6.0 脉冲推进系统 complete #

索引

6.1 脉冲引擎 Impulse Drive #

脉冲引擎提供星舰在亚光速下航行的推进动力，并在特定情况下提供辅助能源供应。脉冲推进系统（Impulse Propulsion System, IPS）由两组聚变发动机组成：主脉冲引擎和碟部脉冲引擎。一般情况下，即对接构型下，星舰仅启用主脉冲引擎作为动力源，为行星际飞行和亚光速星际旅行提供推力。高亚光速机动，尤其是在 0.75c 以上的速度下，可能需要使用碟部脉冲引擎提供额外动力。这类行动可能在某些任务条件下是可选操作，但通常而言为了尽可能降低相对论效应的影响而会尽量避免（详见 条目 6.2 ）。

在大使级星舰的早期设计定义阶段，预计原型舰 NX-10521 的总质量将达到不低于 371 万吨，而当时可用的或预测研制中的哪怕是比冲最高的聚变推进发动机，其推力性能都远无法满足设计所要求的 10,000 m/s² 加速度指标。为解决这一问题提出的改进方案是在脉冲引擎系统中加入一套紧凑的时空驱动线圈，类似于曲速线圈，从而产生一个低水平时空连续体扭曲，但不达到让星舰突破曲速屏障的程度。在大使级星舰的工程研制阶段，这一设计进行了计算机仿真模拟，确定采用此种设计的聚变发动机将能比传统喷射反应物推进推动更大质量的载荷，即便当常规聚变推进的比冲接近光速时同样如此。

尽管如此，进一步将排气产物加速到超光速的实验结果则令人失望，因为脉冲引擎不能像曲速引擎那样对船体结构产生多层力耦合反馈。但这一方面的研究工作仍在继续，以期望为未来的星舰提供更优的机动性。

在大使级和银河级星舰研制之间的阶段里，脉冲引擎设计的内部布局和建造方式仍在持续不断演进，同时也对像曲速引擎那样，使用一台脉冲聚变反应堆同时执行推进和发电工作的操作进行了研究和实际操作。脉冲引擎系统中的磁流体动力学（MHD）发电机和等离子电力系统接头将与曲速推进系统并网，为全舰系统供能。

脉冲推进系统燃料供应 IPS Fuel Supply #

IPS 的燃料储存在位于工程体内的主氘贮箱中，此外碟部还有一组共 32 个辅助低温贮箱。在船体结构和主计算机系统的燃料管理软件架构中都设置有多重冗余的交叉输送线路，处理飞行和靠港期间的所有燃料加注与转运相关作业。主氘贮箱同时也为曲速推进系统供应燃料，装载 13.8K 温度的浆氘，而碟部辅助贮箱则贮存液态氘。因此，当主贮箱中的浆氘需要转运到辅助贮箱中时，会通过一系列温度控制器缓慢升温，以将燃料流动性提高到恰当的水平，并最小化湍流和震动的影响。

与主氘贮箱一样，辅助低温贮箱由增强基体的 2378 号 cortanium 和不锈钢制造，以交替的交叉平行层铺设，并伽马焊接在一起。贮箱上为加注、泄放管线和传感器预留的穿孔由精密相位切割器切割而成，并由船厂传送机安装。当部件需要维修时，同样可用星际舰队维修港的传送器直接取出送修。每个辅助贮箱容积为 113 立方米，可储存 9.3 吨液态氘。

紧急飞行规则允许在脉冲推进反应堆中喷注微量反物质，以作为推进加力或需要紧急增加发电输出功率时的措施。主脉冲引擎直接使用轮机舰体 41 号和 42 号甲板上的主反物质贮箱提取反物质供应，而碟部脉冲引擎的则使用 10 号甲板上另两个独立的专用反物质贮箱。此贮箱是完全独立的，不能与主反物质贮箱交输（见 条目 5.4 ）。

脉冲引擎构型 Impulse Engine Configuration #

主脉冲引擎(MIE)位于飞船 23 号甲板，在对接构型下，其推力线与飞船 Z 轴平行。在分离情况下，则通过推力矢量让推力线稍微在+Y 轴上，也即垂直于飞船甲板平面向「上」偏转，以配平碟部分离后移动的飞船质心（见 条目 6.3 ）。碟部脉冲引擎位于 10 号甲板，两组引擎沿着 XZ 平面分布。在任何情况下，其推力线都始终平行于飞船 Z 轴。

主脉冲引擎由四组独立的脉冲引擎单元组成，碟部则是两组、每组两个脉冲引擎单元。每个脉冲引擎单元包括四个基本组件：脉冲推进反应堆（Impulse Reactor Chamber，IRC。每个引擎单元共三台），加速/发电机（Accelerator/Generator, A/G），驱动线圈组（Driver Coil Assembly, DCA）和矢量喷管导向器（Vector Exhaust Director, VED）。

IRC 是一个坚固的强化球体，直径 6 米，用于产生和约束质子-质子聚变反应所产生的能量，其结构由总厚度达 67.4 cm 的 8 层扩散强化 hafnium excelinde 制造。反应堆第一壁是一层 40 厘米厚的氟化 gulium 晶体，用于保护反应堆结构免遭辐射脆化和反应热应力影响。第一壁结构可被更换。在反应堆壳体上开有用于排气、注入燃料靶丸、安装聚变点火器和反应传感器的开口。

在所有脉冲引擎组件之外，银河级星舰通常会再携带四组额外的脉冲反应堆作为备用发电设施，在需要加力推进时也可以将其接入脉冲引擎主系统的尾喷管中提供额外动力。

从主氘贮箱提取的浆氘在被加热到液态后输送到 9 号甲板上的暂存供应贮箱中，然后冷却并冻结成为燃料靶丸。靶丸的直径在 0.5 到 5 厘米不等，更大的靶丸将产生更高的单脉冲聚变放能。反应堆工作时，标准聚变点火器将点燃靶丸，持续不断的脉冲聚变将在反应堆球形内壁的前半球产生一个脉冲聚变驻波波前。脉冲聚变反应堆机组的总瞬时输出功率可在 10⁸ 到 10¹¹ 兆瓦（10¹⁴-10¹⁷W）之间节流。

反应堆产生的高能等离子体从堆壁中央的开口喷出后，进入加速/发电机。这是一个 3.1 米长、5.8 米直径的圆柱形装置，由单晶硬铀框架和 pyrovunide 制造的加速器组件组成。在推进状态下，加速器处于工作状态，将等离子体排气的速度进一步增加并导入时空驱动线圈组中；在发电情况下，加速器则不工作，转而由其将等离子体导入等离子电力系统，以为全舰供电。此外还有组合工作模式，即当脉冲聚变反应堆进行推进的同时，使用 A/G 组件中的磁流体发电机从等离子体流中提取电力，并输送给飞船电网。

脉冲引擎的下一也是第三阶段组件是驱动线圈组，长 6.5 米、直径 5.8 米，包含一组共六个从中线分开的半环形线圈，由 934 号鍡素聚硅酸盐合金制成。当经加速器加速的等离子体通过线圈时，将激励线圈并产生所需的组合场效应，以起到如下作用：
（1）从飞船内侧降低其表观质量；
（2）促进连续体在飞船外侧的流畅滑动。

脉冲引擎的最后一部分组件是矢量喷管导向器（VED）。其包括一系列可移动的折流板和排气喷管，以对脉冲引擎排气进行可控喷射。VED 可以进行推力矢量控制，也可以在发电模态下用于将反应产物不产生推力地排出。

脉冲引擎控制 Impulse Engine Control #

脉冲推进系统由飞船主计算机内的操作软件程序控制，其与主曲速推进系统指令处理器一样使用遗传算法，能够从脉冲引擎系统的实际运用中不断适应并积累经验，并对乘员的手动外部输入和自身的自动程序均作出调整。乘员的指令输入通过语音或键盘执行，并被当前正在工作的主计算机核心处理，然后发给脉冲推进系统指令协调器，最终成为引擎执行的命令。脉冲推进系统与曲速推进系统的指令协调器交叉互联，以确保从曲速到亚光速飞行状态的平滑过渡，此外还有特定的程序用于避免场能量自伤（即曲速和脉冲推进系统子空间场之间不期望的干扰）。指令协调器同时也与 RCS 推力器的控制系统交联以控制飞船在亚光速下的姿态和平移机动。

6.2 相对论效应问题 Relativistic Considerations #

银河级星舰是星际舰队所建造的最为先进的飞船，而多少有些讽刺的是，这套最为复杂的系统在实际运用中也因其的复杂性而会造成一系列恼人的问题。

在 21 世纪末期，聚变飞船最初的航行引发了一系列相对论相关的问题。有关于伽马因子的理论计算，以及在接近光速时会出现的时间膨胀效应（钟慢效应），现在迅速变成了现实。在以相对论速度飞行的飞船参照系上所经历的时间变化被称作所谓的「双生子佯谬」：在长时间的亚光速飞行之后，当飞船返回地球时，会发现地球参照系上所经历的时间远比自己的长。幸运的是，这种时间差给当时的人们带来的除了好奇并没有更多的麻烦，因为远航的船员们时常会与地球联系，而地球也会将新闻发送给远方的游子们。许多其他的星际旅行文明反应自己也有过与之类似的经历，最终驱使联邦制定出目前使用的导航和通信标准。

今天，出现这样的时间差将会影响到星际舰队司令部乃至整个联邦计时的紧密同步，也会与联邦内计时制度相冲突。任何以高相对论速度进行的长时间航行都有可能危及任务目标。有时候，曲速引擎无法使用，导致长时间的亚光速飞行不可避免。在这种情况下，星舰的舰载计算机时钟基准会需要长时间的校准，即便星舰在整个航行期间始终没有与星际舰队导航信标脱离联系。同样也是出于相对论效应考虑，常规脉冲飞行的速度被限制在伽马因子相对较小的 0.25c。

脉冲引擎和曲速引擎在不同飞行状态下的效率决定了将为完成任务采取何种飞行方式。现有的脉冲引擎配置可在 0.5c 以下的亚光速达到不低于 85%的推进效率；相较而言，当前的曲速引擎在产生不对称蠕动子空间场以进行亚光速（亦即小于 1 的曲速层级）推进时的效率，就像任何分数倍曲速层级下那样，会有显著降低（见 条目 5.1 ）。通常认为，基于计算机的最优决策建议，仔细规划任务剖面并分配脉冲和曲速飞行航段，将能够最大限度减少飞行时间并降低相对论效应的影响。在紧急情况下，这些航线规划将会根据形势来作出调整，并且通常会留待情况好转后再进行航线变更操作。

6.3 轮机运作与安全考虑 Engineering Operations and Safety #

所有主脉冲引擎和碟部脉冲引擎组件均按照标准星际舰队平均故障间隔监测与更换标准进行维护。当然，其中经常暴露于高能作用且工作循环时间长的部件，将有最高的更换率。譬如，反应堆的氟化 gulium 晶体第一壁将经常接受探伤检测，以检查聚变反应造成的辐射脆化和可能的破损。若第一壁的烧蚀程度达到了 0.01 毫米，或检出每立方厘米上大于 0.02 毫米的破损达到/超过 2 个时即需更换，以先出现者为准。即便未检出破损，第一壁组件通常也会在 10,000 工作小时后进行更换。反应堆结构球壳通常则会在每 8,500飞行小时后进行更换，也包括其附件。反应堆的所有附件，如燃料注入器、反物质注入器、点火器和传感器等，都能在无需星站协助的情况下，由星舰自行在飞行中进行更换与检修。

在位于下游的组件中，加速/发电机和驱动线圈组的更换间隔为每 6,250 飞行小时，当然若在加速器线圈或结构组件上检测到损伤或正在发展的暗伤则会立即更换。造成加速/发电机出现损耗需更换的最常见原因是因持续暴露在聚变辐射下引发的金属脆化。加速器组件也是唯一可以在飞行中被拆解，并在进行非破坏性探伤后重新装回的脉冲引擎部件。

与之相似，驱动线圈组的更换间隔也是 6,250 飞行小时，造成其损耗的主要原因是电磁和热辐射应力产生的影响。驱动线圈组不能在飞行中进行更换，其全面维修只能在靠港后进行。推力矢量喷管是脉冲引擎所有部件中最可靠的，需要注意高能冲击的情况也最少。尾喷管的所有部件，如推力矢量折流板和其作动器，都可以不依赖星站协助，由星舰自行制造与更换。

安全操作对于脉冲推进系统的重要性与曲速推进系统一样重要。尽管硬件在设计上有其额定功率性能与工作时间限制，但在需要紧急超载时这一限制很容易就能达到乃至超过。在这种非常规情况下，系统将由计算机程序和乘员的合理操作来保护。虽然可以超载，但任何脉冲引擎组件都无法在超过 115%节流的输出能级下运行，并且在以 101% 到 115% 超载节流时，计算机将自动随超载时间降低推力以保护引擎，其功率-时间函数设定为 t=p/3。

脉冲推进系统所需的维护小时数相当于曲速推进系统的 1.6 倍，这是由于聚变反应的放能特性所致。聚变推进系统的小尺寸决定了其单位尺寸所受到的热能和声学应力将更为严重。虽然曲速推进系统的反应能级要比脉冲引擎高出五六个数量级，但正反物质湮灭反应的特性决定了这一反应过程中产生的结构冲击要小得多。尽管如此，星际舰队研发部门并未选择反物质火箭作为脉冲引擎的动力来源，这是因为足够高效的反物质引擎难以被缩小到脉冲聚变引擎的尺度。

6.4 紧急停车程序 Emergency Shutdown Procedures #

硬件故障和人为超控指令都可能对整个脉冲推进系统施加异常应力，最终导致引擎需要在不同程度上进行紧急停车。造成引擎需要紧急停车的情况可能包括极端热载荷、各组引擎间推力不平衡或是其他情况，在处置过程中需要借助系统传感器、操作软件和乘员的行动。

根据星际舰队的使用经验，由星舰内因引发的最常见的低程度紧急停车原因包括燃料流量壅塞、点火器动作不同步、尾喷管指向错误和加速器中的等离子体波动。由天体或其他现象引发的外因则包括小行星/流星体撞击、在交战中被相位炮或其他火力击中（但未遭到破坏）、恒星能量释放导致的热应力，以及其他飞船的曲速场干扰。

紧急停车程序通常会逐渐关断氘燃料供应，然后关闭聚变点火器能量调节器以停止聚变点火，同时将残余等离子体排放到舰外或排入等离子电力系统，从而让加速器和驱动线圈卸载。上述程序完成之后，将中断驱动线圈组的脉冲工作时序，使其断电回到电中性状态，并使驱动子空间场塌缩。如果故障仅涉及某一单独的脉冲引擎组件，那么在出现可能需要紧急停车的故障迹象时，系统就会预先重新分配负载作为预防措施。

主计算机与脉冲推进系统指令协调器中存储有上述程序及它们的诸多变体，供不同的紧急情况下使用。星际舰队要求乘员在紧急停车过程中加以监控和干预，但大多数情况下在乘员来得及做出合理反应之前，故障系统就已经自行完成惰化了。自动关机程序被认为非常可靠，并且在 42%的记录在案故障案例中，都是主计算机所接受的优先选项。

6.5 灾难性紧急程序 Catastrophic Emergency Procedures #

与曲速推进系统一样，脉冲推进系统也可能会遭受不同程度的损坏，从而需要对损坏硬件进行维修甚至抛弃。 对于脉冲推进系统损伤及其引发的舰船损毁，标准处置程序与曲速推进系统非常相似，包括但不限于：关闭或封锁任何可能对飞船造成进一步损坏的系统，评估推进系统的损坏情况及其对船体造成的附带损伤，并封堵船体气密破损和封锁任何不再宜居的内部区域。

根据计算机和船员的损管评估，将会自动切断受影响系统上游的氘燃料与反物质供应。在可行的情况下，工作人员将穿着标准舱外工作服（SEWG）进入受损区域，以确保受损系统完全惰化，并在必要时对相关系统进行维修。无法修复的脉冲推进系统损坏部件，从最外侧的矢量喷管开始，一直到舰内的驱动线圈与反应堆组件，都可以被从舰外拆下，并在它们已经无法在维持星舰完整的前提下保留的时候被抛弃。