水速度将达到:
出水量达到454m³/s。这个水量远远大于火星大气逃逸量(不到1kg/s),我们可以试想一下将火星改造成适宜人类生存的星球所需的水量。
已知火星直径大约是6794km,则表面积大约是1.45×10^14㎡。
水瓶每年出水1.43×10^10m³,大约“只”需要1万年就可以在火星表面降下平均1m深的水,约需数百万年可将火星改造成适宜生存的星球。
或者按照人均用水量100m³计算,可以支撑起1.43亿人口的殖民地。
如果拿这个水瓶当做宇宙飞船的动力,可以产生6.4×10^11 N的推力,可以推动数百亿吨规模宇宙飞船进行亚光速星际旅行。
现在问题来了,这条宇宙飞船叫农夫山泉号合不合适?
考虑到瓶口的流速,实际上能产生的水量对环境的影响是忽略不计的,可能一年也灌不满几个游泳池。
这个瓶子最大的意义在于人类对外太空的开拓上。
跟大家提个醒,如果想要拧开瓶盖开自来水厂、用水流发电造永动机或者想要搞个人工河赛艇,那这瓶水就不一定再属于你了。
《中华人民共和国宪法》规定:
「矿藏、水流、森林、山岭、草原、荒地、滩涂等自然资源,都属于国家所有,即全民所有;由法律规定属于集体所有的森林和山岭、草原、荒地、滩涂除外。」
《中华人民共共和国水法》第三条也有规定:
「 水资源属于国家所有。水资源的所有权由国务院代表国家行使。」
一瓶永远喝不完的矿泉水,已经不是一瓶水了,而是一种水流、水资源,应当交给国家。
对此,强烈推荐 @猴子老湿 的回答:
那么,一些企业为啥还可以当大自然的搬运工呢?因为获得了利用国家资源的许可,需要根据《取水许可管理办法》办理取水许可证,而且还要遵守环境保护相关的法律,过一下环评。
要是不清楚需要哪些需要办理的许可,可以直接看某搬运工的财报来抄作业,里面就提到了相关的监管要求:
在这些手续办好之前,还是拧紧瓶盖比较稳妥。。。
不过,要是你真的手上握着一瓶水资源,倒也不是不能跟国家谈谈条件,或许可以走 BOT 的模式,利用这瓶水自建一个简易自来水厂(瓶口接个塑料管),并获得一定年限的特许经营权,按照实际供水量获得收益,年限到了之后,水厂转移给国家。
可能格局有点小了,不过,从合规的角度来说,开脑洞也要按照基本的法律要求啊。。。
那么我第一件事就是开一小块黄金扔进去,看看是不是无限复制能力。
你说的水喝不完,无外乎两种情况:一是这个瓶子连着另一个空间,那里有多少水不清楚。二是这个瓶子是复制能力,能无限复制瓶中的水。
这个如果用到航天上,那就是神一样的存在!
(文中图片均来自网上,希望没有侵权)
农夫山泉发动机
这玩意有多神呢,前两年发射的实践20,重量10吨多,太阳能板功率30千瓦。500ml的矿泉水,加个水泵,一秒钟抽完,就是0.5kg/s的流量,如果有25千瓦的能量用于加速,那可以以314m/s的速度喷出,算上各种损耗,就算200m/s吧。这个速度呢,对于火箭发动机来讲,就是笑话,但是工质无限而且基本上没有质量的情况下,就很恐怖了。它可以提供100N的推力,比不上常规发动机,但比电推高100倍以上!对于10吨左右的实践20,可以产生0.01m/s2的加速度,一天的速度增量是864m/s。好的,现在记住,10吨载荷,一天864m/s。给这个发动机起个代号,就叫N1发动机吧。
从LEO出发
从地表、LEO出发,去地月系、火星、以及太阳系其他行星需要的速度增量如下两图。
从上图中可以估算一下,LEO到GEO需要速度增量3.9km/s,去月球转移轨道需要速度4.0km/s,去火星转移轨道,需要4.3km/s,去金星也差不多。(考虑到上述轨道转移的速度增量都假设理想的霍曼转移轨道,如果使用低推力的发动机,无法按照最优轨道转移,需要的速度会更大一些。)那么如果把实践20发射到低轨道,那只用5天多时间,就可以通过N1发动机转移到GEO上!再多花点时间,就可以直接奔月或者奔火了!
想想长征5号,LEO理论上是32吨的运力,到了GTO只有14了,到LTO是8.5左右,到MTO是6左右。有了N1发动机,到LEO是32,到GTO是32,到LTO也是32,到MTO还是32!惊不惊喜,意不意外?
对运载火箭的影响
虽然N1发动机的推力低,但比冲相当于无限大。在太阳能充足的地球轨道附近,可以在一周时间内提供6km/s左右的速度增量,是极其完美的火箭上面级发动机。这样,长征3系列、4系列、5号都可以就地退役,只保留长征5B、长征7号就好,把载荷打到LEO,自己爬上想去的轨道。以后可能再也不需要发展各种上面级了。例如,用长征7号代替长征5号发射东方红5系列的大型通信卫星,发射成本估计能降低一半。
以后14吨以下的载荷让长7发,25吨载荷让长5B发,70吨的载荷可以靠新研921火箭。但这些火箭都不再需要为了兼顾高轨道而优化了。
载人登月
土星五号的月球轨道转移能力是45吨左右。着陆+上升器重量貌似是20多吨,轨道+返回器更重一些。如果用长征5号,只需要将四器分两次发射到LEO,直接组合后使用N1发动机推到月球低轨,着陆上升后再带人返回。简直完美,别说不用长9,连921都省了。
月球长期开发
种田啊,工业啊,人的生活啊,最离不开的是什么,就是水啊!所以嫦娥7号、8号都准备去月球南极看看呢,就是去找水的。现在好了,一瓶农夫山泉搞定!我们就可以看看,1/6重力下长出的杂交水稻,会不会产量更大一些。
火星采样返回
我国火星采样返回计划采用一枚长5+一枚长3B发射,总共进入火星转移轨道的载荷重量10吨左右。有了N1发动机,一枚长7直接搞定!香不香?另外,火星捕获、变轨、逃逸都不再需要常规火箭发动机,也差不多能省一半的燃料,长7一下子打两枚都可以。
木星和更远的行星探测
当然,有了长征-7和N1发动机,把探测器发到木星完全不成问题。到了木星后呢,太阳能量是地球附近的的2%左右,原来30kW的供电,现在只有0.6kW了,相对应的N1发动机推力会下降到原来的1/7,每天能给10吨载荷提供100多m/s的速度增量。这也很夸张了!一年时间基本上可以转四五个土星卫星,至少比朱诺啥的探测器猛几十倍吧。
即使去海王星,离着40个天文单位,N1发动机每天也可以提供20m/s的速度增量。只要我们把探测器发出去,快到目的地时花一年时间减速,可以提供7km/的速度,总能让探测器进入海王星、甚至冥王星轨道,实现环绕探测。新视野号是不是很羡慕。
金星巡视探测
众所周知,金星表面有400多度,目前最牛的苏联金星-13号只在上面工作了两个小时。如果有瓶农夫山泉,那就厉害了,这瓶水不光能给探测器降温,还可以用来做功,为探测器提供动力!世界上第一个金星巡视器就诞生了。
同理,想去水星、甚至更接近太阳的地方转转也是没问题的。
还能不能更给力一些?
为什么不呢?
苏联的核热火箭,用核裂变放出的热量加热工质产生推力。当年使用N-1火箭(不是我们的农夫山泉发动机)载人登月,就计划用核动力上面级来着。这玩意比冲900多秒,是氢氧发动机的两倍。现在我们有了一瓶用不完的农夫山泉,一个核反应堆,好了,就叫它N2发动机吧。整个太阳系想去哪就说吧,没有太阳能也无所谓了。天空飘来五个字,这都不是事儿。
再给力点吧
上图这玩意是第一个在地球以外靠空气飞行的探测器。我们有了N2发动机,想在哪飞就在哪飞,想飞多久就飞多久,刺激不刺激?
能不能再再给力点?
也许吧。
更新:
其实答主也是个财迷,咱们算一笔经济帐。长3乙的发射报价大概在6000万美金左右(没有具体资料),就算成本2.2亿人民币吧。这玩意GTO运力5.5吨,LEO折算运力13吨左右。GTO每公斤载荷成本4万人民币。现在有了基于N1发动机的电推上面级,可以在一周时间内把LEO运力直接变成GTO、LTO、MTO运力。相当于将载荷成本降低到1.7万人民币/公斤。发射5.5吨的卫星相当于可以省1.2亿元。而长3系列每年的发射次数都在10次以上。单就这项,还不算取消氢氧第三级降低的成本,最保守的估计每年就可以至少带来12亿以上的效益。更不用说长5系列,可能一次发射就可以省大几个亿。
等未来长8R、6X和921火箭出来后,一级复用,起飞级的成本大幅降低,上面级的成本占比更高的时候,有这么一个上面级,会带来更高的效益!另外,这玩意相当于高轨运力放大器,能直接将低轨运力变成高轨运力,或者将原有的高轨运力提高150%以上。对于大入轨质量的高轨任务,不需要重新研制更大的火箭了,这个效益可是大几千亿量级的。
哪怕只有一瓶,每次任务抬轨用一周,自己降轨用3天,总共10天。每年能用个36回。至少可以产生40亿以上的效益。我把它租给航天五院或者一院,每年租金10亿不多吧?(NASA: 你们不要我要,10亿美金是吧?给给给!(内心: 这么便宜会不会有诈?))
送中科院。这东西似乎都违背热力学第二定律了,研究清楚了,别说美国,就是三体人,就是歌者都不算啥了。我觉得都可以和李白比一比了。
把农夫山泉的瓶子包装纸撕下来,对外宣称这是从昆仑山山脉,某某水源源头采集到的生命之水。是上帝/佛祖/安拉留在人间的神迹,喝一口包治百病,长久喝能延年益寿。通过展示永远喝不完的特性,完全不需要花费巨额广告做营销。接下来就是卖保健品收割韭菜暴富的故事了。
记得今年夏天在去南京的高铁上,
有一个中国人带着两个日本人坐在我后面,看起来是日企的中国员工带着日本领导出行。
他们三个(尤其是日本人)说话声音有点大,让我不自觉地就听到他们的谈话。
两个日本人会讲一些中文,口音很重,时不时遇到不会讲的词就会换成英语和中国人交流。
我记得很清楚有这么一个对话
“那个,窗外的,就是中国的乡村吗?”
————当时正好经过一片田野
“是的,这就是普通的农村。”
一片惊叹声,“看起来太好了,比日本xxxxxx(夹杂了一堆乱七八糟的中文,听不懂),简直和这个火车一样优秀。”
那一刻我突然感到,时代的风向变了,
中国不再是弱国了。
省劲儿。
只要进化好一半的基因,另一半无脑复制就行了。
写得不错!
笔法细腻,又不乏童趣,算是上佳的练笔之作。
最值得赞赏的是那份“闲心”和“童趣”,愿常持而得欢愉。