太空旅行的宇宙飞船用什么动力推进

伤我心太深

　　去恒星要多久?

　　载人前往除太阳之外的另一颗恒星?现阶段还没有任何办法，但我们不妨纵情想象一番。
　　很多天文迷都想过这样的问题：前往除太阳之外离我们最近的另一颗恒星，要花多长时间?在一个人的有生之年可不可以?像这样的旅行，好久才能成为常态?这样的问题有许多可能的答案，其中一些很简单，另一些则很科幻。要想得到一个全面的答案，意味着有许多方面需要考虑。



　　不幸的是，任何现实的评估都可能让着迷于星际(意思是恒星之间)旅行的人大失所望。太空实在太大，而我们的技术依然很有限。但假如我们张开想象的翅膀，那就有一系列“手段”去往一颗恒星。距离我们最近的恒星是太阳。它是一颗相当“一般”的“主序星”，意思是说它非常稳定，为地球提供的热量刚好够生命在地球上的演化。科学家现在已经知道，有行星绕着太阳系附近的恒星转，其中许多恒星与太阳相似(天文学上叫类太阳)。

　　在未来，如果人类希望离开太阳系，那么有很多颗系外(即太阳系之外的)行星可供我们选择前往，而且许多系外行星都可能具有支持生命的条件。但我们究竟该去往哪里?要花多长时间才能到那里?请记住，这篇文章完全是在纸上谈兵，现阶段我们还没有任何办法前往系外行星。在这个大前提下，现在就让我们纵情想象吧!



　　最近的恒星

　　距离太阳系最近的恒星是半人马座毗邻星，这让它成为我们前往系外行星时首选的目的地。作为一个三恒星系统——半人马座阿尔法星系统的一部分，毗邻星距离地球大约4.22光年。半人马座阿尔法星实际上是这3颗恒星中最亮的一颗，也与另一颗恒星构成相互近距离环绕的双星系统，该系统距离地球4.37光年。毗邻星是这3颗恒星中最暗的一颗。它是一颗红矮星，距离另外两颗恒星大约都是0.13光年。

　　虽然关于星际旅行的许多设想都包含超光速的内容，其中从曲速引擎和虫洞到跳跃引擎及阿库别瑞引擎的都有，但这些设想要么具有浓厚的幻想色彩，要么纯属科幻。事实上，任何前往太阳系以外的任务都很可能要花好几代、好几十代甚至好几百代人的时间才能完成，而不可能只花几天就一蹴而就。让我们从最慢的太空旅行方式说起，用这种方式，前往毗邻星要花多久呢?


　　现行技术

　　说起到太空中某地要花多长时间这个话题，如果以现有技术和太阳系以内的天体为例，要好说得多。例如，使用为美国宇航局“新地平线号”任务提供动力的技术(有16部推进器，它们由肼单元推进剂提供燃料)前往月球，只需要8小时35分钟。另一方面，欧洲空间局的“聪灵-1”任务前往月球使用的是离子推进，花了1个月零两周才到达月球。后来，美国宇航局的“黎明”任务也运用了离子推进探索灶神星。



　　从比较快速的火箭驱动到节省成本的离子推进，我们已经有一些手段在局部太空来回。另外，我们也可以借助木星或土星引力来为飞船加速。然而，如果我们要思考去往太阳系以外那么遥远的地方，那么就不得不升级现有技术，并且考虑一些有可能的未来技术。
　　当我们说到有可能的技术，其实是包含现有技术和虽然现在还没有、但技术上可行的技术。其中一些技术经过了时间证明，其他一些技术正在浮现或有可能很快出现。但使用这些技术，要想前往太阳系以外的话都很费时。

　　离子推进

　　这是眼下最慢的推进形式，但离子引擎的燃料效率最高。幾十年前离子推进还被视为科幻，但近年来，该技术不仅成为了现实，而且大踏步发展。“聪灵-1”使用的是由太阳能驱动的离子推进器，即把采集自太阳能电池板的电能用来推动霍尔效应推进器。“聪灵-1”前往月球只用了82千克的氙推进剂。1千克氙推进剂就足以推动每秒45米的变速(太空机动需要飞行器变速)。不难看出，离子推进是一种效率很高的推进方式，但它绝对称不上快速推进。



　　1998年，美国宇航局“深空1号”任务采用了离子推进技术来前往波莱利彗星，这也是该技术的最早运用之一。“深空1号”飞行器采用的也是氙驱动离子引擎，消耗了81.5千克的推进剂。经过20个月的推进，飞行器在飞近彗星时的速度达到了每小时5.6万千米。离子推进比火箭技术省钱得多，因为前者每单位推进剂质量产生的推力(简称比冲量)要高许多。但要想把飞行器加速到很高的速度，所花时间也要长得多。离子推进能实现的最大速度取决于燃料供应，以及能产生多少电能。

　　如果离子推进被用于前往毗邻星，推进器就需要巨大的能量源(核电)和巨量的推进剂(尽管比常规火箭还是要少些)。以81.5千克氙推进剂转化为每小时5.6万千米的最大速度来计算，并且不考虑其他任何推进方式(例如借助引力加速)，那么“深空1号”要花8.1万年，即超过2700代人的时间，才能从地球旅行到毗邻星。当然，如果把离子引擎做得很大，能力也提得很高(即离子排气速度大大增加)，并且有足够推进剂保持飞行器在途中持续加速，那么旅行时间可能会大大缩短，但也绝对缩短不到一个人有生之年这个范畴。


　　借助引力

　　现有最快的太空航行手段是借助引力，即飞行器运用轨道运动(相对运动)和行星引力来改变飞行器的轨道和速度。借助引力是一种非常有用的太空飞行技术，尤其是借助太阳、地球或另一颗大质量行星(例如木星)来提高飞行器的速度。
　
　　美国宇航局“水手10号”飞行器率先使用了借助引力。1974年2月，它运用金星引力，把自己弹射到前往水星的轨道。20世纪80年代，美国宇航局“旅行者1号”探测器运用土星和木星的引力弹弓效应，把自己加速到每小时6万千米的速度，从而进入星际空间。

　　1976年，美国宇航局发射“太阳神2号”探测器，目的是研究距离太阳0.3～1天文单位的行星际介质。引人瞩目的是，“太阳神2号”达到了迄今为止借助引力所实现的最高速度。当时，“太阳神2号”和1974年发射的“太阳神1号”成为距太阳最近的飞行器纪录保持者。“太阳神2号”是由美国宇航局常规运载火箭“大力神/半人马座”发射的，它被送入一个偏心率很高的椭圆轨道。在这个周期为190天的太阳轨道中的近日点，“太阳神2号”的最大速度超过每小时24万千米。这一轨道速度是仅凭太阳的引力作用达到的。“太阳神2号”依然保持迄今为止最快的人造物体纪录。

　　如果“旅行者1号”以每小时6万千米的速度飞向毗邻星，那么要花7.6万年(超过2500代人)的时间才能到达。如果它的速度达到“太阳神2号”的每小时24万千米，那么它依然要花1.9万年(超过600代人)的时间才能到达毗邻星。



　　电磁驱动

　　科学家提出的另一种可能行得通的星际旅行技术是射频共振腔推进器，简称电磁驱动。这一思路由英国科学家沙耶在2001年提出，他还建立了专门机构来研究怎样实现这一理念。这一理念的核心是，电磁微波腔能把电能直接转化为推力。

　　尽管常规电磁推进器的设计都是为了推动某种类型的质量(例如离子化微粒)，电磁推动却不依赖反应物料，也不发出定向辐射。但电磁驱动理念遭到不少科学家怀疑，主要原因是它违反动量守恒定律。所谓动量守恒，是指一个系统内的动量不变，即动量不会产生也不会消灭，而是通过力的作用发生形式改变。

　　然而，近年来针对电磁驱动技术的实验，却出现了看起来正面的结果。美国宇航局先进推进技术研究团队2014年7月宣布，他们成功测试了一种电磁推进器新设计。2015年4月，美国宇航局约翰逊太空中心宣布，他们在真空中成功测试了这种电磁推进器，这表明电磁推动在太空旅行中可能行得通。2015年7月，德国德累斯顿太空科学家建造了自己的电磁驱动器，并且观察到了推力。2010和2014年，中国西北工业大学科学家发表了对电磁驱动技术的系列研究，认为电磁驱动的确行得通。



　　根据美国宇航局对电磁驱动器雏形的研究结果，配备电磁驱动器的飞行器有可能在不到18个月的时间里从地球飞到冥王星。这仅为“新地平线号”这一行程所花时间的1/6。听起来很不错，但就算按照这个速度，配备电磁驱动器的飞行器也要花超过1.3万年才能从地球飞到毗邻星。

　　热核推进和核电推进

　　另一种实现行星际旅行的可能性，是使用配备核引擎的飞行器。美国宇航局探索这一理念已有几十年。在热核推进火箭中，铀或氘反应产生的能量被用来加热反应器内的液态氢，把它变成离子化的氢(等离子体)。等离子体被导引通过火箭喷嘴喷出产生推力。核电推进火箭涉及同样的基本反应，把热量和能量转化为电能，推动电引擎。在这两种情况下，火箭都依赖核裂变或核聚变(而非依赖化学推进剂)产生推力。而迄今为止，美国宇航局及其他航天机构主要依赖的还是化学火箭。

　　与化学推进相比，不管是热核推进还是核电推进都有不少优势。首先和最明显的是，与火箭燃料相比，这两种推进提供的能量密度几乎无限。第二，核能引擎比冲量高，意味着需要的推进剂总量少，发射重量相对低，任务成本也低些。虽然热核或核电引擎至今尚未试飞过，但过去几十年来这方面的设计理念不断涌现和经过理论论证。这些理念中既包括传统的固体芯设计，也包括更先进、效率更高的液体芯和气体芯设计。



　　美国宇航局科学家估计，使用由核裂变或核聚变驱动的核引擎，当火星最靠近地球时，飞船只需90天就能从地球飞到火星。但是核动力飞船要想从地球飞到毗邻星的话，仍然要花好几百年才能加速到光速的1/10左右，此后还得飞好几十年，在到达目的地之前还得花许多个世纪来减速。也就是说，核动力飞行器至少要花1000年时间才能从地球飞到毗邻星。如此看来，核动力引擎对于行星际任务来说是诱人的，但对于星际任务来说还是免谈了。

　　总而言之，运用现有技术进行载人星际旅行可以说完全不可能。如果要在一代人的时间内完成载人星际旅行，就需要极端的、目前依然是纯理论的技术。虽然虫洞和跳跃引擎之类的概念到了这一刻仍然纯属科幻，但依然有一些相当前卫的理念这些年来得到过考虑。



　　核脉冲推进

　　这是一种理论上可行的技术，由参与曼哈顿计划的美国数学家尤拉姆在1946年提出。1947年，尤拉姆等人对此理念进行了初步计算。实际的核脉冲项目是“猎户座”，它从1958年启动，一直持续到1963年。“猎户座”项目的牵头人是美国著名物理学家泰勒和戴森，他们希望运用脉冲核爆炸能量提供比冲量很高的巨大推力。简单地说，“猎户座”的原理就是：一艘大型飞船和源源不断的热核弹头供应;从飞船后部释放核弹;在飞船尾部挤压垫的帮助下，飞船驾乘爆震波前进。每次核爆炸后，爆发力都被挤压垫吸收，转化为向前的推力。

　　从现代标准看，“猎户座”理念可以说很糟糕。但它的一大优点是能达到很高的比冲量，因而节约成本。此外，该理念在理论上能达到很高的速度，甚至达到光速的5%。然而，这一设计的缺点也很突出。首先，如此规模的飞船建造成本很高。根据戴森在1968年的估计，一艘采用氢弹产生推进力的“猎户座”飞船重达40万～400万吨，其中至少1/3的重量是氫弹，每一枚弹头重量大约为1吨。

　　图片/本文来源：《大自然探索》杂志



　　总共加在一起，当时根据戴森最保守的估计，“猎户座”飞船的建造成本高达3670亿美元，相当于现在的2.5万亿美元，即美国政府目前年收入的2/3。就算不说核废料问题，也还得说说辐射问题。事实上，正由于“猎户座”飞船的辐射极大，这一项目后来被终结。

　　聚变火箭

　　另一种核动力飞船设计，是让火箭依赖热核反应产生推力。按照这种理念，与美国加州“国立点火设施”的情况相似，使用电子束，通过惯性约束点燃反应堆中的氘/氦3混合弹丸。这种聚变反应堆每秒引爆250粒弹丸，产生高能等离子体，接着由磁喷嘴喷出产生推力。



　　与依赖核反应堆的火箭相似，这一设计的优势包括燃料效率和比冲量高。据估计，高能等离子体喷出的速度高达每秒1.06万千米，远远高于常规火箭的速度。此外，该理念在过去几十年里得到了广泛研究，科学家在这方面提出了诸多设想。例如，1973和1978年，英国“行星际学会”研究了“代达罗斯计划”(在希腊神话中，代达罗斯是建筑师和雕刻家，曾为克里特国王建造迷宫)。依赖对核聚变技术的现有知识和现行办法，该研究呼吁建造一艘两级不载人科考探测器，把它发射到距离地球5.1光年的巴纳德星，行程历时在一个正常人的寿命范围内。其中第一级是两级中较大的一级，它将工作2.05年，把飞船加速到光速的7.1%。这一级随后被丢弃，此刻第二级引擎点火，在1.8年的时间里把飞船加速至光速的12%。这时，第二级引擎关闭，飞船进入为期46年的巡航阶段。

　　据代达罗斯项目团队估计，这艘无人飞船要花50年才能到达巴纳德星。如果把目的地改为毗邻星，那么要花36年。当然，这个计划也有许多鸿沟难以逾越。例如，氦3在地球上很稀缺，因此需要从月球或其他天体上采掘。第二，推动飞船的核反应所要求的能量释放力度很大，目前的技术根本达不到这个要求。第三，建造这种飞船的成本太高太高。满载燃料的飞船重量达6万兆吨(1兆吨为100万吨)。就算真的能发射如此沉重的飞船(实际上根本不可能)，其发射成本也是根本无法负担的。



　　简言之，不仅聚变火箭的成本决定了目前根本不可能生产这样的火箭，而且建造这种火箭所需的技术也远远超过现有技术水平。由公民科学家(其中一些是美国宇航局和欧空局前职员)组建的“伊卡洛斯星际”组织于2009年成立，该组织希望让聚变火箭等未来推进技术在不远的将来变得可行。

　　聚变喷气推进

　　这一理念由美国物理学家柏萨德在1960年提出。它其实是标准核聚变火箭的改进版，即使用磁场把氢燃料压缩到聚变发生点。此外，用巨大的电磁“漏斗”把星际介质中的氢“舀”出来，“倒”进飞船的核反应堆作燃料。随着飞船加速，反应物质被迫进入一个越来越收缩的磁场，一直被压缩到热核聚变发生。磁场导引能量作为火箭排气通过引擎喷嘴，由此加速飞船。由于无需燃料箱，飞船质量减轻，因此聚变喷气飞船能达到光速的4%，而且能飞编整个星系。



　　然而，聚变喷气推进的缺点也不少。例如，阻力是一个大问题。聚变喷气飞船依赖速度增加来积累燃料，但随着飞船与越来越多的星际氢碰撞，飞船可能会减速，这在星系中的稠密区域尤其可能发生。第二，氘和氚(地球上的聚变反应堆用的就是它们)在太空中很罕见，而聚变在宇宙中很丰富的常规氢，则不在目前掌握的技术范畴内。

　　聚变喷气推进理念在科幻作品中被大肆渲染。这方面最有名的例子可能要算是美国科幻连续剧《星球旅行》中的“柏萨德采集器”——曲速引擎上的发光舱。而在现实中，人类对聚变反应的认识还需要大大扩展，才有可能造出聚变喷气飞船。当然，还得想出对抗阻力效应的法子。这显然也不是近期能实现的。



　　激光帆


　　在探索太阳系方面，太阳帆一直被认为是一种节约成本的方式。除了相对便宜和容易建造之外，太阳帆还无需任何燃料。太阳帆及广义的太空帆不需要火箭推进剂，只需要恒星的辐射压力，就能把超薄的镜面式太空帆推进到高速。但对于星际飞行来说，需要聚焦能量束(激光或微波)来推动太空帆达到光速的几分之一。这一理念最早是由美国物理学家佛华德在1984年提出的，当时他任职于美国休斯飞机研究室。

　　这一理念保留了太阳帆的好处，即无需机载燃料，但它也利用了这样一个事实：不像太阳辐射那样，激光能量几乎不随距离的增加而耗散。因此，不仅激光帆假以时日能达到所需的速度，而且其速度仅仅受光速本身限制。根据美国宇航局喷气推进实验室先进推进概念研究部主任弗里斯比2000年的一项研究，只需不到10年时间，就能把激光帆加速到光速的一半。他还算出，直径320千米的激光帆只需12年就能从地球飞到毗邻星。如果激光帆直径达到965千米，那么这一时间会减少至9年以内。

　　然而，为了避免熔化，激光帆必须由先进的复合材料制作。考虑到激光帆的大小，其制作成本高得难以估量。建设与之匹配的激光站的费用，更是高达天文数字，全球各国财政收入加起来也不见得够。根据弗里斯比的研究，驱动上述超大型激光帆所需的激光强度高达1.7万太(1太=1万亿)瓦，相当于全球每天的激光总强度，况且激光帆所需的激光必须持续提供很长一段时间，才能把激光帆加速到光速的一半。总之，无论是从技术水平还是从建造成本来说，超大型激光帆的建造在今后很长一段时间内都不可行，更不要說用激光帆飞船载人到太阳系以外。
　　图片/本文来源：《大自然探索》杂志

　　反物质引擎


　　科幻迷肯定都听说过反物质。但如果你并不知道什么是反物质，那这里简单介绍一下：反物质基本上是由反粒子组成的物质;反粒子与基本粒子质量相同，但电荷相反。反物质引擎是这样一种推进形式：它利用物质和反物质之间的相互作用发电，或者说创造推力。简言之，反物质引擎涉及氢和反氢粒子的相互猛烈撞击(湮灭)。这种反应释放的能量与氢弹相当，另外还要释放大量亚原子(介子和μ介子)粒子，这些粒子的穿行速度达到光速的1/3，因此可被磁喷嘴引导来产生推力。



　　反物质火箭的优势在于，物质/反物质混合体的大部分静止质量都可能被转化为能量，这让反物质火箭比其他任何类型的火箭都有高得多的能量密度和比冲量。不仅如此，控制好这种反应，就能把火箭和飞船的速度提高到光速的一半。反物质飞船将是最快和最省燃料的飞船。常规火箭需要几吨化学燃料才能把飞船送到目的地，而反物质引擎做同样的事只需几毫克燃料。事实上，225克氢和反氢粒子的相互湮灭所释放的能量，比一枚百万吨级的氢弹释放的能量还多。

　　正是因为这个理由，美国宇航局先进概念研究院一直在研究让反物质推进成为未来载人火星任务主要推进手段的可能性。不幸的是，如果要考虑通过反物质推进技术去往其他恒星系统，燃料需求量就会猛涨，其成本会高达天文数字，因而完全行不通。

　　根据弗里斯比等人的估计，如果要前往毗邻星，一枚两级反物质火箭需要90万吨燃料，就能在不到40年的时间里把飞船送到目的地。听起来真不错。问题是，虽然仅仅1克反物质就能产生多得令人难以置信的能量，但生产仅仅1克反物质就需要差不多2.5億千瓦的能量，成本超过1万亿美元。目前，全球生产的反物质总量也才不到20纳克(1纳克等于十亿分之一克)。

　　就算能相对便宜地生产反物质，也需要巨大的飞船来装载所需的燃料。根据测算，配备反物质引擎的飞船飞行速度能达到光速的50%，因此能只用略微超过8年的时间就从地球飞到毗邻星。然而，飞船自身重量就会超过4亿吨，还需要1.7亿吨的反物质。有一种可能的途径，就是让飞船创制反物质，把它作为燃料使用。这一被称为“真空反物质火箭星际探索者系统”的理念，是由“伊卡洛斯星际”组织的科学家提出的。根据该设想，反物质飞船可依赖大型激光(由巨型太阳能电池阵列供电)，在真空中发射激光就能产生反物质粒子。

　　与聚变喷气推进构想一样，这一设想解决了让飞船携带燃料的难题，即通过在太空中制造燃料。但同样，反物质飞船的建造成本以现有技术来说完全无法想象。另外，科学家目前也毫无办法大量制造反物质。当然也还有辐射问题，因为物质-反物质湮灭会产生高能伽玛射线。这不仅会威胁飞船上的人(除非有有效防护设施，而防护设施会增加飞船重量、制造成本和建造难度)，而且要求对引擎的防护，否则引擎会因为暴露在强辐射面前而发生原子退化。总而言之，虽然反物质火箭说起来很美，但以现有技术和预算来说根本就不切实际，属于空想范畴。


　　阿库别瑞曲速引擎

　　科幻迷肯定对阿库别瑞曲速引擎(以下简称曲速引擎)也不陌生。这一假想由墨西哥物理学家阿库别瑞在1994年提出，其核心是狂想快于光速的旅行。简言之，这一理念涉及拉伸波中的时空结构，理论上能造成一个天体前方的空间收缩，后部空间扩张。这个波内的物体(即飞船)能驾乘这个波——“曲速泡”，从而超光速。因为飞船并未在曲速泡内移动，而是被曲速泡牵着走，时空和相对性的制约就不复存在。这里所说的快于光速，只是说飞船能比曲速泡外的光束更快到达目的地。如果一艘飞船能装备曲速引擎系统，它就能在不到4年时间内从地球飞到毗邻星。从纯理论上说，这是目前最快和最有希望的星际旅行办法。

　　很自然地，这些年来科学界对这一构想也是褒贬不一。主要的反对观点是，曲速引擎没有考虑量子力学，回圈量子重力理论完全有可能推翻曲速引擎理论。对其中涉及的能量的计算也表明，要使曲速引擎起作用所需要的能量也高得离谱。其他不确定性包括曲速引擎的安全性、对目的地时空的影响以及对因果定律的违背。

　　不过，美国宇航局科学家怀特等人2012年宣布，他们已经开始研究曲速引擎的可行性。怀特声称，他们构建的一台干涉仪能探查曲速引擎造成的时空胀缩所引起的空间扭曲。2013年，美国宇航局喷气推进实验室发表了在真空条件下进行曲速场(次元护盾)研究的结果——“不具有确定性”。随着时间的推移，或许我们会发现曲速引擎的确违背一项或多项自然定律。就算曲速引擎不违背自然规律，也无法保证它会被用于或能够被用于快于光速的旅行。

　　总而言之，如果你希望在有生之年去太阳系以外旅行，那多半没指望。但如果人类真的感觉有必要建造“星际方舟”，让飞船上的人生活自给自足，并且真的投巨资、下苦功研发这方面所需的技术，那么再过100年或200年的确有可能成功。而如果没有建造“星际方舟”的必要，恐怕就不要着这个急，毕竟，相对现实的载人星际旅行思路目前都只是或基本上是属于科幻范畴。

　　图片/本文来源：《大自然探索》杂志