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科幻載具-機動載具二:動力與推進系統(下)

作者:宇宙的浮油│2011-08-04 01:35:17│巴幣:24│人氣:3353
 
  接下來就是動力系統的部分,一個科幻的載具需要有動力原提供運作時所需要的動力才會動。那該怎麼去選擇應該使用何種動力源?不同的動力源有不同的特性和技術等級需求,依照故事中能提供的技術等級和使用需求來選擇合適的動力源是比較好的方法。雖然科學是一直進步的,某樣技術到了未來也許能克服很多問題。不過很多東西也是有理論極限和物理上的限制在,並不是通通丟給未知的未來就好了。所以需要適度的去拿捏一項技術能進步的幅度和可能性,以及有技巧的迴避掉已知問題才能讓設定出來的東西具有足夠的說服力。
 
一些作品中常見的動力系統
 
引擎
  廣泛指把燃料儲存的能量轉為機械能的一種機械結構。對各種機械而言引擎有如心臟一樣提供機體活動所需的動力,有的需要使用引擎的軸出力來帶動推進系統,有的需要引擎驅動發電機替機體各部位的馬達和電子設備提供電能。
 
活塞引擎
  這東西應該不用說太多,這東西大家都很熟。應用範圍很廣,各種交通工具都會用到。最常見的就是使用汽油的汽油引擎車輛。某些科幻作品的交通工具使用的引擎會設定吃一些特別的燃料,而80年代的機器人動畫「戰鬥機械」裡面的步行機器,與眾不同的設定成使用汽油引擎當作動力。不過由於比較沒有科技感,很少當做高科技載具的動力,使用在機器人身上的也頗少。不過機動警察的工程用Labor除了使用電池的以外似乎也有部分有用到引擎….
 
燃氣渦輪
  屬於熱機的一種發動機,是一種廣泛的稱呼,具有相當優良的出力重量比。戰機或客機使用的渦輪噴射引擎也是燃氣渦輪的一種,構造和噴射引擎類似,有壓縮段、燃燒段、和渦輪段組成,但和噴射引擎的不同點是噴射引擎的設計重點是噴射氣流產生的推力,設計上減少渦輪機的能量轉換和損耗的程度,渦輪機捕捉的動力只有提供壓縮機和發電機的運作,而燃氣渦輪相反,盡可能的提高渦輪機捕捉噴射氣流的效率並轉換成軸動力,再透過齒輪組減速去驅動車輛輪子或螺旋槳甚至是發電機。
 
  現實裡還是多用在軍事用途,使用範圍很廣例如戰車、直升機、螺旋槳飛機、巡洋艦甚至是發電等等用途。使用燃氣渦輪的戰車最著名的就是美國的M1系列主戰車,具有能使用各種燃料的好處在,不過和柴油引擎的其他戰車相比耗油量也頗兇悍,運作時還需要吸入大量空氣,初期沙漠時使用時由於空氣濾清器被沙塵阻塞而引發不少問題。和柴油引擎的車輛比具有出力大和加速反應快的優點在。
 
  近年由於工藝的進步,推出了微型渦輪機,主要還是瞄準作為發電用途。能使用各種燃料,像是汽油、天燃氣、柴油、、煤油、丙烷、甚至是氫氣。目前也能以微機電技術技術製作在晶片上的公厘尺寸微型燃氣渦輪發電機,跟鋰電池相比具有非常高的能量密度,可望在未來能替攜帶式電子設備像是筆記型電腦等提供長效電力。
 
   不少近未來擬真系機器人作品的機體也常以燃氣渦輪發電作為動力,像是驚爆危機的M6等第二世代機體就以燃氣渦輪作為主要動力。雷廷任務WAP的混合動力組件除了燃料電池外還有以天然氣為燃料的燃氣渦輪發電機組。而90年代的遊戲殺戮鷲獅(GunGriffon)裡的AWGS也多半採用燃氣渦輪發動機當作動力源,機動警察部分的機體也是採用到燃氣渦輪。不過通常使用到燃氣渦輪的機器人通常尺寸都有一定的等級才有足夠的容積空間能搭載足夠出力的燃氣渦輪引擎,年代上也比較偏向近未來的擬真機體。技術先進許多的作品通常都會有更先進的能源可供使用。
 
 
電池
  頗為廣泛採用的動力源,包括不少機器人都設定使用電池當動力。除了人型尺寸的以外,較大型的擬真機器人像是機動警察或餓沙羅鬼都是採用電池動力,比較超級系的有Gear戰士電童和鋼彈SEED的MS。不過雖然說都是電池,但依照類型還是有各種不同的性質存在;例如說不需充電或是近乎半永久的使用時間或者是大容量等等特點。
 
超導體電池
  機動警察的某些高級的Labar所採用的電池,以現時而言超導體線圈具有能以無損耗的方式儲存大容量的電能的特性在,所以能應用這原理儲存大量的能原提供大型機器人的運作。
 
燃料電池
  雖然叫做電池,實際上算是一種消耗燃料的發電裝置。基本原裡是水電解的逆反應,水給予電力能分解成氫和氧,逆過來操作結合氣氣和氫氣產生水和電力還有熱。基本零件和一般電池頗類似,陰極、陽極、電解質(目前主流為高分子薄膜)和雙極板。燃料的範圍也極為廣泛,除了氫氣外只要含有氫原子的石化燃料如天燃氣、沼氣、甲醇、酒精、煤炭石油等,透過轉換器,都能做為燃料電池的燃料。
 
  只要還有燃料,燃料電池就能持續發電,這種消耗燃料的性質跟內燃機很類似。不過燃料電池的轉換效率比起內燃機要高的很多,因為是直接把燃料轉換為電能。由於不受卡諾循環的限制,理論上效率高達80%以上,而目前的燃料電池能做到40~60%的轉換效率。一般內燃機的轉換效率為20~30%左右。比起內燃機發電燃料電池具有無噪音、無振動、無汙染以及高能源轉換效率的特點。適用的範圍也相當廣泛,小到攜帶性設備的電池大到百萬瓦級發電廠都能用燃料電池去達成,甚至太空船和潛水艇也普遍使用燃料電池當作動力源。雷廷任務登場的機甲WAP,就是使用燃料電池加上天燃氣引擎的複合動力。
 
  雖然具有相當多的優點,但燃料電池實際上也不是什麼新技術,第一個燃料電池早在1839年就已經發明出來,因為內燃機的普及而被人們常時間忽視。直到太空競賽時期使用在太空船上才開始在航太軍事上廣泛使用。燃料電池最大的問題還是在於高成本,因為大量使用到貴重金屬例如說白金等來增加反應效率。而使用到其他類型燃料的也有交換膜的耐久性問題在,目前的努力方向還是降低貴金屬的使用,提高交換膜的使用時間以及提高轉換效率為主流。
 
核電池
  使用到放射性物質衰變的能量來產生電力的電池,使用光電效應或電熱效應把光熱能量轉換成電力,或是直接使用衰變時產生的Beta粒子(電子)發電。核電池的歷史頗為悠久,早在1913年就已經發明出來,多半使用在人造衛星或是無人宇宙探測船上等長期不能更換電池的場合上;或是早期的體內電子儀器例如說心律調節器等等。尺寸可大可小,能小到跟硬幣一樣利用衰變時產生的電子發電,也能大到好幾公尺能替2萬戶家庭提供電力的高出力核電池反應堆(這類的就使用到像是鈾或是鈽等較強力的放射性同位素了….)。
 
  雖然隨著時代的進步效能逐漸提升,但是成本依然高昂。使用上比起核反應爐是安全不少,某些使用到低放射性物質的電池的放射線危害程度也頗低。不過最大的麻煩還是遭受破壞或是隨意丟棄會有汙染環境的可能性。雖然使用時間頗長,不過瞬間性的出力卻和普通電池相差無幾。魔鬼終結者的州長就是採用核電池當作是動力(不過那個損壞後的電池還能引起核爆是怎樣啊(´ー`)ノ)
 
 
  一般提到核能多半會讓人想到核能電廠以及放射線汙染,不過核能並非只是狹隘的只有核分裂,其他還有不少研究中或是理論上的核能存在。一般科幻作品裡能在太空常時間活動的船艦多半會採用核能,因為他具有半永久以及出力高的特性在。而且核動力爐體積往往都很龐大或是有一定的最小尺寸在,只有體積足夠的船艦才有空間去搭載使用。不少科幻作品的巨大機器人也是使用到核能當作動力。
 
核分裂
  關於這種能原一般的印象大多是核爆的威力和冠上核動力=能量無限(多虧某個免費的傢伙?) 現實中用在發電廠以及船艦潛水艇上。當一個可分裂的原子核被中子轟擊時會分裂成2個以上的較輕原子核並釋放出能量以及中子而釋放出的中子撞擊到集他原子核會繼續引發下一波原子核裂變也就是連鎖反應。而核電廠的開機和關機就是控制這連鎖反應的速度。至於釋放出的能量是什麼?就是單純的熱能,核爆則是瞬間產生大量的熱能並且以光輻射的形式散發出去。
 
  然而核分裂爐即使被攻擊也不會引起核爆,嚴重的失控也只會過熱熔毀。目前幾起核電廠爆發事故,都是因為高溫引起管線爆發或是高溫產生氫氣的氫氣爆炸。要引起核爆必須要有高濃度的燃料以及起爆裝置才能在短時間內引起極大量的連鎖反應在一瞬間釋放龐大的能量。
 
  至於核能怎樣發電火力發電廠是用煤或石油生火燒開水帶動蒸氣渦輪機發電核電廠是用核分裂時產生的高熱燒開水帶動蒸氣渦輪機發電古早的船用煤燒開水驅動蒸氣機轉動螺旋槳,核燃料棒進行連鎖反應時會產生高熱,核子動力潛艇和航母用放在水裡的燃料棒燒開水製造高壓蒸氣推動渦輪機轉動螺旋槳和發電機。這樣是看來核能講起來也滿簡單的,也不過用很先進的方法燒開水的一種能源 ̄▽ ̄
 
  至於能產生多少電能就受限於你的發電機組件的效率了瞬間能輸出多少能量還是有上限的,畢竟燃料棒就是控制在能適量的慢慢輸出能量的狀態燃料棒使用的時間也不是無限,燃料棒反應時會消耗鈾235,當遊235濃度低於0.6%時就該更換燃料棒了,而一般核能發電廠用的濃縮鈾燃料棒鈾235農度大概在2~3%。軍用的由於要延長更換燃料間隔,濃度會高很多。
 
  然而一般的核能發電出意外的話,最差的情況頂多反應失控產生非常高的高溫,導致爐心熔解,並不會發生核爆。核彈的核爆是在極短的時間內引發極大數量的連鎖反應次數,瞬間製造極大量的能量導致的。然而要達到核爆的條件使用的燃料要有足夠的臨界值量,一般是必須要有非常高濃度的濃縮鈾,要到90%以上才行。另外還要有經過精密設計的化學能起爆裝置才能引發核爆,軍用的核反應爐雖然說燃料有極高的農度,但是沒有起爆裝置以及相關的設計,所以並不是隨便給能量或攻擊就能引起核爆的。所以只要把核彈的起爆裝置破壞掉他就會失去爆炸能力然而核分裂爐也不是說開就開說關就關的,從運轉狀態到停機往往能花上數星期甚至數個月的時間
 
  核分裂爐一般在作品裡運用做為載具的動力源也是不多,最主要還不是因為他運作時會有輻射線,而是怕戰鬥時動力爐破損內部的放射性核種會散溢出來。所謂的放射性核種就是比灰塵還小的放射性物質塊,本身依然持續衰變產生輻射線一但進入生物體內,就會持續以放射線破壞體內細胞,偏偏產生的這堆放射性物質不少都有成千上萬年的半衰期。不過如果使用環境沒有這方面的顧慮的話?戰鬥妖精雪風裡登場的巨大飛行空母「女妖」就是採用核分裂爐當作動力,反正是在人家的家裡打仗,就算汙染也是他們在煩惱(狂汗)
 
核融合爐
  一般科幻作品裡最廣為使用的動力源,和核分裂型式相反。由兩個輕的核融合成一個較重的核,過程中的質量虧損會轉為巨大的能源釋放出來。然而要把兩個核融合在一起,必須要有極大的能量才能突破核之間的庫倫斥力,一般都是要在高溫高壓的環境下。越重的原子融合的溫度壓力越高,一般認為最有可能達成的是以融合氫或氦的同位素為主,因為融合的門檻是最低的。
 
  核融合最大的好處是沒有像核分裂一樣有連鎖反應導致失控的危險,只要失去了融合的溫度和壓力反應自然就會停止。產生的放射性物質衰變期短,不過幾天就會失去放射性,不會長期的汙染環境;不像核分裂一樣會產生衰變期高達幾千幾萬年的放射性物質。然而燃料的來源也很豐富,重氫能自海水取得,氦的同位素在月面的土壤裡有很豐富的存量。像是月亮的距離和鋼彈都有提到採集月面的氦3作為核融合爐的燃料。
 
  不過如果按照目前的發展,核融合爐的體積是很龐大的,要能夠封閉住高溫電漿的容器設備以及提供高溫環境的點火裝置。所以一般作品多會設定一些解套的方式讓體積較小的載具能夠使用,就像鋼彈推給米粒、馬克羅斯推給超科技、驚爆危機推給黑科技解決一樣......至於怎麼發電,基本上沒指定的話跟分裂爐沒差多少,就是用高科技燒熱水(或液態金屬)帶動渦輪機發電Orz。或是使用半導體或是奈米技術材料,直接把產生的光、熱、高速粒子等直接轉化為電力。
 
對消滅爐
  物質和反物質相遇時會發生完全的質能轉換,釋放出龐大的能量。依照愛因斯坦的E=mc2公式,一克的反物質消滅產生的能量相等於2萬~3萬噸TNT(比廣島原子彈的爆炸能量還高)。然而在現實裡反物質的實用化還有很長的一段路要走,目前能製造這東西的也只有粒子加速器。要花大量的電力維持長時間的運作才能偶爾發現到一些,更別談到捕捉和保存。理論上可行的保存方式是用電磁場拘束在真空容器內防止跟內壁碰撞,作品中關於怎保存和製造點往往都沒有提及。電玩作品Z.O.E裡的OF採用的動力源就是陽電子對消滅爐,藉由電子相消產生的龐大能量再轉換成電力或其他動力供機體使用。
 
  既然提到了常聽見的陽電子…陽電子實質上就是電子的反物質,又稱正電子或反電子。福音戰士那把耗用全日本電力的陽電子砲就是反物質砲,SEED戰艦搭載的的羅安格林砲也是。都是具有擊中目標後能形成像核爆一樣爆發的武器,不過嚴格來講…這種武器在大氣層內使用真的不要緊?反物質光束一出砲口就會跟空氣對消滅而爆發,這情況跟核彈在你面前炸開沒兩樣(汗)。歐美的科幻作品反物質引擎和反物質兵器也是常客,除了反物質光束砲外還能裝在彈頭內作成反物質彈頭。
 
縮退爐
  除了對消滅機關外科幻作品裡的恆星間宇宙船也頗常使用的動力源,基本上到了縮退爐就已經快要進入架空科技的範圍了,畢竟這已經是屬於只能存理論去討論的東西。最近的超級機器人大戰也設定一堆縮退爐動力機體。
 
  縮退是直接從日文來的,原意是簡併。簡併是一種高密度的物質狀態,物質因為巨大的外在壓力而使的軌道上的電子被壓入原子核內,此時物質會抵抗這種狀態而散發出巨大能量。實際的原理構造依照作品而有不同的定義,不過大部分作品都歸類為黑洞爐的一種。動畫裡這東西的出現大概從90年代前後的勇往直前的鋼巴斯達,以及海底兩萬浬的新羅吉拉斯號才比較被人們所知道。這兩部作品設定的推退爐原裡,是兩個互相繞行的微型黑洞,其重力場相接後產生的奇異點釋放的能量加以利用。而逆A鋼彈搭載的兩基DHGCP也是設定為縮退爐,實際的結構原裡不明。
 
  而現實可行的構想是以適量的物質去維持微型黑洞的存在,一定質量以下的黑洞會自然的蒸散而消失,藉由投入適當的物質使的黑洞的蒸散和成長維持一的平衡狀態,投入的物質在黑洞的作用下能以及高的效率轉為能量或是使用到黑洞的引力去取得能量。然而人工製造黑洞的可行性只有以大型強子對撞機去撞擊出來,不過關於用強子對撞機撞擊出黑洞的可行性牽扯到太多未經證實或是正確性仍待驗證的理論。目前所知的只有實驗到目前為止都沒有產生足以摧毀地球物質的跡象。因為這東西牽扯到太多目前人們還未能完全掌握的科學領域,所以科幻作品一般都是設定成遙遠未來或是先進異星文明才會有的技術。
 
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  原本這篇能早點完成的,不過資料遺失過一次。已經儘量努力補救了,真的花了不少時間重新找資料啊。話說線稿部分也好久沒有增加新作品了,沒意外的話近期還能增加個幾張吧。接下來這討論科幻載具的專欄已經講完動力了,接下來要討論哪些部分呢?恩...接下來來講講裝甲和武器吧...
 
 
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百合コンの玥炭
(筆記

03-03 04:21

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