专家答疑

在没有磁极的情况下,宇宙飞船如何确定自身方向?《星际迷航》中使用的系统有任何真实性吗?——S. Messick,俄克拉荷马城

克里斯托弗·波茨,美国宇航局喷气推进实验室(位于加利福尼亚州帕萨迪纳)的导航工程师,为您解答

与地球上的指南针使用者不同,宇宙飞船导航员无法依赖始终存在的磁场,因此我们必须使用自己设计的三维笛卡尔坐标系,或坐标框架。


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目前深空探测中常用的一种坐标框架被称为“地球平均赤道和J2000.0历元春分点”,缩写为EME2000。这个名称如此复杂是因为它包含了定义三维坐标系所需的许多要素:参考天体(地球);参考平面(平均赤道,一个理想化的赤道,不包括地球轴的小幅度摆动或章动);参考方向(春分点,春季第一天从地球到太阳的连线);以及参考时间(J2000.0,即2000年1月1日世界时12:00:00,用于行星运动计算的均匀时标)。参考天体和参考平面定义了坐标框架的x-y平面。z轴垂直于该平面,通常沿天体的自转轴方向。之所以需要参考时间,是因为参考平面会受到太阳系中其他天体引力的影响而产生细微运动。

使用已定义的坐标框架,宇宙飞船必须能够确定和控制其自身姿态。宇宙飞船传感器不使用指南针,而是利用太阳和恒星来确定飞船相对于坐标框架的姿态。期望的方向可以通过多种方式相对于已定义的框架来指定,但通常使用两种角度测量值。在天文学中,赤经和赤纬用于标识天空中的方向。赤经是在参考平面内的角度测量值,赤纬测量的是高于或低于参考平面的角度。

尽管具体细节可能有所不同,但在太空飞行中确定方向都依赖于定义参考框架和使用测量值来确定相对于该框架的姿态的基本原理。至于《星际迷航》中的系统(例如航向294,标记37),我怀疑这种方法目前在深空导航中得到任何应用。但是通过指定两个测量值,至少有足够的信息来正确瞄准曲速引擎。

以目前的消耗速度,全球铀矿储量还能为世界核反应堆提供燃料多久?——G. Peck,阿拉斯加州苏厄德

史蒂夫·费特,马里兰大学公共政策学院院长,为您解答

如果核能机构(NEA)准确估计了地球上经济可采的铀资源,那么按照目前的消耗速度,反应堆可以运行200年以上。

全球每年通过核能产生的2.8万亿千瓦时电力中,大部分是在使用低浓缩铀(LEU)燃料的轻水反应堆(LWR)中产生的。大约10公吨天然铀用于生产一公吨低浓缩铀,后者可用于产生约4亿千瓦时的电力,因此目前的反应堆每年需要约7万公吨天然铀。

根据核能机构的说法,已探明的铀资源总量为550万公吨,另有1050万公吨尚未发现——按今天的消耗速度计算,总共可供应约230年。进一步的勘探和提取技术的改进可能会使这一估计值在未来至少翻一番。

增加浓缩工作可以使每公吨低浓缩铀的轻水反应堆铀需求量减少高达30%。从乏低浓缩铀中分离钚和铀,并用它们制造新的燃料,可以使需求量再减少30%。同时采取这两种措施将使轻水反应堆的铀需求量减少一半。

有两项技术可以大大延长铀的供应。目前这两项技术都不经济,但如果铀的价格大幅上涨,未来可能会变得经济。首先,从海水中提取铀将提供45亿公吨铀——按目前的消耗速度可供应6万年。其次,燃料再循环快中子增殖反应堆(其产生的燃料比消耗的燃料还多)所需的铀将不到目前轻水反应堆所需铀的1%。增殖反应堆仅使用核能机构估计的铀供应量,即可达到当今的核能产量3万年。

大众科学 Magazine Vol 300 Issue 3本文最初以“专家答疑”为题发表于《大众科学》杂志第300卷第3期(),第84页
doi:10.1038/scientificamerican0309-84
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