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总结科幻作品和太空歌剧中一些科学上的严重误解

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本帖搬运翻译自外国网站atomic rocket。这个网站主要是为那些希望获得一点科学准确性的科幻小说作者准备的,专业术语是 "硬科幻"。虽然这个网站最初侧重于火箭方程式,但正如你所看到的,它已经发展到包括科幻小说作家和游戏设计师感兴趣的其他主题。比如银河帝国和星际贸易。
下图是网站的目录,可以看到几乎涵盖了科幻作品的方方面面,对于科幻爱好者(或者硬科幻爱好者)是一个不错的网站,感兴趣可以去看看。


IP属地:山东来自Android客户端1楼2023-07-31 08:30回复
    我知道,你们这些没有学过科学的人,从许多愚蠢的、不科学的、不准确的电影和电视节目中,对太空旅行产生了大量的误解。我要给你们澄清一下。下面是我的清单


    IP属地:山东来自Android客户端2楼2023-07-31 08:31
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      太空不是海洋
      我不管《星际迷航》或《星球大战》里演的是什么,太空不是海洋。有太多的太空剧做出了不科学的假设,认为太空旅行就像海洋旅行一样。这是大错特错的。
      尤其是,太空不是二维的,太空中没有摩擦力,飞船的甲板也不会像海船那样布置。不允许太空航行!
      更值得商榷的是,太空船的级别可能不会以海军舰船级别(如巡洋舰、战列舰、驱逐舰、护卫舰等)来命名,军衔结构可能更像空军而不是海军,太空海盗的可能性也很小。


      IP属地:山东来自Android客户端3楼2023-07-31 08:33
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        空间是三维的
        空间是三维的,而不是二维的。这一谬论是 "太空是海洋 "谬论的衍生。航天器不像船那样只能在水面上移动,它们可以 "上 "也可以 "下"。它们甚至不像飞机那样受到限制,后者只限于上下飞行的距离。从理论上讲,航天器可以在任何给定的方向上飞向无限远。
        它们的方向也没有限制。如果你看到 "企业号 "星舰接近 "无畏号 "星舰,而其中一艘相对于另一艘是 "上下颠倒 "的,你可能会认为这是不对的,但实际上没有任何东西可以阻止这种情况。更糟糕的是:另一艘飞船的机头可能根本没有对准飞船飞行的方向。
        这就使得向敌方飞船发射炮击更具挑战性。他们可以从任何方向接近你,而不仅仅是在二维平面上。


        IP属地:山东来自Android客户端4楼2023-07-31 08:34
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          太空中没有航道
          太空中没有 "航道"。你的起始星球围绕着主太阳旋转,目的地也在以不同的速度旋转,它们之间的关系在不断变化。每次转移的轨迹可能都是独一无二的,没有其他航天器会再沿着相同的轨迹飞行。
          因此,你可以忘掉潜伏在航道附近的星际飞船袭击者,因为根本就没有航道。海盗和私掠者也是一样。
          你所能指望的最好结果,就是在有人居住的行星之间长达数月的霍曼最低能量轨迹空窗期,集中发射飞船。即便如此,这些飞船之间的距离也可能达到数百万公里,除非它们是组成一个护航舰队。
          不过,有一个例外。虽然行星之间没有航道,但在航天器密集的地方,肯定会有相当于空中交通管制员的存在。


          IP属地:山东来自Android客户端5楼2023-07-31 08:35
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            火箭不是船
            我不在乎星舰企业号或太空堡垒卡拉狄加是如何布局的。对于科学准确的火箭来说,"向下 "的方向与火箭排气管的喷射方向是一致的。换句话说,宇宙飞船的内部结构大致相当于摩天大楼,而不是客机。楼层的设置与推力轴垂直,"向上 "就是飞船的推力方向。这是最顽固的误解之一,不幸的是,几乎所有的太空飞船在 SF 媒体中都搞错了。请看《星际迷航》、《星球大战》和《太空堡垒卡拉狄加》!
            这种糟糕的套路是 "空间是二维的 "谬论的产物。有些太空剧甚至把飞船做得像船一样。甚至愚蠢到把舰桥安置在 "顶部",这样舰桥就会被敌方武器打掉,而不是安置在舰船深处,这样舰桥就能得到一定的保护(《星际迷航》和《大和号》让人印象深刻)。
            (安东尼-杰克逊指出了两种例外情况。其一:如果航天器也是飞机的一部分("腹部着陆器"),比如航天飞机,在空中 "向下 "将与机翼垂直,但在太空中 "向下 "将与排气方向一致。其二:如果您有离子驱动器或其他低推力驱动器,飞船可能会有某种离心引力,因此 "向下 "将与旋转轴成径向)。


            IP属地:山东来自Android客户端6楼2023-07-31 08:38
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              火箭不是战斗机
              我不在乎X翼战斗机和蝮蛇号太空战斗机是如何机动的。在没有大气层和机翼的情况下,是不可能进行俯冲机动的。
              你也不能在瞬间转弯。船只移动得越快,转弯的半径就越大。你的航天器不会像飞机一样运动,而更像是在巨大的黑冰上以高速行驶的装载满货物的18轮卡车。
              从军事、科学和经济的角度来看,太空战斗机是否有任何意义,还存在一些疑问。
              还有一点:如果你进行机动,你不会像纳斯卡赛车手那样被高重力力量撞向墙壁。除非你有大气层和机翼,否则不可能发生这种情况。你能感觉到的唯一力量方向就是火箭喷气口喷射方向的力量,其大小等于引擎产生的加速度。由于火箭不是船,所以力量通常会沿着船员认为的“下方”方向(由火箭的设计确定)作用。它永远不会是“侧向”(除非在愚蠢的情况下,比如在火箭加速时占据旋转离心重力环)。
              无论你是否在火箭原本的运行方向上推进(参见火箭不是箭),也不论火箭的当前速度(相对于什么?),都没有关系。如果火箭引擎无法提供超过0.5 g的加速度,船员就不会感受到超过0.5 g的加速度,即使船只以接近光速的很大一部分速度移动。
              但如果你非要有太空战斗机,它们会像这样行动。


              IP属地:山东来自Android客户端8楼2023-07-31 08:41
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                火箭不是箭
                航天器并不一定会沿着机头指向的方向飞行。
                在发动机燃烧时,推力会朝着机头的方向(而排气则朝相反的方向)。但是一旦推力消失,飞船就可以转向任何方向。如果愿意,它可以在太空中 "侧向 "飞行。这在太空战斗中非常重要,可以让飞船的武器攻击敌人。
                因此,《星球大战》和旧版《太空堡垒卡拉狄加》中那些无能的太空战斗机无法摆脱尾随其后的敌人的场景都是胡说八道。它们只需在短轴上旋转,然后轰击尾部的敌人。(巴比伦 5号》中的 "午夜火线 "一集就是一个很好的例子)。
                假设你的飞船正以一定的速度向 X 方向行驶。要想提高 X 方向的速度(加速),就必须将机头对准该方向并进行引擎燃烧。要降低 X 方向上的速度(减速),就必须将船头指向完全相反的方向,并进行一次引擎燃烧。
                如果向其他方向燃烧,飞船在加速或减速的同时也会改变行进方向。
                如果你真的想知道航天器是如何在太空中操纵的,那就去玩几局电子游戏《小行星》吧。


                IP属地:山东来自Android客户端10楼2023-07-31 10:12
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                  火箭不是酒店
                  如果你看过星舰企业号各种版本的大部分蓝图,你会发现飞船内部的每一个部分都是加压的,有门、房间和厕所。走廊宽阔得足以让五个人在铺着地毯的地板上并排行走,地板上还有间接照明。
                  这简直是大错特错。不仅《星际迷航》是这样,几乎所有的媒体科幻小说中都有这样的飞船。TV Tropes 将这种谬误称为 "豪华星舰"。
                  这是 "火箭是船 "谬误的延伸。客机和豪华邮轮的整个内部都是加压的,因为在一个有可呼吸大气层的星球上,海平面上的所有东西都是加压的。这是免费的。因此,粗心大意的星际飞船设计师们不假思索地做出了一个无意识的假设:飞船也会完全加压。
                  错了 太空中没有空气,要从地球的重力井中把大气运上来,成本很高。更不用说还要用昂贵的加压船体来包裹它了。
                  而且,不仅仅是把它拖上重力井的成本,航天器的发动机还必须加速所有这些垃圾的质量。每克都很重要,所以每增加一克地毯、大气层和压力舱,有效载荷就会少一克,也就是航天器诞生的初衷。请参阅《火箭方程的暴政》。
                  在现实世界中,航天器将主要由推进剂罐、推进系统、有效载荷舱以及将所有东西固定在一起的花格支撑杆组成。人们居住的部分将是一个很小的加压居住舱,藏在某个地方。
                  无知的星际飞船设计师们不自觉地认为,飞船的重要部分是船员,因此他们在设计飞船时颠倒了主次。他们的飞船大多是巨大的栖息舱,尾部装有一个小小的发动机。他们的飞船也错得离谱。如果设计者考虑到这一点,他们可能会勉强加入一个小小的燃料箱。这就像是他们失败的冰激凌圣代上的樱桃。
                  所以,别再在飞船蓝图上把每一寸空间都设计成加压的、人类可以触及的。在真正的航天器上,如果飞船工程师需要修理推进系统、散热器、动力装置、推进剂箱或类似的东西,他们就必须穿上太空服。他们不会像工程师斯科蒂那样奢侈,穿着衬衫袖子在铺着地毯的地板上跳华尔兹。


                  IP属地:山东来自Android客户端11楼2023-07-31 10:14
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                    IP属地:山东来自Android客户端12楼2023-07-31 10:15
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                      火箭有翅膀
                      如果您的火箭配备了多兆瓦级的动力装置、高推力的热推进系统或定向能量武器,它将需要巨大的散热器来排除所有的废热。否则,火箭将会熔化甚至蒸发。散热器看起来像是大型的翅膀或是一排排的面板。散热器的必要性对于战舰来说是一个真正的问题,因为散热器在敌方武器的攻击下非常容易受损。


                      IP属地:山东来自Android客户端17楼2023-07-31 11:23
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                        火箭没有窗户
                        太空船不需要窗户或舷窗,原因与潜水艇相似。窗户代表结构上的弱点,并且实际上也没有太多东西可以看到。除非太空船绕行行星或与另一艘船对接,否则唯一可见的就是深邃的太空和刺眼的太阳。与潜艇不同,太空船上的窗户还会让致命的辐射进入。阿波罗指令舱的窗户也必须经受大气再入时灼热的高温考验。
                        任何窗户都会很小,就像阿波罗指令舱上的窗户一样(侧窗为33厘米乘以33厘米,对接窗口为20厘米乘以33厘米)。放大窗户的唯一原因是,如果太空船需要进行有人驾驶的着陆且没有玻璃驾驶舱(例如阿波罗登月舱或航天飞机。登月舱的窗户是64厘米乘以71厘米的三角形)。国际空间站上的穹顶窗是迄今为止在太空中使用的最大窗户(80厘米)。
                        与《星际迷航》、《星球大战》和《星际迷航:星际大战前传》相反,太空战将不会在几英尺的距离内进行。定向能量武器将迫使敌舰距离如此之远,只能通过望远镜看到。通过舷窗观看太空战,您要么什么都看不到,因为敌舰离得太远,无法不通过望远镜观察,要么什么都看不到,因为反射的激光束或核爆炸永久地剥夺了您的视力。
                        电视剧情定律在《近在咫尺》一节中详细揭示了太空战近距离作战的神话。
                        导航室可能会有一个天文舱,用于紧急导航。但大部分情况下,窗户会被排除在外,以便使用雷达、望远镜电视摄像机和类似的传感器。


                        IP属地:山东来自Android客户端19楼2023-07-31 11:24
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                          火箭需要提前瞄准目标
                          当乘坐渡船从港口城市到港口城市时,船只不必担心目的地会四处移动。它只需要瞄准目的港口的位置。那个港口是大陆基岩的一部分,它不会比大陆漂移移动得更快。
                          但在太空中并非如此。一切都在运动。
                          因此,航天员将不会瞄准目标的实际位置。他们会瞄准火箭到达时目标将所在的位置。换句话说,他们会提前瞄准目标,就像狩猎鸭子一样。
                          例如,如果一艘化学火箭从地球出发前往火星,采用霍曼轨道,旅程将需要8.6个月。火星在其轨道上的速度约为每秒24公里。因此,如果航天员愚蠢地将火箭瞄准火星的当前位置,到达时火星将超过五亿公里远。
                          如果航天员是在一艘火箭动力足够强大的“火炬船”上,他们可以瞄准行星的当前位置。在这种情况下,“火炬船”能够在几天内完成这段旅程。或者速度足够快,以至于行星没有足够的时间移动太多。一个足够强大的“火炬船”如果能以1g加速到达,可以在两天内完成地球到火星的旅程。在这段时间里,火星只会移动大约500个行星直径,这将只增加几分钟的旅程时间。


                          IP属地:山东来自Android客户端20楼2023-07-31 11:25
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                            太空中没有摩擦力
                            在地球上,如果你开车并松开油门,汽车会因为路面的摩擦而逐渐停下来。在太空中,如果一艘船关闭发动机,它将保持其当前速度直到永远(除非撞上行星或其他物体)。在电影《2001太空漫游》中,你可能注意到探索号宇宙飞船在前往木星时没有从火箭发动机中喷出一丝烟尘。
                            你进行推力燃烧以进入正确的轨道,然后关闭发动机以节省燃料,然后依靠当前的速度滑行。
                            这就是为什么讨论火箭的“射程”是没有意义的。任何不围绕行星运行或处于太阳引力井中的火箭射程都是无限的。理论上,它可以进行推力燃烧并前往比如仙女座星系,只是需要数百万年才能到达那里。与其谈论火箭的射程,应该谈论火箭的ΔV。
                            加速和减速是对称的。这意味着如果你的航天器花了一个小时加速到每秒1000米的速度,大约需要一个小时才能减速到停止。你不能像船或汽车那样“踩刹车”并突然停下来。(我说“大约”是因为随着你的飞船加速,它会因为消耗反作用质量而失去质量,所以减速会变得更容易。但这是一个你现在可以忽略的复杂细节。)


                            IP属地:山东来自Android客户端21楼2023-07-31 11:34
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                              燃料不是推进剂
                              在火箭中,“燃料”和“反作用质量”之间存在着区别。火箭利用牛顿第三定律的作用力与反作用力原理来运动。质量以火箭尾气的形式猛烈地喷出,反作用力推动火箭向前加速。这个质量当然就是“反作用质量”。有时它也被称为“剩余质量”或“推进剂”。
                              “燃料”是燃烧或其他产生能量的物质,用于驱动喷出反作用质量。例如,在经典的原子火箭中,燃料是核反应堆中的铀-235棒,反作用质量是在反应堆中加热并从排气喷嘴喷出的氢气。
                              只有少数几种情况下燃料和反作用质量是相同的物质,这种情况发生在化学火箭(如航天飞机和土星5号)中,这也是误解最初产生的原因。
                              汽车、飞机和船只是相对较小的交通工具,其燃料箱容量较小。而火箭不同。一艘极为强大的火箭可能将其质量的一半用于反作用质量,另一半用于结构、外壳、机组成员等其他部分。但更有可能的是,75%的质量将用于反作用质量。甚至更多。大多数火箭都是一个巨大的推进剂贮箱,上方粘着一个火箭发动机,顶部粘着一个微小的航天舱。


                              IP属地:山东来自Android客户端22楼2023-07-31 11:45
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