《流浪地球2》引爆月球的相控陣究竟是個啥
在熱映的科幻電影《流浪地球2》中,人類利用相控陣技術(shù)引爆了月球。相控陣是什么技術(shù),為什么能拿來炸月球?
相控陣技術(shù)一般應用在天線領域,比如航天領域的各種雷達天線。而雷達天線,通常又可以分為兩大類:一類是像鍋一樣的反射面天線,這也是人們對雷達天線的一般印象;另一類就是相控陣天線。這種天線的外形通常是一個扁扁的長方體,有點像“切菜板”。
鍋一樣的反射面天線,只發(fā)射一束電磁波,搜索目標時需要靠自身轉(zhuǎn)動,才能實現(xiàn)波束掃描,看起來就像“扭脖子”一樣四處轉(zhuǎn)動;而相控陣天線,是很多天線單元排成陣列,通過控制單元發(fā)射(接收)電磁波的相位,來控制波束掃描方向的變化,不扭動脖子也能實現(xiàn)一定角度內(nèi)的波束掃描。
如果將電磁波比作水波紋,那么相控陣天線的單元,就像是扔進水面的石頭??刂撇煌^扔進水里的時間和位置,所產(chǎn)生的不同水波紋可以實現(xiàn)波峰疊加。同理,根據(jù)電磁波的干涉,相控陣天線單元發(fā)射的電磁波,也可以實現(xiàn)波峰的疊加,在特定方向形成波束,實現(xiàn)更遠的搜索范圍。
《流浪地球2》里使用相控陣技術(shù)控制核爆,正是利用了這個原理。把相控陣天線里每個單元換成核彈,形成圓形排列,讓核彈從外圈到內(nèi)圈依次引爆。爆炸產(chǎn)生的沖擊波,也有類似電磁波的傳播機理,經(jīng)過精密計算,設定不同時間間隔的爆炸延遲,所有核彈爆炸的沖擊波能量疊加到中心位置,瞬間產(chǎn)生超高溫,實現(xiàn)氦3核聚變。
如此一來,相控陣技術(shù),就實現(xiàn)了引爆月球的設想!
雖然這是科幻電影里的劇情,但實際上,相控陣技術(shù)離我們并不遙遠。比如大家習以為常的天氣預報,氣象局是怎么提前知道天氣信息的呢?這里面就有相控陣技術(shù)的功勞。采用相控陣技術(shù)的氣象雷達,快速對大氣進行掃描,并從空氣中的水粒子等對象的反射信息中,獲取天氣的信息——實時的風速、風向,天上這片云會不會下雪等。再結(jié)合其他探測裝備的信息,氣象人員就能夠快速精準對天氣進行監(jiān)測和預報。雖然“不知天上宮闕,今夕是何年?!眳s可預知未來的“雨疏風驟”。
地質(zhì)災害發(fā)生時,常伴隨著惡劣天氣,這時光學設備無法正常觀測,為了更加準確地評估受災情況,相關單位就可以利用相控陣技術(shù)高分辨成像雷達,對災區(qū)進行全天時全天候監(jiān)測工作,為救災工作提供第一手的資料。
在5G時代網(wǎng)上沖浪的我們,其實也在享受著相控陣技術(shù)帶來的便捷。在各種報道中常常聽到的MIMO天線,正是利用相控陣技術(shù),在同一時間將單元的能量分給多個用戶,像一棵樹那樣通過不同的樹枝分叉同時輸送能量,從而提高傳輸距離和信息吞吐量。極窄的波束,可以用更強的信號更加精準地服務,給我們提供了更好的上網(wǎng)體驗。
相控陣技術(shù)還應用于航空領域。隨著航空業(yè)的繁榮發(fā)展,航空飛行器逐漸增多,相控陣天線可以快速分析出飛機的位置,全方位掌握飛行動態(tài),防止發(fā)生空中交通事故。
隨著我們科技創(chuàng)新的腳步越走越快,會有越來越多看似“科幻”的黑科技逐漸成為現(xiàn)實,我們不妨打開腦洞,大膽設想,畢竟你們負責幻想,我們可以負責實現(xiàn)。
(作者系中國航天科工二院23所設計師)
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