[转载]星际旅行的发动机

作者 萧楠


　　人类最熟悉的宇宙发动机应当火箭发动机，加加林利用这种发动机进入太空，阿姆斯特朗和奥尔德林利用这种发动机登上月球，先驱者和旅行者探测器利用这种发动机飞出太阳系。不过这种发动机的缺点是明显的，化学燃料占据的体积和重量太大而推力则太小，效率有限。科幻小说和电影也都觉得这种发动机太落后，所以想出了各种更先进的发动机：核发动机、星际冲压发动机、反物质发动机、离子发动机、光子发动机，甚至想到了利用恒星的光压和恒星风来在宇宙中扬起光帆航行。

　　不过，科技永远在追赶科幻，上述的飞船推动方式有的已经成为现实，有的正在实验，科幻与现实之间的界限正在淡化。我下面将对这些处于科幻与现实之间的动力方式做个介绍。

　　在开始之前，首先解释两个后边要多次用到的名词：

　　“比冲量”(specific impulse)：“比冲量”是动力学家衡量火箭引擎效率的一种标准量，它是火箭产生的推力乘以工作时间再除以消耗掉的总燃料质量。如果力和质量都用千克，比冲量的单位就是秒。可以理解为火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。

　　比冲量越高，火箭的总动力越大，最终的速度越快，典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒，液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒。

　　推重比(thrust-to-weight ratio即T/W)：推进系统未必是产生推力越大越好，需要看该推进系统的重量。推重比是发动机推力与发动机重量的比值。


　　一、核动力发动机

　　说到未来的宇航动力，人们恐怕首先会想到核动力，我们目前化学燃料的火箭推力太小，所以每次发射必须寻找合适的发射窗口，以便利用行星的引力来加速，使得它们能真正飞往宇宙深处，到目前为止，人类发射的所有深空探测器没有一个不利用行星的引力。这自然是个聪明的办法，但是毕竟只是无奈的变通方式，很消耗时间，而且受到的航线限制太多。安装核动力的飞船和探测器由于推力强大，就不必利用行星的引力，更不必在航线的限制上操心过多。



　　核动力也是相当可行的一种方案，如果利用核裂变的方式，也就是我们地球上发电厂中的方式，我们完全可以在十年内制造出核裂变动力火箭。如果采用核聚变的方式，则需要在受控核聚变方面取得进一步进展，但核聚变动力火箭将比现在的化学动力火箭轻得多，即使用比较慢的核能利用方式，也要比现代的化学动力火箭快一倍，它可以在3年内抵达土星，而不是现在的7年。由于燃料能持续更久，去往土星后还能有足够的能量继续旅行15年。而且，还有一种更直接的对核能的利用方式，可以获得强大的推动力将巨额的载重送往其他行星，只是那需要一种非常疯狂的方式。

　　对于核动力的利用方式有3种：
　　1、利用核反应堆的热能
　　2、直接利用来自反应堆的高能粒子
　　3、利用核弹爆炸

　　利用反应堆的热量是最简单也是最明显的方式，核动力航空母舰和核潜艇都是利用核裂变反应堆的动力来推动螺旋桨，只不过太空没有水或者空气这种介质，不能采用螺旋桨而必须利用喷气的方式。但方法仍很简单，反应堆中核子的裂变或者聚变产生大量热能，我们将推进剂(很可能采用液态氢)注入，推进剂会受热迅速膨胀，然后从发动机尾部高速喷出，产生推力。推进剂从左侧注入，中间加热，右侧喷出。
　　



　　而这具体又分多种类型，其中核裂变发动机分以下4种类型：

　　1) 固体核心核发动机：在这种发动机中，推进剂受固体燃料核心加热，估计比冲量能达到大约800秒；
　　2) 粒子床(Particle Bed)核发动机：在这样的发动机中，液体推进剂被泵入核燃料里面，这种方式能达到很高的热量，使得比冲量能达到大约1000秒，推重比超过1；
　　3) 液体核心核发动机：这个办法是使用液态的核裂变燃料，由于不必操心裂变物质的熔点，所以能达到更高温度从而获得更大的优势，比冲量能达到大约1500 秒，推重比超过1；
　　4) 气体核心核发动机：这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发，在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质，从而达到最高的可能温度，安装一个冷却系统后，比冲量能够达到7000秒。


　　利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料，但必须携带许多液体推进剂，结果许多节省的重量都被消耗掉了，获得的好处没剩多少。由于核反应的时候能够产生许多高能粒子，所以第二种方式就是直接利用来自反应堆的粒子，从而不必携带推进剂。

　　这些高能粒子移动速度非常快，我们当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂的热运动速度增大从而获得推力，而这里我们已经有了这样的高速运动物质。而且这些高能粒子是离子态的，从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。事实上，这种磁场控制方式已经在我后边要介绍的离子发动机上使用了。

　　利用这种方式，可以达到极高的比冲量——1百万秒！这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务，甚至进行恒星际飞行。

　　不过，这种发动机可不象前面介绍的那些那么容易制造，而且可能非常昂贵，有可能需要一个很大很重的反应装置，或者一个利用多阶段反应(后一个阶段利用前一阶段产物)的小一些的反应装置。

　　第三种方式是一个大胆而疯狂的方式，不再是利用受控的核反应，而是利用核爆炸来推动飞船，这已经不是一种发动机了，它被称为核脉冲火箭 (nuclear pulse rocket)。这种飞船将携带大量的低当量原子弹，一颗颗地抛在身后，然后引爆，飞船后面安装一个推进盘，吸收爆炸的冲击波推动飞船前进。

　　这种看似天方夜谭的方式却是被美国政府实实在在考虑过的计划，这个在1955年被以猎户座计划(Project Orion)命名的项目，希望建造一个简单，承载大，而且在资金上能够建造得起的飞船。这个项目最初计划在地面直接起飞，可能就在内华达的核武器试验场 Jackass Flats，这个飞船的样子象主教冠或者子弹头，16层楼高(AzureFlame注：国内媒体把sixteen和sixty弄混淆了，居然说有60层楼高)，后面的推进盘直径135英尺(41米多)。发射台包括八个发射塔，每个250英尺高(76.2米)。起飞飞船质量是1万吨，和普通的化学火箭不同，这些质量中大部分都将进入轨道。飞船起飞时爆炸的原子弹当量为0.1千吨(注意，100吨TNT当量爆炸产生的推动力可远不只100吨)，每1秒钟就抛出一个，而当飞船加快到一定速度后，将下降到每10秒爆炸一枚2万吨当量的原子弹。起飞方式被设计为竖直向上飞行，而不是象普通化学火箭这样到一定高度就倾斜飞行。这样飞的目的是把放射性污染集中到一个小区域内。最初计划携带2千颗原子弹，利用它把宇航员于1965年送往火星，1970年送到土星。船上可以装载150人，以及数千吨的载重，使得他们生活相对很舒适。这种飞船可以建造得象战列舰一样，而不必象化学动力飞船那样过分考虑重量。飞船上还将携带一些小的化学动力飞船，用来在行星或者卫星上着陆并重新返回猎户座飞船。


　　原子弹并非直接作用于推进盘上，在释放放出原子弹后，接着再释放出一些由塑料制成的固体圆盘(当时倾向于聚乙烯)，当飞船驶出一定距离，原子弹将在飞船后面200英尺处爆炸，蒸发掉塑料圆盘，将其转化成高热的等离子浆。由于塑料盘位于原子弹和飞船之间，等离子浆中相当部分将会追上飞船，撞击太空飞船尾部巨大的金属推进盘，从而推动太空飞船高速行驶。理论上比冲量可以达到1万到1百万秒。

　　之所以选择塑料是因为塑料对核爆炸产生的中子的吸收效果好，也就是说它同瞬间的辐射能配合得非常好，它将分解成轻原子比如氢和碳并以高速运动。由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀，科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现，瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀，甚至可以忽略不计，没必要设计专门的冷却系统，并且普通的铝和钢就足以成为制造金属推进盘的耐久材料。

　　对于推进盘承受的压力进行计算发现，瞬间的推力将过于巨大从而超过人体承受能力，因此，飞船上还在推进盘和前部船体之间安装了一个震动吸收系统，脉冲能量将被暂时储存在吸收系统中然后逐步释放出来，这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡，能够比较平稳地飞行。

　　事实上，美国科学家已经围绕这个计划做了许多实验，而且已经证明这个计划是可行的。1959年11月进行了一次100米高度的飞行，共爆炸6枚化学炸弹。这次实验证明脉冲飞行是可以稳定进行的。

　　然而，这个设想却有一个最大的弱点，那就是它依赖于原子弹爆炸做动力，当它飞出大气层时，必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划后来胎死腹中的原因之一。在1963年美苏签定禁止大气层核试验条约之后，猎户座计划研究于1965年终止。





　　不过，这项计划终究有其吸引人之处，它完全可以胜任以万吨飞船再携带万吨载重前往远方行星的重任，按照当初的计划，猎户座太空飞船只需125 天就能往返火星。而且现代的技术发展又为其提供了新的可能，中子弹可以以低辐射的方式来发射大量中子，对塑料盘产生作用；而最近对X射线激光的研究则可以用于将辐射集中于朝向飞船的方向，从而更加高效利用能量。支持它的科学家甚至计算过，最少可以用50亿美元建造一个飞船并把1万吨的东西带上太空，这样，每磅物品的运送花费仅仅是250美元，而使用航天飞机则达到5千到6千美元。随着对猎户座计划的热情重新涨起，也许有一天这个计划会重新复活。


　　核裂变发动机在核心制造方面没有太大的技术困难，但核聚变发动机则不同，首先需要解决受控核聚变的问题。我们目前的技术尚无法让轻核在常温下发生聚变，氢弹是用原子弹爆炸产生的高温来解决问题，但我们总不能在飞船内部爆炸原子弹吧。

　　解决聚变问题的主要思路有三种：

　　1) 磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion，简称MCF)，也被叫做持续性聚变(continuous fusion)，是将核燃料变成数百万度的高温等离子浆，从而使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的，所以可以用非常强大的磁场来束缚它们，否则离子浆将融化任何束缚它们的容器。不过目前的技术还维持不了足够的时间来使它们产生反应。
　　2) 惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，简称ICF)，也被称作脉冲性聚变(pulsed fusion)，利用激光或者粒子束来照射小燃料球产生超高温，生成比磁约束聚变时密度更高1万亿倍的离子浆，从而产生聚变。由于这种反应时间非常快，不必要强磁场束缚它们，小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应。
　　3) μ介子催化聚变(Muon-Catalysed Fusion)，μ介子是一种带负电，质量为电子207倍的基本粒子，寿命2.20微秒。由于它的质量比电子大许多，所以能够同原子核更接近，而它带的负电可以屏蔽原子核的正电，使得原子核之间的斥力减小，能够更接近，这样，就不需要严格的超高温或者体积限制。不过这种方式在目前的技术上还难以突破，很难让μ介子进入原子核周围的轨道，而且它的寿命太短暂，所以以它为催化剂的聚变必须非常快才行，此外目前制造μ介子的代价也过于昂贵。

　　目前受控核聚变还是可以进行的，只不过用在发电方面是得不偿失，因为输入的能量远大于输出的能量。但宇航并不需要计较什么输出能量的大小，所以只要技术发展到输入的能量和输出能量大小不差异太大的话，受控核聚变完全可以在太空旅行中首先使用。那么，就考虑一下这三种方式的前景吧：

　　1) 磁约束聚变发动机。磁约束聚变有可能是发电的最佳方式，但在宇航方面很可能就不理想了，倒不是因为我们必须发明离子浆方向控制系统，而是因为必须安装一个磁场产生装置，而且可能还很大，而且这种方式下的离子浆密度低，意味着必须发动机必须造得很大。不过我们还要看看未来的发展如何。

　　2) 惯性约束聚变发动机。和猎户座计划一样，这个方案是直接利用核爆炸，但这个方案是在船体内部爆炸，在尾部推进舱内使用激光或者粒子束来引爆小燃料球，每秒要引爆30到250个。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大气的地球上具有明显的好处，不受大气分子的干扰。相对来说，这个方案是最可行的，不过，很显然这种方式也要安装别的设施，比如激光器或者粒子束发生器，并且需要给它们提供能量，尽管这个方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。
　　也有一些规避方案，比如：
　　* 把激光器安在地球轨道上，然后飞船用一个很轻的光学系统来收集照射过来的激光并用于引爆，这样可以让飞船飞得很快，大概60天就能来回土星，不过看起来这个主意并不怎么好；
　　* 使用高聚能物质(high energy density matter，简称HEDM，后面将有介绍)替代激光，象原子弹里化学炸药的冲力引爆核燃料一样来引发聚变，不过高聚能物质也有其自己的问题，后面会讲到。
　　* 使用动态启动器('kinematic' drivers)来替代激光，可以把高聚能物质的作用想象成一个高速大锤，不过能否真达到足够的速度让人怀疑；
　　* 一个大胆的建议是从地球轨道上高速发射小燃料球，然后飞船发射东西高速撞击它们以引爆，但很显然这个对接难度过大了；
　　* 最后我们还可以利用反物质反应和核聚变结合，用湮灭来引发聚变，这样，我们可以用很轻的发动机系统来获得高效率，不过反物质的麻烦也很多，后面会提到。

　　3) μ介子催化聚变发动机。这个方案也不太适合宇航，因为μ介子寿命极短，这意味着我们必须在飞船上安装μ介子制造器，从而增加重量，把不需要磁场产生装置和激光器的好处都抵消掉了。而且以目前的技术制造μ介子需要的能量太大，有这能量还不如直接发动飞船。有人提出可以利用真空零点能(Zero Point Energy，我后面会介绍)，但那毕竟是一个没有证明的东西。

　　不论使用什么方式，都需要发明一个磁场限制装置来保护飞船的喷口，否则高热的离子会很快把喷口融掉。

　　有趣的是，也存在一个聚变版本的猎户座计划，它就是英国的代达罗斯计划(Project Daedalus)，以希腊神话中那位用蜡和羽毛给自己和儿子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。





　　英国星际学会(British Interplanetary Society)在上世纪70年代重新回顾了猎户座计划，并提出代达罗斯计划，只不过以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star，是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器，并用50年的时间到达那里。




　　这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸，而是内部的发动机，在一个磁场构筑的“燃烧室”中，向小燃料球照射发射电子束，产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效，因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。





　　探测飞船的质量为5.4万吨，其中推进装置重量是5万吨，预计经过持续4年的加速后，可以达到光速的1/8。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的，设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的，我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力，而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。

　　总的来说，核裂变发动机是相当现实的东西，而核聚变发动机则基本偏向科幻，需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺，而用于核聚变的氘和氚却很多，在近处的月球上尤其丰富。此外，核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景，其方式是利用氢核(质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应，虽然反应困难而且产生的能量小，但不产生γ射线和中子，只产生α粒子，可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。

二、星际冲压发动机

　　星际冲压发动机也叫巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet)，因为它是美国物理学家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960年提出来的。典型的巴萨德冲压发动机其实也是一种核聚变发动机，但巴萨德在燃料来源上却有一个天才的设想。

　　除了使用光帆外，任何飞船都需要携带大量燃料，并浪费许多能量来运送这些燃料。光帆虽然解决了这个问题，但却缺乏灵活性，难以进行随意的加速减速和轨道调整。而使用星际冲压发动机的飞船可以不牺牲灵活性而解决燃料携带方面的问题。因为核聚变的燃料氢在星际空间中到处都是，只要在飞行的途中把它们搜集起来送进反应炉中就可以了。

　　当然，星际物质的密度是极其稀薄的，即使是密度相对大的星云中的物质密度仍旧比我们在地球上制造出来的真空更稀薄，以氢原子计算，银河系的星云之间平均每立方厘米只有1个氢原子，而比较高密度的星云也只能达到每立方厘米100个氢原子。所以这种飞船上需要安装一个巨大的漏斗形氢采集器(由于这个漏斗，英文中星际冲压发动机也叫Ramscoop)，按照巴萨德最初的计算，如果一个1千吨重的飞船以1g的加速度前进(1g加速度的好处是正好可以形成等于地球上重力的人造重力)，在高密度的星云中就需要采集1千平方公里面积上的燃料，而在低密度的星际空间需要采集1万平方公里。这么大的漏斗实在太过于巨大了，一个面积1万平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25万吨重，何况这不是平面而是漏斗形。




　　当然，我们并不需要一个这么大的漏斗，可以通过向前方发射激光或者电子束来将星际物质的外部电子击开形成离子，然后利用磁场收集，这个磁场漏斗的延伸范围甚至可以比巴萨德最初设计的漏斗更大，而实体漏斗本身则可以做得比较小甚至不要。

　　按照设想，由于飞船拥有无限的燃料补给，所以它可以一直加速直到接近光速，在这样的速度下，爱因斯坦的相对论效应将发挥明显的作用，从而在飞船的成员看来可以在20年里就抵达银河系的中心(当然，只是因为飞船的高速才导致的时间变慢，在地球人看来仍旧需要3万年才能到)，甚至能在他们的有生之年环绕宇宙。

　　不过，这都是理论上的设想，在实际中，制造这种飞船却有许多技术上和实践上的困难。

　　第一，这个飞船的速度必须首先达到光速的6%才能让发动机开始工作，因为只有达到这个速度，才能让氢收集器收集到足够的氢作为燃料；可是光速的6%，也就是每小时6400万公里的速度对于现在的人类技术来说实在是个遥不可及的目标。

　　第二，我们目前的技术无法使用普通的氢来进行热核反应，所收集到的氢中，只有1%是适合能作为燃料使用的氢同位素氘和氚，也就是说绝大部分都是谷糠只有小部分才是米，这会让加速度根本达不到1g，而可能仅仅是地球重力加速度的1/1000而已。

　　第三，如此，这个磁场漏斗的直径需要高达5万公里以获取足够的燃料，但当高速飞行的时候，这个磁场将产生巨大的拖滞效果，就如同我们推着一个大木盆游泳时的效果一样，通过计算，这样的飞船其实无法达到接近光速的速度，最多只能达到光速的16%，虽然这也是相当高的速度，但要想在宇航员有生之年环游宇宙就成了泡影。




　　第四，这个磁场如何运作也有难点，因为当磁场的磁力线在燃料收集口汇聚到一起的时候，磁场就开始把所有的离子弹开而不是继续拉进来，结果这个磁场漏斗变成了个磁力瓶，把星际物质收到飞船前面变成一个圆锥体，但却阻止它们作为燃料注入发动机。一个解决办法可以是利用脉冲磁场，不断展开和中断，但这个应用方式却有相当大的难度。

　　第五，这个飞船需要提供大量能量给磁场以及电子束或者激光，对于一艘无人飞船来说，磁场要超过1千万特斯拉(特斯拉：磁通量密度的国际单位，等于一韦伯/平方米)，产生这样的磁场无疑需要巨大的能量，更不用提用来将大范围的原子电离的激光或者电子束了。

　　第六，星际物质中除了氢外还混合大量的其他原子以至分子，对于热核反应会起什么影响还不知道。

　　Alan Bond在1974年提出了对巴萨德冲压发动机的一个改进型设计方案，被称为冲压增强型星际火箭(ram-augmented interstellar rocket，简称RAIR)，这个方案中把收集的星际氢原子用作反应物料(reaction mass)而不是唯一的核聚变燃料，从而绕开了在氢热核反应中遇到的困难。在这种星际冲压发动机内部，注入的质子束(也就是被电离的氢原子)被减速到大约 1百万电子伏特，然后用它们轰击用锂-6或硼-11制成的标靶。锂和质子或者硼和质子的聚变容易发生，而且比其它类型的热核反应释放出更多的能量，这些能量就施加于将被喷出发动机的物质流上，让它们产生高速，从而增加推力；而在喷口那里，当初让注入的物质减速而产生的能量也被加回到喷出的物质流上。

　　甚至还有更高效的方式，被称为催化型RAIR。在星际冲压发动机内，当注入的物质流被压缩后，加入一点反物质，其反应不仅比核聚变更剧烈，释放能量更多，而且可以在低得多的温度下发生。根据一种预期，释放的能量可以让1万吨重的反物质催化冲压增强型星际飞船以1g的加速度前进，而且只需要内径 3.5米的反应炉来保持每立方厘米1018个粒子的密度。但这个方案的缺点却是要储存大量反物质以用于星际飞行。




　　使用星际冲压发动机的飞船快要到达目的地需要减速的时候，只要打开磁场，但不启动发动机，就可以用磁场在行进中形成的阻力减速，而且还可以乘机囤积一些氢，以备飞船速度减到6%光速以下的时候使用。然后就可以象使用其他类型发动机那样掉个头，让船尾朝前，启动发动机减速，直到下降到适合的速度进入环绕目标的轨道。

　　Poul Anderson在他的优秀作品Tau Zero(中文译名《τ–零》或者《宇宙的过河卒子》)中对于一个失控后高速飞行的星际冲压飞船上所发生的事情进行了描写，有兴趣的朋友可以自己找来看看。

三、反物质发动机

   1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)首先从理论上提出了存在反物质的假说，认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并有由这样的基本粒子构成的反物质。仅仅4年后，这个假说就得到验证，加州理工的安德森(Carl David Anderson)发现了正电子，即电荷为正的电子的存在；1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上，研究人员制造出了第一个反质子，即电荷为负的质子；欧洲原子核研究委员会的研究人员又制造出了第一个反原子，他们造出了9个反氢原子，存在了40纳秒(也称毫微秒)；到1998年他们一小时已经能生产 2000个反氢原子了。现在，反物质正在医学领域发挥效用，用在正子放射断层扫描仪(PET scanner)中。不过制造反物质代价昂贵，在1999年如果想制造1克反物质的话，需要花费625亿美元。
　　
　　需要说明的是，反物质的基本粒子不仅仅包括正电子和反质子，而是多种多样的，例如反μ介子、反π介子等等，它们是和对应的正基本粒子电荷相反的基本粒子，但它们的寿命太短暂，比如正反μ介子只能存在百万分之几秒钟，而正反π介子大约只能存在一亿分之二点五秒，寿命如此短暂的物质显然无法作为燃料。除了带电的之外，还有不带电的，如反中子、反中微子之类，以反中子为例，它虽然和普通中子一样都不带电荷，但一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子，我们可以据此区分它们，不过这样不带电的粒子以目前的手段无法有效储存(甚至更糟糕，以我们目前的手段都无法直接观测到它们，而是通过湮灭间接观测)，所以同样也不适合作为燃料。最后能够候选的还是反质子和反电子。
　　
　　由于反物质和物质如果相遇，将会湮灭，正反物质的质量将全部转化为能量，按照爱因斯坦的质能公式E=mc2释放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反应而言，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下每公斤星际飞船发动机燃料的效果，很理想的化学反应可以产生1×107焦耳的能量，核裂变产生8×1013焦耳，核聚变产生3×1014焦耳，而反物质的湮灭能产生9×1016焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。这种飞船的比冲量将是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。
　　
　　此外，反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自发产生，不需要象核发动机中的核反应那样需要许多条件，所以就不需要很大的反应堆，可以减轻飞船重量。因此，早在1953年德国火箭科学家Eugen Sanger就提出可以用反物质推进宇宙飞船，而以反物质为燃料的飞船其后也成为科幻小说作家喜爱的星际运输工具。
　　
　　不过，若想把理想变为现实，还有许多困难要克服。首先是制造它太消耗能量了，因为我们目前还没有其他制造反物质的办法，所以只能把湮灭过程反过来，使用粒子加速器，根据爱因斯坦的质能转换公式从能量中制造出反物质(以基本粒子的形态产生)。由于这个原因，现在全球每年才能制造出1百亿分之一克的反物质，这点反物质还不够加热一杯咖啡。
　　
　　另外一个障碍是储存，因为反物质只要遇到正物质立刻就会湮灭爆炸，所以我们无法使用任何正物质制作的容器来存放它，现在都是通过磁场来保存这些反物质基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭宁离子阱(Penning trap)，这是种可以便携运输的反质子存放装置，利用迭加电磁场来存放质子，但正电子难以用这种方式存放。
　　





　　如果我们能在上述两方面取得突破性进展，就可以使用以反物质作为燃料的发动机来进行星际旅行了。我们并不需要达到原子级别的反物质，只要将基本粒子 (亚原子)级别的反物质注入发动机让它同正物质反应一同湮灭就可以了。因此，我们就有两个选择，是用正电子还是反质子作燃料？
　　
　　这倒不难选择，因为正电子和负电子湮灭只产生高能γ射线，这种高能γ射线是无法控制发射方向的，所以不适合作飞船燃料。而质子和反质子湮灭时，并不立即产生γ射线，而是产生3到7个介子，通常情况是3个带电介子和2个中性介子，其中中性介子几乎立刻转化成高能γ射线，而带电介子是有一定寿命的，正常半衰期是28纳秒，但由于它们以光速94%的速度移动，所以半衰期延长到70纳秒，并在衰变完毕前平均前进24米。是带电的就好办，我们就可以使用磁场控制它们的方向，让它们同推进剂发生作用。这些带电介子包含了湮灭的60%的能量，而这就是我们可以利用的能量。
　　
　　反物质发动机的设计方案主要有四种，我在这里按照比冲量从低到高列出：
　　
　　1) 固体核心：湮灭在一个固体核心的热交换装置内进行，产生的热量将氢推进剂加到高热，然后从喷口喷出，效率和推力都比较高，但由于原材料的原因，比冲量最多只能达到1000秒；
　　2) 气体核心：让反物质同氢推进剂直接反应湮灭，产生的带电介子以磁场控制并将氢推进剂加到高热，但这样会产生一些无法控制的γ射线，比冲量能达到2500 秒；
　　3) 离子浆核心：以比较多的反物质注入氢推进剂并湮灭产生高热的离子浆，并以磁场来容纳它们，然后将离子浆喷出产生推力，这样同样会产生一些无法控制的γ射线，但这种方式不受原材料的限制，比冲量可以很高，大约在5000秒到10万秒之间；
　　4) 粒子束核心(Beam Core)：直接一对一地湮灭，然后以磁场控制带电介子并把它们直接从喷口喷射出去，由于这些介子的运动速度接近光速，发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子，所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料，不需要推进剂，可以极大地减少飞船的负载。
　　
　　由于湮灭的产物是以接近光速运动的，所以飞船必须造得很长
　　



　　预计使用粒子束核心反物质发动机的飞船从地球飞到火星只需要24个小时到2个星期(取决于地球和火星在公转中的相对位置)，而要让目前的使用化学火箭发动机，则需要1到2年。
　　
　　我们回到制造和储存反物质的问题上，如果使用粒子束核心反物质发动机的话，需要几毫克反物质来在太阳系内旅行，如果要去比邻星的话则需要几公斤，这远远超过了我们的制造能力。但在存放方面我们倒取得不少进展，美国宇航局和宾州州立大学的科学家们已经能用彭宁离子阱来存放1010个反质子一个星期，下一阶段是进展到1012个，可要满足反物质推进的需要，估计需要存放1020个反质子。
　　
　　不过，科技进步的路子从来都不只一条，如果我们一时不能在制造和储存方面取得进展的话，也可以想办法减少反物质燃料的使用量。这种方式就是将反物质的湮灭和核反应结合，我前面介绍星际冲压发动机的时候，在结尾也提到了这种方式。
　　
　　这种方式可以相互取长补短，由于反物质昂贵而且难以储存，所以少用反物质，多用核燃料；而由于核反应，尤其是进行热核反应的要求条件太高，所以用能够自然发生的反物质湮灭来触发核反应。这种结合的方式虽然比纯粹的反物质发动机产生的功率小，但毕竟更接近实际，从而容易实现。
　　
　　需要注意的是，下面介绍的方法是不能用来发电的，因为输入的电量远大于输出的电量。但在宇航方面关心的是推力，而不是输入输出能量的经济性，所以不要紧。
　　
　　1) ICAN-II
　　
　　ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由宾州州立大学的反物质太空推进小组(Antimatter Space Propulsion team)设计的，这种方式使用了反物质和核裂变的结合，用反物质来引发裂变。方法是让反质子撞击裂变物质的原子核，并同原子核里面的质子湮灭，产生的能量将使原子核分裂，其最终产生的能量要比普通的核裂变要大，估计去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10亿分之1克)的反物质，远远少于粒子束核心反物质发动机的消耗量。
　　






　　2) AIM之星
　　
　　AIM是反质子触发微裂变/聚变的缩写(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照宾州州立大学的设想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一点的反物质，就可以朝粒子束核心反物质发动机的方向前进一步，用反物质来加强裂变，从而加热聚变燃料引发聚变。这种发动机对反物质的需要量增加了，但需要的裂变物质比较少，而且有比ICAN- II更高的比冲量，大约在61,000秒左右。他们把按这种方式设计的飞船称为AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等于 1/1000毫克)的反物质，AIM之星探测飞船能在50年内飞到欧特云。
　　



　　3) 聚变和反物质的结合
　　
　　同样，这是把反物质在比较近的时期投入使用的尝试，不过需要比AIM方式再多一些的反物质。只有有足够的反物质，我们就可以完全抛弃裂变过程，直接用反物质湮灭产生的能量来触发惯性约束聚变，而不必象前面介绍惯性约束聚变时那样使用激光。估计使用这种发动机，我们能在1个月以内到达火星。
　　
　　美国宇航局马歇尔飞行中心(Marshall Flight Centre)的研究人员期望，上述技术能在30-40年之内成熟并获得应用。
　　
　　此外，同样有人设想将反物质湮灭同核反应结合，并用类似猎户座的爆炸的方式来推进，正在美国航空航天局下属的NIAC资助下研究反物质发动机的 Hbar Technologies公司就设计了如下图所示的飞船。
　　



　　显然，Hbar公司设计的飞船和猎户座一样有个推进盘，不过这个推进盘是在前方，而且直径只有15英尺(5米)，这种反物质飞船结构相当紧密。飞船向推进盘喷出反物质，反物质粒子和推进盘碰撞产生爆炸，而物质和反物质湮灭时将和帆上薄薄的铀235涂层作用，产生少量的核裂变。这两个反应组合起来能产生最大的爆炸，用这种方法加速，Hbar公司设计的飞船在四个月里能达到每秒116公里。
　　
　　这项研究的目的就是设计出一个小型飞船用以携带探测器，初步计划是在发送一个探测器并使之在10年内到达柯伊伯带。而这个公司到目前为止的成就显示，可以利用30毫克的反氢在10年内将一个载有小质量仪器的探测飞船送到距离太阳250天文单位远的地方；而根据初步测算，使用几克反物质则可以把同样大小的探测器在40年内送到比邻星。

四、离子发动机

　　看过星球大战的朋友都会对帝国的领结式战斗机有印象，而领结式(TIE)这个名字就来自双离子引擎的缩写(Twin Ion Engine)，离子发动机在科幻作品中相当常见，经常被用作小型飞船的引擎。但和我们要介绍的其它种类发动机不同的是，离子发动机是一种现实的发动机，在今天，除了传统的化学火箭发动机外，就属离子发动机在宇航中的应用最广。
　　



　　离子发动机的能量来自电力，可以来自太阳能电池板，或者核电池，通过从发动机尾部喷射出阳离子来推动飞船前进，所以离子发动机的驱动方式也被叫做电力驱动方式。
　　
　　目前的离子发动机的最大缺点是推重比太小，其推力只相当于一张纸对于你的手的压力，显然这样的发动机无法让飞船和探测器脱离地球的重力场，也无法携带大的负载。但这个缺点却被这种发动机在太空中的表现弥补了，由于它优越的比冲量，它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。换句话说，就是尽管传统的火箭发动机有更高的推重比，但是却以很低的比冲量把燃料在很短的时间内消耗光；而现在的离子发动机能持续运转好多月甚至数年，这样，尽管推力小，但能通过长时间的积累达到更高的总冲量(impulse，等于力的平均值与它的作用时间相乘的结果)，并最终达到更高的速度。
　　
　　提到离子发动机，就不能不提美国的深空1号探测器。虽然离子发动机过去在卫星上经常使用，但都是作为辅助发动机，用于姿态调整或者轨道维持；而深空1 号第一次将离子发动机作为主发动机使用。深空1号的离子发动机也是迄今为止将电能向推力转化效率最高的，在太空中运行寿命最长的，也是比冲量最高的，比冲量超过3,000秒。
　　



　　这种离子发动机追根溯源可以推到上个世纪的60年代，但到现在仍可以满足美国宇航局的两个目标，也就是大大减少旅程时间和初重，以低成本更快地完成行星际任务。而1998年10月24日发射的深空1号探测器的任务除了测试12项先进科技(其中包括作为主发动机的离子发动机)，就是为了完成探测小行星 Braille和遥远的彗星Borrelly这样的行星际任务。在圆满完成任务后，深空1号于2001年12月18日报废。
　　



　　离子发动机工作的核心就是对喷出的气体进行离子化，这一般是以电子轰击的方式来实现。通过加热和电场加速的方式将电子从阴极向阳极发射并进入放电室，气体推进剂氙同样被注入放电室，并在放电室施加磁场，增加氙原子和电子碰撞的可能性。碰撞后，氙原子核周围的部分电子将被击开，使得氙原子被电离，带上正电。这种离子非常活跃并且移动得非常快。
　　
　　位于放电室后边的高压栅极将最后产生推力，方式是制造静电场，对离子生成拉力让它们向栅极方向加速，当它们通过后，速度将达到每秒31.5公里，并被集中成一个离子束最终从飞船尾部喷出去，下图就是深空1号尾部喷射出的蓝色离子火焰。
　　
　　需要注意的是，在最后阶段一个中和器收集多余的电子并把它们注入喷出的离子束，这样可以避免飞船被带上大量的负电荷。
　　



　　深空1号探测器是美国宇航局新千年项目的第一艘飞船，它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量是3300秒，每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25-32公里。深空1号由德尔塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。最初发动机只开动了4小时就突然停机，但后来恢复了运转并从此一直顺利运行，其最终的工作时间超过14000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。而最初发射深空1号时，只计划运转200个小时以证明这种离子发动机是可行的。美国宇航局在地球上实验室中，和深空1号发动机一样的离子发动机甚至持续工作了更长的时间。
　　



　　深空1号离子发动机的工作方式只是许多方式中的一种而已，这种方式被称为Ion Engine，作为离子发动机的代表，但使用电来产生离子浆并进一步推动飞船的具体方式还有好多：
　　

　　霍尔推进器(Hall Thruster)：利用轴向电场(axial electric field)来加速离子。一个辐射磁场和轴向电场相互作用来产生方位角霍尔电流(azimuthal Hall current)，这个电流部分限制电子，让放电室中电离化效率比较高。这是个在苏联发展成熟的技术，一般用于卫星姿态稳定。


　　脉冲离子浆推进器(Pulsed plasma thrusters，PPT) ：这种方式利用电流弧光，在固体推进剂(几乎总是用特氟隆)中产生快速而可靠的脉冲燃烧。PPT用于姿态控制效果很好，不过它是利用电来推进的系统中效率最低者之一，推进效率不到10%。

　　磁致离子浆动力推进器



(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD)：也被称为洛伦兹力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛伦兹力(磁场和电场共同对带电粒子施加的力)来推动离子。MPD技术已经在实验室中被开发出来，但对它的商业兴趣很低，尽管在理论上它能产生极高的比冲量，因为它和Ion、Hall以及PPT方式不同，不使用电级，使用电级对离子进行加速的方式会使喷出的加速流被位于出口的电子源中性化，从而减低效率。MPD可以稳定运行，也可以脉冲运行。
　　
　　可变比冲磁致离子浆火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR)：《北京青年报》2000年的一篇文章《打造星际飞船新引擎》把这个方式大大吹嘘了一番，认为是未来的方向。其实这种系统只是介于高推力低比冲的传统发动机和低推力高比冲的离子发动机之间的类型，可以在这两者之间调整参数。它也不用电极，而是在发动机前室使用电波来对氢推进剂进行离子化，然后在中室用磁场让其按自然频率绕磁场旋转，并使用无线电按照同一频率轰击，让温度上升到1千万K，再从后室把旋转变成轴向运动并释放出去。
　　
　　最后，在离子化方面，日本设想用微波的方式来进行，用微波来击活推进剂气体的电子，之后就是和深空1号一样把离子聚集成束并以静电场加速喷射出去。美国宇航局也采用了日本人的办法测试了新的微波离子发动机，并得出结论认为这种方式可以让发动机工作得更久。
　　
　　上述各离子发动机的共同特点都是使用电能，利用电来直接电离，或者用电来制造磁场、电波、微波等，然后用它们来对推进剂进行离子化。所以它们也被称为电动推进发动机。
　　
　　离子发动机超长时间的持续工作固然是优点，可以逐渐积累到很高的速度，但这同样是缺点，因为这要求超长时间的持续电力供应。这要求携带一个电力供应装置，目前的方式是使用一个巨大的太阳能电池板，不仅加重重量，而且随着探测器远离太阳，其效率也不断下降。
　　
　　可以说，目前限制离子发动机发展的瓶颈因素就是电力，由于目前的太阳能电力系统缺乏效率，离子发动机的设计也就只能在低电能的基础上进行。如果我们想往外围的深空继续进发，或者运送更大的载重，就必须解决这个问题，获得更大的电能，至少应该达到以兆瓦计算的规模，而目前的深空1号最多仅仅能产生2.5 千瓦，其中能提供给离子发动机的是2.1千瓦。
　　
　　对太阳能电力系统进行改进以增加太阳能的利用效率，目前唯一可预期的方式是使用纳米技术，但并不知道需要多久才能发展出有用的技术。所以对于近期来说，唯一的选择就是使用核电系统，目前的技术也能让船载核电系统产生数百千瓦的电能，而且在不远的将来能发展到兆瓦的级别。
　　
　　在核电系统中，来自原子反应堆的热量可以通过热电转化方式或者热离子转化方式变成电能，这种办法在上世纪60年代就被看作是可以让人类开拓太阳系的技术，而这个方式也有可能提供一个低成本的系统用于太空商业化。
　　



　　核电系统比太阳能电力系统产生更高的电力，从而可以让离子发动机获得更高的推力，更高的比冲量。虽然推力仍旧比不上传统的火箭发动机那么高，但比冲量方面的优势则很明显，传统的化学燃料火箭发动机的比冲量是大约400秒上下，深空1号通过太阳能电力系统获得的比冲量在3300秒左右，而利用核电系统的离子发动机可以达到13000秒。
　　
　　由于电力充足，核电系统可以让发动机和仪器分享和调配电力。当仪器不需要电力的时候，可以把全部的电力都送给发动机，但需要读取、检测、发送信息时，可以关掉发动机，把电力都调给仪器。这就提供了节约大量重量的可能性。而最大的好处自然是核电系统即使远离太阳也不影响工作效率，从而能在深空工作。
　　
　　今年9月又有消息，对于核能的热电转换率又找到更好的办法可以进一步提高。美国加州大学在洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos)工作的科学家利用一种称为传送波发动机(traveling-wave engine)的概念，可以将热量转换成电能的效率从过去的7%提高到18%。这意味着同样的核反应堆提供的电力能够增大一倍半。
　　
　　目前的核发电机是使用热电转换方式(thermoelectric)而新办法使用热声转换方式(thermoacoustic)，具体做法是将氦气送过一叠322个不锈钢金属丝网制成的碟子，它们被叫做交流换热器，交流换热器同热源连接。而吸热设备则让氦气膨胀和收缩，这样的膨胀和收缩能产生强大的声波，这就如同大气层中闪电会导致热膨胀从而产生雷声一样。震荡的声波在发电机中就驱动活塞，产生电流。如前所述，用这样的热—声—电方式产生的电流比热— 电方式效率更高。
　　
　　在核电系统方面，我们需要取得的进展不仅是需要高效率，以获得兆瓦级别的电力，还需要制造出质量轻的电力系统。而最主要的缺点是需要对核辐射进行保护，以确保船上的成员和载货不受辐射以及来自反应堆的高热的影响，这将会增加船体重量。
　　



　　不过就目前来说，还没有将离子发动机用于有人驾驶的飞船的计划，而是将继续用于探测器。近期配备离子发动机的探测器的任务包括到彗星采样，探测土星环，以及在木星的卫星欧罗巴上着陆。在这些远程飞行中离子发动机将比常规火箭发动机更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任务中如果选择配备离子发动机的探测器，可以在大约5年左右的时间内取样并返回，而用传统的火箭发动机，单到达那颗彗星就需要花费9年时间。

五、光帆


　　不久前刚写了关于光帆的文章《太阳帆船》，那篇文章已经介绍了光压的发现历史以及光帆的发展现状，所以这里就重点介绍对于光帆未来发展的设想，可以让两文互为补充。

　　《太阳帆船》一文已经讲述了光是能产生压力的，所以我们可以借助这样的压力来作为推进的动力。在距离太阳比较近的时候，还能利用一些太阳风的推动力，不过光压才是核心推动力，因为太阳风产生的压力还不到光压的0.1%，完全可以忽略（注意：国内读物上说光帆利用太阳风来推动的说法是错误的！）。光帆这样的推动系统不能算发动机，但却是所有介绍未来宇航方式的资料中都会讲述的重要方法。

　　由恒星产生的光压带来的推力是非常低的，这意味着利用光帆的航行的起点和终点都必须在太空中，必须由其他的宇航工具送上太空，并在太空中展开。对比而言，前面介绍的离子发动机虽然目前推力很低，但毕竟有能够从星球上起降的发展前景，光帆则永远需要依赖于别的手段。但如果我们将来有了大型的太空站以至太空城市的话，那么光帆用起来就方便得多了。




　　首先要注意的是，为了能够航行并且携带一定的有效载荷，光帆的面积必须非常巨大，才能获得足够大的推力。我们现在所试验的光帆都仅仅几十米宽，但在实际应用中，光帆的尺度需要以公里来计算。而同时，还必须特别薄，以减轻重量，目前看来最适合的物质应该是碳纤维制品，因为碳纤维制成的光帆厚度可以只有几微米，而且这种材料也是少数几种能够承受来自太阳的热和辐射的材料之一。

　　光帆的理论基础是，当光被反射的时候，就从光子传递给光帆一个动力产生加速度。被反射的能量越多，获得的动力就越多。也就是说，光帆表面的反射性能越好，其效果就越好。

　　自然，在光帆方面的发展重点就是如何进一步寻找这样的可以很大、很薄、很轻、反光性好、而且不会因为陨石的打击而撕裂的材料。

　　光帆最大的好处是它们有免费的推进系统，既不需要发动机，也不需要燃料，节省了大量的重量，而且可以长期加速，这两者结合意味着它最终能达到很高的速度。在距离太阳1个天文单位的距离（也就是地球附近），阳光的压力是每平方千米9牛顿，对比起来，航天飞机的推力是要以百万牛顿来计算。但航天飞机很快就把它的燃料用光，由于这个原因，传统的火箭发动机的极限大概是每小时3万英里左右，想再快的话，就必须利用行星的引力来加速。而不用燃料，能够长期加速的光帆飞行器要最终加速到每小时20万英里并不难。也就是说从长期看，光帆一定是更快的，更节省时间，这对于行星际航行，尤其是恒星际航行来说是非常重要的。我们可以用它来完成恒星际的先驱航行任务，虽然即使再发展也难以用它来完成星际间的定期航行。

　　利用太阳光的话，缺点很明显，首先是如同上文说的光帆的推重比极其微小，其次是当使用光帆的飞行器远离太阳，阳光的密集度越来越低，压力会越来越小，直到最终可以忽略，也不再对光帆施加压力并产生加速度。

　　针对上述弱点，人们从上世纪80年代开始就提出一些办法来解决这些问题。其设想是在绕地球轨道，或者环绕太阳的轨道以至月球上安装一组激光器或者微波发送器，用它们的力量来推动光帆。由于人工的方式可以让能量比阳光集中，所以其效果要大大好于阳光，并且能解决深空航行的问题。美国宇航局最近的研究说这样的飞行器速度能最终达到光速的1/10（大约是每秒3万公里），而有更乐观的观点认为能达到光速的一半。




　　第一个提出用激光航行的人是Robert Forward，不过他提出的使用一个1000公里的透镜、产生1亿亿瓦特激光、以及1000公里的帆这样的设想虽然很壮观，但实在是缺乏可操作性。所以，这个方案就被其他人进行了修正，把效果降低，但方案变得更现实（尽管还是有些异想天开，比如“仅仅”1百亿瓦特的微波激光）。

　　这样航行方式遇到的一个困难就是，激光束在如此遥远的距离上会扩散得很大，这就是为什么Robert Forward要建造巨帆的缘故。而且激光技术必须得到大幅度的发展，以便瞄准数百万公里外的目标。

　　微波可以起到同激光同样的效果，不过帆的设计上要有些修改，要改成金属丝网结构，但这个金属丝网的缝隙必须比微波的波长的一半还小。这样的飞行器上放的应该是无生命的机器人以及机器，由于微波在短距离上具有比激光更好的效果，所以可以更快的加速直到进入巡航速度。虽然由于波长比激光大得多从而在远距离上微波不如激光，但微波需要的能量要少于激光，距离我们现在的技术能力更近。

　　对于使用微波或者激光来航行的光帆来说，一个挑战就是如何在目标附近停下来并进入轨道。最普遍的建议是使用多重帆，比如使用两级帆，分为内帆和靠外的主帆，这样，让激光照射到靠外的主帆上，然后反射到内帆上，这会让外面的主帆加速远离目标，但和飞船结合在一起的内帆则得到减速，主帆被抛离，小一些的内帆成为主帆并进入轨道。

　　如果使用三级帆，甚至可以进行往返飞行，停止的方式和上面一样，到了该返航的时候，第三级则和第二级分离，来自太阳系的激光则从第二级帆反射回第三级从而进入回程。这要求帆具有一点凹面镜的形态，以便让反射的光束更集中。

　　另外一个用于停船的更有创造力的思路是，关掉激光束，然后飞船伸出带电的金属线，同恒星的磁场作用，来让飞船转入一个很浅的弧线轨道，最后再把激光束重新打开。

　　但是，设想虽然好，但是在实际操作中却要遇到三个重大的问题：

　　第一个是激光和微波指向装置必须非常精确，而且随着距离越远，难度越大；
　　第二个是飞船只能携带很少的有效载荷；
　　第三个，也是最严重的问题是，这样的距离无法和地球这里及时联络，如果遇到什么情况，需要地球这里进行调整的话，根本无法进行。比如，当飞船距离基地只有2光年的距离时，就需要四年多才能调整，其中两年用于无线电波返回基地，两年多（因为要加上这4年中飞船又走的距离）用于调整后的激光到达并产生效果。

　　对于不用激光和微波主动加速的光帆飞船来说，问题反而简单，因为速度没那么高，所以在到达临近恒星的时候只要利用那颗恒星的光压减速就可以达到合适的速度，并收起光帆进入轨道，所需要的只是有一个合适的智能系统来完成这一切。

　　而对于行星际定期航行，主动加速的方式就可以很有用，前提是我们已经到达目标星球，并在那里也安装一组激光或者微波发送器，这样，就可以建立一个行星际的高速公路。

　　从《太阳帆船》到本文，大家已经看到了不少光帆的图，不知道大家注意过没有，所有的图片中帆的形状基本只有两种。


光帆的两种基本形状


　　这和光帆的用于支撑的帆桁有关，如果没有帆桁的支撑，当阳光推动帆的时候帆就会塌下来并缠到飞船上。人们设计出两种方式来稳定帆，并且能转动帆，同时还使帆尽量平展以接受更多的阳光。上图左边是三轴稳定方式（Three Axis Stabilized），右边是旋转稳定方式（Spin Stabilized），很明显，每一个帆叶都是最稳定的三角形。

　　三轴稳定方式的名字来自帆桁结构以三维方式来支撑帆体，前两维自然是帆体的二维，第三维则和帆体垂直。将帆的边缘（三角形的两个边缘）同坚硬的帆桁连在一起可以有效防止帆垮掉。下一个要解决的问题是别让帆桁在第三个维度上垮掉，就象被合起来的伞那样。为此要么让帆桁紧密结合在轴心上，要么象下图这样有一个突出的桅杆在第三维上进行加固。



三轴稳定方式


　　旋转稳定方式顾名思义，就是不断旋转，这样，通过离心力让帆展开。这样的好处是帆桁就不必太坚硬，所以帆桁数量虽然多，反而不见得重。旋转稳定方式的帆叶也可以更多，比如下图这样，这是加拿大太阳帆项目的设计图（Canadian Solar Sail Project）。





　　磁帆

　　这里顺便说说磁帆（Magsail）。磁帆还是很新的概念，由Robert Zubrin和Dana Andrews提出。光帆利用的是光压，而磁帆利用的是恒星风（在我们太阳系自然就是太阳风）。

　　磁帆的结构很简单，就是用一个直径几毫米的超导电缆（由于太空中的低温，实现超导很容易）来构成一个环。从而产生磁场偶极（dipole），并在太阳风中航行，它还能通过调整环的方向来产生一些浮力，从而能进行航向控制。

　　由于结构简单，磁帆恐怕要比光帆更轻也更便宜。而且也可以象发射激光那样，用粒子加速器向磁帆发射带电粒子，而效率可以比激光好大约6倍。并且，让磁帆减速和机动远远比光帆容易。

　　当然，目前存在的技术困难也很多，发展磁帆需要在超导、热控和行星磁场附近的操作方面获得进展。

六、光子发动机

　利用光帆的优势明显，但缺点更明显，飞船太缺乏机动性了。运送探测器还可以，但是运人的话，大概没几个人有这么好的耐心。用激光的话，速度上去了，但飞船同样缺乏自主能力。能不能既利用光的力量来产生速度，又保持机动能力呢？

　　当然，我们很容易就想到，干脆把光源安到飞船上算了，让它变成一个发动机带动飞船。这个主意，实际上在光帆的概念被提出之前就有人想到了。他就是德国的火箭科学家桑格尔(Eugen Sänger)，他在1953年设计出了如下的光子火箭：




　　桑格尔认为由光子发动机推动的宇宙飞船由三部分组成。最后面的是动力部分，主要部件是巨大的凹面反射镜，面积可达几十平方千米。在凹面反射镜的焦点处有光子发射器，它产生的光子由凹面反射镜反射，并形成向后喷射的光子流，推动飞船高速飞行，这就是光子火箭发动机。中间是燃料储存箱。最前面的是宇航员工作和生活的密封座舱。




　　一切听起来很好，但是需要多少光子？从光帆的经验我们就知道，那需要极多的光子以产生能被人注意到的加速度。如果想用光子发动机来从地面直接起飞，那么光子发动机必须为每一公斤的飞船重量提供30亿瓦能量的光。如果我们把荷兰全国消耗的全部能量都提供给光子发动机，那么我们可以把30公斤的东西送上天，当然，这30公斤的东西还必须包括光子发动机本身。如果我们想利用太阳能来获得这些能量，那么我们要提供500平方公里的太阳能电池板，不过这又要大大增加飞船的重量。

　　看来，我们需要一个高性能的能量来源，桑格尔自己是怎么想的？国内介绍光子火箭的科普作品不少，随便找一篇来看看，比如国内的《科学画报》2004年第3期上《光子火箭》一文如此讲述：

　　……光子从哪里来呢？我们知道，物质是由原子构成的，原子是由质子、中子组成的原子核和外围电子构成的。质子、中子和电子都有它对应的反质子、反中子、反电子等反粒子存在。正粒子组成正物质，就是我们日常接触的各种物质。各种反粒子组成反物质。而正电子与反电子一旦相遇，就会湮灭，放出光子，同时释放出大量的能量。光子火箭就是利用正电子和反电子的湮灭来产生光子。
　　根据相对论能量定律，即质量和能量不仅相联系而且不可分割，质量可以全部转化为能量。当正反电子相互湮灭时会产生光子，并以接近光速的速度前进，从而产生推力。

　　原来是使用反物质啊。但是，等等！正反电子相互湮灭时会产生光子吗？显然不会是可见光，它只会产生高能γ射线，这是一种比X光穿透力更强的射线，反光镜根本不会对它产生作用，γ射线会毫不费力地穿透它，从而一点推力都不提供。看来我们的科普作家们有些不负责任，国外介绍光子发动机时基本都不会忘记提到桑格尔利用反物质的想法不可行，我们的科普作家们却居然把反物质产生强光当真了，我在网上查到的资料全众口一词说要用物质和反物质来制造强光。虽说γ射线的确是高频的光子，但我相信他们讲到光子的时候想的是可见光。




　　桑格尔毕竟是最优秀的早期太空飞行理论家之一，他不久就认识到自己的错误，而没有象中国科普作家们这样继续向全中国人传授错误观念。他从理论上指出用电子气(electron gas)可以反射γ射线，但问题是没人知道如何制造出来。

　　有人也提出核光子火箭的概念(nuclear photonic rocket)，用石墨和钨建造核反应堆，让反应堆产生超高温从而发光，就如同一个核灯泡一样，同样，光在反光镜上向后反射产生推力。不过这办法虽然可行，但是需要巨大的能量来产生一点点推力，加速度非常小，我们前面任何利用核能的方式都比这有效得多。这实际上已经是为了光子火箭这个概念而不顾实际了。

　　总之，光源始终是制造光子火箭的最大障碍，即使某一天真能找到解决办法，也有一些难题需要解决，其中主要是尾部的反射镜，如何能承受强大的光压？如何承受50000-250000K的高温？如何能100%反射？

　　不过，光子发动机这个名字不论在中文还是英文里听起来都很酷(其他语言不知道)，而且向后发射出炽烈光芒的形象也非常符合科幻效果，所以科幻小说总是很喜欢用它。再就是我们中国的科普读物，总是一本正经的告诉我们光子火箭可以达到接近光速的效果，理由是后面喷射的是以光速行进的光子(又是一个一看就没道理的推论)。


七、对传统化学火箭的改进

　　经过几十年的发展，传统的化学火箭发动机在结构方面已经趋于成熟，目前对于未来发展方向的预期主要集中于对火箭构成材料以及化学燃料的改进方面。

　　在材料方面，发展目的是尽量降低火箭的重量，同时又不降低强度，甚至增加强度。

　　科学家们正在探索一种新的技术，它可以使传统的化学火箭变得更加“苗条”。例如有一种像蛛丝一样的材料（是一种超薄的薄膜），可能用于制作天线或光电线路板，以取代现在正在使用的大而重的部件，甚至可以用于建造提供飞船能量的太阳能帆板，使它每平米只有4-6克重。

　　一些合成材料，例如像用于碳化纤维网火箭和高尔夫球棒的合成材料，目前已经在保证安全性的条件下，广泛用于宇宙飞船的设计，它可降低飞船重量，但不降低其强度。一种被称为“碳纳米管”的新型碳材料发展很快，最好的合成材料的强度仅是钢材的3到4倍，而碳纳米管则是钢材的600倍。

　　兰利研究中心(美国著名的结构和材料研究中心)主任、科学家丹尼斯·布希纳尔解释说：“这个不同寻常的强度来自碳纳米管的分子结构，它们看上去有点像鸡肉卷进了一个四周是碳原子的六角型圆柱”。典型的碳纳米管大约有1.2-1.4纳米(1纳米只有一米的十亿分之一），仅是碳原子半径的十倍。




　　在上图的碳纳米管中，碳原子的格子像一个悬挂着的钉板。其他的原子和分子可以钉在上面并赋予纳米管特殊的化学、电子或热特性。




　　碳纳米管的可拉长强度已经远远超过其他高强度的材料。上图的四个图柱(由左到右)分别代表碳纳米管，石墨纤维，芳香尼龙纤维B和不锈钢。注意垂直轴是它们的强度。图中的每一增量是10的乘方。

　　被国人在商业上大肆炒作的纳米技术在宇航科技中却是非常实际的东西。设想一下如果一个太空船自己有贮存能量的能力，不需要笨重的电池；或者它的表面不需要另加作用力就可以自动弯曲；或者电路可以直接接到航天飞机内部。当太空船使用的材料可以按照分子等级来设计时，就可能实现上述的整体结构。

　　人的皮肤可以自行愈合，有些性能先进的材料也可以做到这一点。能自行愈合的材料由被称为“离聚物”的长链分子构成，当像子弹这样的物体靠近它时，它就会有反应。太空船可以采用这样的“皮肤”，因为太空中到处都是从彗星和小行星发出的快速移动的像小子弹一样的碎片。一旦这些鹅卵石大小沙砾中的一个击穿太空船的盔甲，太空船就会出现危险。如果太空船的盔甲上有一层能够自己愈合的材料，就可以保证船舱万无一失。

　　人可以感受到他们身体任何部位的刺激，甚至最轻微的刺痛也可以引起人体的反应。这是一种令人惊奇的自我监控系统——可能是因为你的肌肤里有数百万用显微镜才能观察到的神经末梢，它们能将这些信号传递给大脑。

　　同样的，制造太空船应急系统的材料里，也可以装入纳米大小的传感器，这些传感器持续不断地监视材料的状况。如果某个部件出现故障——也就是它感觉到不妙时，这些传感器就会在事故发生前通知中央电脑。


　　左图是由美国宇航局兰利研究中心研制的压电材料，它可以“感觉”到材料的变形，例如，在它弯曲或承受表面压力时，它就有反应，产生一个微弱的电压，作为一个信号传给中央电脑。

　　分子电线可以将所有这些内部传感器传出的信号发送到中央电脑，而不需要使用数百万条电线来传递信号。纳米管可以担当这个角色，纳米管可以很方便的处于主导地位或是半主导地位，这取决于它们的构成。科学家们已经研制出其他的可伸长的分子电线，它们中的一部分自然而然的组装成有用的结构

　　在燃料方面，传统的化学火箭发动机一般使用二元燃料，其中以氢氧反应为多，也包括其他类型的反应，比如我国二级火箭芯级和助推器使用四氧化二氮和偏二甲肼做燃料，但总的来说液态的氢氧还是综合性能最好的。还有许多其他类型的反应可以提供更大的能量输出，但却无法被传统的火箭发动机所利用，因为它们的产物是非气体的，而火箭发动机必须利用气体的喷射来提供推力，显然那些途径无法提供一个出路。

　　研究者希望，能够保持目前的推力标准，同时大幅度提高比冲量。我们可能会想到利用三元燃料可能会提升能量输出效率，许多火箭专家们也是选择这个思路，但迄今为止的实验结果比较让人失望，虽然的确能提高，但提高量非常小，而且还要增加发动机的复杂性。

　　大幅度提高传统火箭发动机效能的希望被寄托在高聚能物质(HEDM)上，这个概念还是比较新的概念，而且对于实际的潜力还知道得很少。途径是利用自由基(free radicals)或者亚稳定原子(metastable atoms)，自由基是至少有一个未配对的电子的原子或原子团，这使它具有高度的反应性；由于电子能级的改变而处于亚稳态的原子同样具有高反应性。研究认为，最具有可能的是原子氢(atomic hydrogen，一种自由基)和亚稳定氦(metastable helium)，预计其比冲量能分别达到2100秒和3150秒。而对比起来使用传统的燃料只能达到400秒，最多不超过500秒。

　　在原子氢方面，问题在于如何大量生产，目前的技术水平还达不到大规模生产的能力。而且即使解决了这个问题，也需要对火箭燃料储存系统，做大的改动，增加强大的磁场和和低温系统，这无疑将增加大量的重量，抵消了高聚能物质节省重量增加推力的好处。

　　亚稳定氦比自由基容易生产，使用激光或者粒子轰击都能把原子激发到亚稳定状态。但储存却非常困难，因为其寿命非常短暂。事实上，如果没有根本性突破，将完全无法用于发动机燃料。

　　使用金属氢也是被讨论得很多的途径，这种压缩的氢可以释放出大量的能量，比冲量能达到1700秒以上；比重1.15，燃料本身并不重。但生产同样是非常困难的，需要1.4兆巴(1兆巴等于1百万个大气压)的压力，而有科学家估计需要高达5.6兆巴，通过冲击加热到3000K。储存遇到的问题和亚稳定氦一样，因为如果减少对金属氢的压力，就会变成亚稳定状态。

　　这些高聚能物质遇到的共同问题是需要以低温固态方式储存，这既难以达到，更难以保持。而我们的火箭燃料箱还要加以改进，因为储存它们需要巨大的压力，燃料箱必须能够承受这种压力。如果我们无法找到承力强而重量轻的材料，恐怕就只有加固燃料箱一途，这意味着火箭的重量又要增加。




　　考虑到这些问题和其在比冲量上的改善程度，对传统化学火箭使用的燃料的改进恐怕不如前述的那些发动机推进方式更有前途。并且恐怕不适合长途的星际旅行，而只适合在近地空间完成任务。





八、空天飞机和太空电梯

　　星际旅行需要一些配合的手段，需要把物资运送到近地轨道空间(或者未来其他星球的近地轨道)装船或者在那里组建飞船。之所以这么做，有些是因为某些类型的飞船无法在地面起飞，有些是因为飞行方式污染地面环境。我们目前可以用运载火箭来达成这个目的，但运载火箭的缺点太多，最主要的是无法重复使用，每次都完全废弃，然后再造新的。航天飞机好一些，但每次都需要丢弃一个庞大的燃料箱，尽管在建造上已经把那个燃料箱的成本压到最低，而且垂直起飞的方式也不方便。

　　未来的首要解决方式会是空天飞机，这是一种如同普通飞机一样可以水平起降，可以重复使用，还能进入轨道的飞机。目前的可行方案是发展 Scramjet，也就是超音速燃烧冲压喷气发动机(Supersonic-combustion ramjet)，这个冲压喷气发动机和星际冲压发动机原理类似，只不过星际冲压发动机是通过高速获取氢燃料，这个冲压发动机和普通的冲压喷气发动机 (ramjet，比如导弹上用的)是通过高速来获取氧气。Scramjet只在超波音速(Hypersonic，指5马赫以上的速度)的情况下才发挥作用，因此，空天飞机的运作方式如下：

　　1. 使用涡轮喷气发动机，使飞机起飞达到1马赫，进入超音速，让普通的冲压发动机(ramjet)开始点火；
　　2. 普通的冲压发动机将飞机加速到4马赫，然后Scramjet点火；
　　3. Scramjet将速度提高到15马赫，然后火箭发动机点火；
　　4. 火箭发动机将飞机加速到25马赫，获得逃逸速度，从而开始太空任务。

　　这种运作在未来可能会进一步简化，但总之空天飞机是没什么新意的东西。也许未来让飞船使用离子发动机，或者无污染的核发动机直接起飞更具有前景。作为近地空间同星球上的交通运输方式，克拉克在科幻小说《天堂的喷泉》中提到过的“太空电梯”是个看来更好的主意。






　　太空电梯这个概念最早来自100年前，著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基(Knostantin Tsiolkovsky)设想了一个建立在巨塔顶端的“天空城堡”(或许圣经里的巴别塔更早，不过那里没电梯)。不过真正从技术角度描述了这个问题的是阿瑟·克拉克，他在上世纪70年代末设想了延伸到太空的电梯，并以此写出《天堂的喷泉》('Fountains of Paradise')，描述了在一个热带岛屿建造一个太空电梯的故事

　　太空电梯的主体是一个永久性连接太空站和地球表面的缆绳，可以用来将人和货物从地面运送到太空站。而且，太空电梯还能用做一个发射系统，因为太空电梯必然被地球带动旋转，而越高的地方速度越快，所以将飞船从地面运送到大气层外足够高的地方，只要一点加速度就可以起航了。或者如前面说的，用太空电梯把零部件带上太空站，在那里组装。


　　建造太空电梯显然将是人类最大的工程项目，需要数万公里长的缆绳，还需要强大的支撑物来将它的底部固定在地球上。由于必须保证太空电梯本身的刚性，不能让它随着地球的转动被拉得到处乱绕圈子，甚至因为拉扯而损坏，它的重心必须位于地球同步轨道上(距地面35,800公里左右)，以使它与地面上的对应点随时保持相同的角速度，而这个对应点，当然也只能在赤道上，至于经度是否也必须正对，倒不见得，只要太空电梯的设计制造者能够容忍它斜着向高空伸展出去。

　　考虑到重量平衡，太空电梯实际上应该由两部分组成，将包括自重心点起往上、下两方向各自伸展出的数万公里长的索道或者管道，分别被形象地称为“吊天梯”和“甩天梯”。事实上，建造的时候也应该是从中间的太空站开始同时向上下两个方向同时修建。这些天梯可让类似地铁列车的车辆沿着它们行驶。当然，如果是载人的，车体必须气密。此外，因为是垂直行驶，车与轨道间应该还要有某种固定装置。比较简单的一种设想是在管道四周设置类似超导磁悬浮列车的悬浮磁体。至于车上下行进的动力，可以采用类似电梯式的吊挂牵引，但更好的是直接利用约束磁体的磁场变动产生电磁推力。


　　和大多数公共交通一样，太空电梯上的列车也将设置成两向对开，并在适当的高度安装“站台”以方便乘客和货物上下。这些站台实际是固定在太空电梯上的空间站，它们的重量应该从最初设计时就考虑在内，甚至列车的载重和行驶位置也需要精确计算。如果太空电梯失去平衡，巨大的拉扯力是很难靠太空电梯本体的强度抵消的。

　　实际上，即使处于完全平衡状态，按照计算，普通材料也没有一种能满足太空电梯对抗拉强度的需要。根据现在的材料科技水平，只有20世纪90年代发展起来的碳纳米管，可以在强度和重量的比例方面合乎要求，用纳米技术制造的缆绳可以更细，重量更轻，同时强度却更大，更柔韧。更先进的纳米技术甚至可以提供活性材料，让缆绳能自己发现缺陷并自己修复。

　　太空电梯不仅提供宇航方面使用，还可以提供给旅游方面，根据英国人测算，目前用航天飞机送一个旅游者(包括行李)需要花费6万英镑，而用太空电梯只需要150英镑。