太空战术指南（6）：飞船真的需要“大翅膀”吗？

玲从韦恩舰长手中接过嘉奖令。她没有看，两眼望着舰长。她腾出右手，挺直身体，昂起头，向他敬礼。韦恩向她还礼。然后，两人同时向后探出一只脚，勾住身后地板上的束带，转身朝向摄影师。玲双手捏起嘉奖令，举到胸前，面带微笑。

结束了。授奖仪式像一场排练好的哑剧，每个人都在认真表演，用最大的毅力忍住不要笑场。玲同舰长握手，表达感谢之后，转身飘离，把位置让给下一位。飘出几米后，玲在墙上推了一下，改变速度方向，回到了自己的座位上方。而后抓住椅背，把自己装入椅子，扣好束带。

玲把嘉奖令举到胸前。这还是她第一次看它。一块比手掌稍大一些的牌牌，深蓝色的底，凸显出金色的文字——“谨此表彰太空中尉玲在舰艇热管理技术领域作出的突出贡献 其创新成果将显著提升舰船动力系统的能量利用效率、持续运行能力与战场生存能力”。玲的嘴角翘了一下。“显著提升”。这个显著提升实际上只是将热排放效率提升了1%。1%就能获得嘉奖。玲回想了一下，她只是在某一次检查散热单元的时候，得到了一丝灵感。无意中跟轮机长提了一下。好心的轮机长立刻把她送进了设备间，要她把那一丝灵感做出来。还派来了两个帮手。经过两周的失败，两周的假成功之后，终于在一天的午夜，她朦胧之中看到了似乎是成功的数据。两个助手在几秒钟后开始疯狂地拥抱。在排除了再次假成功的可能性之后，她扔下手中的模块，瘫倒在座椅里。就这样，一个灵感、五周苦干、1%提升，换来了这份嘉奖令。

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现在来讲讲大部分影视作品中的飞船被吐槽的问题——散热。质疑者的理由很充分。不管是战舰还是民用飞船，不管是直接聚变推进器还是聚变反应堆+电推进，都会产生大量的废热¹。这些废热如果要排出飞船，需要巨大的散热器。这一点以前的文章已经具体计算过。在散热这块，影视剧几乎全军覆没。只有《阿凡达》和最近上映的《拯救计划（Project Hail Mary）》中认真处理了这个问题。真正硬科幻的飞船，必须要有散热器，巨大的散热器。

真是这样？想简单了。飞船需要散热，这一点没错。不光是推进器产生的废热，还有各种装置运行，人员活动等等，产生的热量也需要排放。热量排放是必须的。问题是，怎么排放？或者，更具体的，散热器是唯一的途径吗？

先说一下推进器方面。在聚变推进器中，大部分聚变反应能量会转变成喷流，产生推力。从比例上看，没有进入喷流而逃逸掉的能量只占到几分之一。然而，毕竟推进器总的聚变能量巨大，没能进入喷流的能量的功率也会轻易超过TW级别。如此巨大的功率并不好处理。最简单的办法是直接排出到太空中。所以，推进器的几何形态应该是笼架式结构。构成笼架的杆件内部包含了所需的线圈、天线、功率器件、冷却通道等等。聚变的逃逸能量可以通过笼架中的空隙排出，不需要处理。

但是，终究还是有相当一部分逃逸能量以各种方式传导到飞船船身上。这个“船身”包括推进器的笼架结构，推进器的反应室前端，舰身被推进器辐射照射到的部分。所有这些能量最终都会变成热量沉积在舰体上。不加处理的话，足以融化战舰结构。所以必须冷却它们，带走这些能量。设计合理的情况下，推进器笼架结构接收到的逃逸能量可以降到总能量的百分之几。

沉积能量/热量有两种处理方式。简单的一种是让推进剂工质先作为冷却剂吸收热量，然后注入喷流。这叫做再生冷却。但是，这种方式只能用在工质加入喷流的情况。当推进器在最高比冲下工作的时候，并不会注入推进工质，这就失去了这个排热途径。（这就是为什么最大功率和最高比冲的运行状态下，热管理难度最高）。而且，即便在喷流中加入工质的情况下，工质的流量也只能吸收部分热量。缺额的部分需要专门的循环冷却剂带走。

冷却剂带走的热量如何处理？从散热器排走是直截了当的做法。这就需要平方公里级别的散热面积。那些吐槽散热问题的评论者和那些认真处理散热问题的影视剧，都是这个思路。如果真是这样，那就太小看我们后代的智慧了。必须明白，废热也是热，热就是能量。能量是可以转换的。完全可以通过高效率的热-电转换装置将热能转换成电能。其中，热机是最主要的一类，历史悠久，多种多样，性质各异。但是，不管哪种技术，一个谁都无法回避的规则是：必须存在温差²。热机必须工作在高温和低温之间。高温好找，推进器、反应堆、各种部件器件都会产生大量热量。难的是低温。飞船内部是找不到低温端的。到处是能量以各种方式窜来窜去，在不同能量形态之间转换，最终都变成热。只有将热量排出飞船外的地方才会成为低温端。太空里，没有空气、没有水，没有任何物质可以帮助排走热量。飞船排热靠的只有辐射散热。船体外壳就能够辐射散热，但专门的散热器散热效能更好³。

维持热机的冷端够冷，并不是一件简单的事。一台热机，它的热端温度是$T_h=2000K$，冷端温度是$T_c=500K$。它最多能把总热能当中的$1-\frac{T_c}{T_h}=0.75$转换成机械能。那么，它就需要排出总热能中的$\frac{T_c}{T_h}=0.25$。功率也是如此。于是，在总的废热功率是1TW的情况下，还需要排出250GW的热量，来维持热机冷端的温度。考虑到实际的热机无法将0.75总热量全部转换成机械能⁴。能够将0.75中的0.7转换成机械能，已经非常高端了。这就意味着，除了总废热功率的0.25之外，还有$0.75\times(1-0.7)=0.225$的热量需要排走。这样，散热器总共需要排出0.475的总热量。更糟糕的是，这时候散热器温度只有500K，大约226.85°C，排掉475GW的热量至少需要148.8$km^2$。即便将散热器温度提升到1000K，大约726.85°C，需要12.74$km^2$。但此时的总体热效率降到了35%。

从上面的数据能够看到，只要能量进入飞船内部，要排掉就是非常麻烦的事。也就是说，面对聚变推进器，最合理的做法是尽量将能量隔绝在聚变反应区域内部，然后从磁喷管喷出，不让它从其他方向逃逸出来，更不要沉积到船体上。能否在逃逸能量到达推进器结构和船体之前将其拦截下来就是关键的要点。逃逸能量主要集中在X射线和高能中子。采用铀、钨、铅之类的高Z物质，可以很好地吸收逃逸能量。不过，吸收很容易，之后呢？吸收到的能量如何处理？这个，跟吸收体的物质形态有关。

如果是铀、钨、铅的固体材料，逃逸能量打在它们身上，仍旧会变成热。这种热是最惹人厌的热。跟船体结构一样，也不得不依靠冷却剂带走热量，再用热机进行转换，散热器进行散热。跟船体结构沉积的废热是一回事。先前困扰我们的冷端排热问题仍旧存在。如果是液态材料，情况稍微好一些。液态物质可以流动，这就可以把吸收的热能带到别处进行处理。可“别处”又该如何处理这些热能？还是靠热机。又回到船体沉积热的路数上来了。如果是这些金属的蒸气的话，情况就大不相同。蒸气就是气体，吸收了能量，变为内部热量之后，它就会膨胀。在合适的约束下面，吸收了热量的气体可以膨胀加速，把内部蕴含的热能转变为单向流动的机械能，也就是高速气流。高速气流可以推动涡轮发电。不过，铀、钨这类物质的蒸气温度不是哪种涡轮能够承受的。所以，需要有一种不接触它们的方法提取能量。这就要用到等离子体。将铀、钨、铅电离，变成等离子体⁵。等离子体本身就能被磁场约束，就像燃料和反应产物那样。等离子体又是优良的导体，当它流过垂直流速方向的磁场时，会产生感生电流，从而进一步产生感生磁场。通过一组线圈可以提取感生磁场，取得电能。这叫做“磁流体发电”（MHD power generation）。

所以，把高Z物质等离子体包覆在聚变反应区之外，由磁场约束成一个圆柱形的壳。当它吸收聚变逃逸能量后，会像气体那样膨胀。在梯度下降的磁场中膨胀加速，然后由MHD发电。高Z物质并不需要完全电离。完全电离它们所需的能量高得离谱，没有意义。一般只需要剥掉它们的1、2个表层电子，差不多1%的电离度就足够了。剩余的内层电子会让这些物质具有很强的X射线吸收能力。适当厚度的高Z物质等离子体能够吸收掉超过90%的逃逸辐射。在吸收逃逸能量的过程中，高Z物质还会被进一步电离，达到更高的电导率，满足发电的条件。

现在，推进器热管理上就形成了这样一个流程：聚变反应产生逃逸能量。逃逸能量被高Z物质吸收，通过MHD发电，卸载能量。高Z物质本身产生低级别的辐射大部分散发到太空中，少部分沉积在船体和推进器结构上，由冷却剂带走。冷却剂带着热量去往热机，将部分热能转换成电。

最后一个问题：产生的电做什么用？这还用说？当然是供应舰船运行所需。实际上，推进器产生的电力远远超过舰船所需。哪怕武器系统也消耗不了这么多能量。多余的能量必须用一种方式排出船外。既然已经是电能了，显然不需要散热器帮忙。可以直接将电能转换成微波能发射到太空中。更有价值的办法是用微波驱动喷流中的带电粒子，将能量传递给它们，提高喷流的能量。至于那些没有被喷流吸收的微波，就任其排放到太空中去吧。

归结起来，飞船并不需要像蝴蝶翅膀那样的散热器。紧凑的、与船体共形的中等面积散热器⁶便能很好地满足要求。关键是把原本不得不从散热器排走的废热尽可能多地转换成电力，然后通过微波的形式注入喷流，或者排入太空。

前面讲的是推进器工作的情况。那么推进器不工作的时候呢？那情况会简单不少。飞船的废热来自于两个方面。一方面是内部装置和人产生的热量。另一方面是受到太阳（以及大行星）的辐射获得的热量。太阳光热量在内行星（火星以内的四大行星）距离上会产生比较大的影响，飞船不得不从向阳面将热量抽走，在背阳面排放掉。出了小行星带之后，情况就好得多了。光辐射强度随着距离平方成反比，飞船需要应付的热量就比较从容了。大行星的热辐射要弱得多，所以只要不是靠得很近，就不需要操心它们。天体辐射的真正挑战是在匿踪航行的时候。战舰至少需要把对敌面的温度降低到百K上下。这些面上吸收的太阳辐射热量不管有多少，都会沉积在战舰内部。这必定是无法持续的。所以，这种情况下，战舰不得不在背敌面排放热量。有一种比较机巧的办法就是，如果散热器有能力调制辐射频谱的话（后面我们可以看到的确存在这样的技术），让散热器朝背向太阳的方向，模拟太阳光频谱，定向排出热量。这样，即便是对手探测器看到了这些排热辐射，也会将其当作太阳光看待。另一种办法就是战舰假装小行星，模仿小行星的反射阳光的频谱，将接收到的太阳光反射走。

那么，飞船内部装置的运行过程中会产生的热量呢？这些热量要么散发到空气中，被环境管理系统捕获。要么传导、辐射到船体上。但这不是全部。即便是在内部装置里没有变成热的能量，大部分仍旧留在船内⁷。最终也会变成热量沉积到船体上。在允许排放热量的情况下，这部分热量可以很自然地通过散热器排走。但是，如果散热器功率不够呢？这时候还是尽量把废热转换成电力，通过微波辐射排入太空。

飞船并不需要单独的大功率反应堆产生电力供船上设备使用。推进器的功率已经足够巨大了，排出的废能都已经足够整条船消耗。飞船只需要将推进器工作时产生的废能的一部分储存起来，就能供应日常使用。飞轮是理想的大容量的储能机构，容量大、功率大，稳定。最重要的是，它是姿态控制系统里面两大核心之一的CMG（Control Moment Gyroscope，控制力矩陀螺）的副产品（下一篇将详细讲解这个系统）。

在热管理另一端，冰冷的那一端，支持着飞船动力体系的核心——超导体。即便是高温超导体，甚至室温超导体，也都需要工作在一个低温环境中。超导体并不是工作在临界温度上。还需要考虑大电流、强磁场的影响，实际工作温度要远低于临界温度。所以，所有超导体都需要低温冷却剂保持工作温度，比如用液氮⁸。但是，超导线圈嵌入在推进器结构中，必须保持着低温。而几十厘米之外，朝向反应区的方向则承受着几千度的辐射。这就需要多层次的冷却。先由高温冷却系统将结构件表面温度控制在结构材料的容忍度之内。通过隔热结构阻绝大部分的高温。然后依靠中温冷却剂吸收掉渗透进来的热量。最里面，低温冷却剂将超导体温度冷却到工作温度。高温和中温冷却系统分别将热量传递给高温和中低温热机，后者进行发电。低温冷却部分则将热量送往制冷机中，冷却剂重新变成液态。抽出的热量，以及制冷机为了抽出这些热量产生的损耗热量，最终都不得不送往散热器。

在限制辐射的场景下，特别是匿踪航行时，很少有机会直接通过散热器排出热量。产生的热量只能存入蓄热池暂存起来，在条件允许的时候再排走。蓄热池通常填充了某种比热容很高的物质，并且有着比较低的熔点。在热量逐步导入后，它的温度会不断升高。到达熔点时，则持续吸收热量，直到完全融化，而后再继续吸热，升高温度，直到接近沸点。理论上是如此。但实际上，当温度升高到一定程度后，热泵就渐渐无力将热能从船体内部抽出，注入蓄热池。此时，就不得不找时机以某种方式排出热量。

不过，完全不能排热是比较少发生的情况。即便在匿踪航行下，多数也是定向匿踪，在朝向对手的方向上低辐射，低可视度。在背离对手的方向上可以定向排热。定向排热的散热器在一侧有具备主动冷却和低辐射特征的外壳，用于遮挡和反射热辐射。所以，很可能会看到一艘战舰后半部分的舰壳像花瓣一样张开，一面是冰冷暗沉的舰壳，另一面是炽热的散热器，从太空中悄悄滑过。

那么，散热器的面积是否可以进一步缩减？这就需要化“被动”为“主动”。前面所说的散热器依靠自然热辐射排出热量。自然的热辐射近似地遵循斯忒藩–玻尔兹曼定律：

$$ P=\varepsilon\sigma AT^4 $$

这里面$\varepsilon$是材料的发射率，取值在0～1之间；$\sigma$是斯忒藩–玻尔兹曼常数（Stefan–Boltzmann constant）；$A$是散热器面积；$T$则是散热器温度。同样的散热功率需求，比如1MW，同样的工作温度，比如1000K，不同材料带来的不同发射率会造成面积的不同。发射率越高，面积越小。那么，在功率和温度确定的情况下，只有提升发射率，才能减小散热面积。问题是，发射率无法超过1，理想黑体的发射率是1，而真实材料都小于1。如果有办法能够让发射率超过1，比如2、3、50、100，这就能够大幅缩小散热器面积了。能做到吗？注意到“热辐射”之前，“自然”这个定语了吗？是不是“不自然”的热辐射就能让发射率超过1呢？这还真的可以做到。自然的热辐射可以算作被动辐射，它依靠材料内部热运动激发的电荷运动和电流涨落来产生电磁辐射。但物理学上有一种现象叫做“电致发光制冷（ELC）”。

发光半导体我们已经很熟悉了。通常就是给半导体P-N结通电，它就能发射光子。在满足了某些条件的情况下，半导体发射的光子能量比输入的电能还要多。多出来的这部分能量，来自于半导体本身的热能。简单来讲，固体材料的热能体现在它的晶格的振动。载流子（电子和空穴）在与晶格碰撞之后获得更高的能量，电子和空穴结合产生光子的能量就会更高。而且，在一些特殊的情况下，半导体中的载流子（电子和空穴）复合的时候发生了动量不平衡的情况。为了凑齐动量，它们从一旁的晶格振动劫走一份动量，同时也带走了能量。然后就产生一个能量比原先更高的光子，携带着额外的那份来自于热的能量飞走了。

这还不是全部。半导体电致发光制冷产生的超能光子也不是个个都往外飞。有很大一部分会因为某些特征不满足飞离材料表面的要求，而被约束在材料表面。这时候，需要通过在时间和空间上改变表面材料的特性，把更多的受困光子释放出去。

电致发光制冷再加上表面材料的强化辐射技术，可以让发射率远远超过1。当然，这时候的发射率就不再是原来意义上的发射率。不过这不重要，称其为“等效发射率”也并不为过。在未来相关材料和技术充分发展之后，这个等效发射率达到几十甚至更高。这就意味着，原本需要几万平方米的排热面积可能会被缩小到几百平方米。

还有个问题，电致发光制冷的电哪里来？很简单，废热发电咯。前面已经完整地描述过利用推进器等等设备产生的废热驱动热机发电，然后把没有消耗掉的电力辐射到太空中。现在这些电力就有了更好的去处——驱动主动排热系统。将原本需要排走的热能的一部分转换成电，再去驱动排热系统的电致发光制冷材料，产生光子，携带热机无法提取的热能排出船外。这样，就形成了一个完整自洽的紧凑型主动热排放系统。

那么，废热发电的电力够不够驱动主动排热系统？这取决于电致发光制冷的一个性能参数，叫做COP（Coefficient of Performance，性能参数）。公式是$COP=\frac{Q_c}{W}$。$Q_c$，排走的热能；$W$，输入的能量。意思是，输入1J的能量，能够排走的热能。如果$COP=5$，就表明每注入1J的能量，可以排走6J的能量。其中有5J是电致发光劫走的热。然而，COP越高，排热功率越小。于是，主动排热系统在功率上要匹配，需要在热机效率、COP和排热的面积比功率上取得平衡。好在电致发光制冷同样与工作温度的4次方成正比。在这三个参数无法取得平衡的情况下，适当调整电致发光制冷器件的工作温度，就能保证三者之间的匹配。

总结下来，那些认为太空飞船需要巨大的散热器排出热量的评论，实际上并没有充分考虑物理现象和未来技术的发展。在只考虑热辐射散热的情况下，这些判断都是对的。然而，当运用了主动热排放的技术之后，几乎所有的太空飞船，在热管理方面，基本都会变得合情合理了。