Diary on 2026-07-31

时间和宇宙大爆炸

陪儿子入睡，和儿子讨论宇宙天文。我们讨论了宇宙大爆炸，宇宙大爆炸的物质是充那里来的。宇宙中是否存在另外一个一模一样的太阳系，或者地球，是否适合人类居住。

还有时间的概念，时间是什么呢？时间有零点（开始点），零点以前是什么？负时间或者反时间？在反时间里生活是什么样的？ 我们当前的时间是单维的，是否存在可能时间是二维甚至多维？ 二维时间之间是什么关系？正交？还是其他？

儿子还问了一个问题，在宇宙中，我们有太阳能电池，可以驱动电机转动。但是我们知道，飞机飞行靠空气浮力和推力，汽车在地面上是有轮胎摩擦地面前进，但是宇宙中没有空气，没有物质，怎么推动航天器前进的呢？我查了下AI, 主要是引力弹弓和惯性，但是具体的就很复杂了。

航天推进技术报告

核心问题：宇宙中没有空气、没有地面摩擦，航天器如何获得推力？如何维持数十年的深空飞行？

一、根本原理：动量守恒

航天推进与飞机、汽车截然不同：

牛顿第三定律

$F_{\text{推力}} = \dot{m} \times v_e$

• $\dot{m}$ = 工质质量流量（kg/s）
• $v_e$ = 喷气速度（m/s）

直观类比：穿冰鞋站在冰上，用力向前扔一个重球，你会向后滑。这与空气、地面都无关——纯粹是动量守恒。

齐奥尔科夫斯基火箭方程

$\Delta v = v_e \cdot \ln\left(\frac{m_0}{m_f}\right)$

• $v_e$ = 喷气速度
• $m_0$ = 初始总质量（含燃料）
• $m_f$ = 燃料耗尽后的质量
• $\Delta v$ = 速度变化量

关键结论：喷气越快、质量比越大，能获得的速度变化越大。

二、推进方式对比

技术参数详细对比

比冲 (Specific Impulse)：衡量推进效率的核心指标，越高代表每公斤燃料产生的冲量越大。

三、惯性飞行：为什么不需要持续开发动机

伽利略-牛顿惯性定律

在不受外力（或合力为零）时，物体保持静止或匀速直线运动。

• 地面车辆：空气阻力 + 轮胎摩擦 → 不持续供能就会停下
• 航天器在真空中：几乎没有阻力 → 一次加速后无限滑行

近地轨道 vs 深空环境对比

四、案例研究：旅行者号（Voyager）— 飞了48年的传奇

任务概况

飞行时间线

引力弹弓详解

引力弹弓是旅行者号得以飞越太阳系的关键技术：

物理本质：

• 航天器在行星引力场中做双曲线轨道运动
• 行星本身在公转（运动参考系）
• 航天器从行星的公转动能中”偷”走极小一部分
• 对航天器：速度暴增数 km/s
• 对行星：速度降低（但质量巨大，变化量不可测量）

弹弓加速效果

¹ 离开太阳引力后速度略有降低，但仍维持 ~17 km/s（约 61,000 km/h）

五、能源系统：核电池（RTG）

旅行者号至今仍有电力运行科学仪器，靠的不是太阳能板（太远没有阳光），而是放射性同位素热电机：

六、各推进方式工作原理图

七、知识体系总览

总结

航天器推进靠的是”向后扔东西”（动量守恒），飞行靠的是”扔完就滑”（惯性定律），飞远靠的是”借行星的力”（引力弹弓）。没有空气不重要——因为火箭推的不是空气，而是自己喷出去的物质。

报告生成时间：2026年7月31日 · 基于航天物理学基础原理编写