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10种超现实的航天技术:离子推进器、核脉冲推进器和曲速发动机

发布时间:2019-12-31 12:24    点击次数:140次   

  诸位都知道,1961年,前苏联宇航员尤里·加加林成为到达外层空间的第一个人;8年之后,美国人阿姆斯特朗在月球迈出了自己的一小步,人类的一大步。但从那时以后,人类的脚步再也没能走的比月球更远了。现在,星际旅行研究中心肩负起了让人类飞往宇宙深处的光荣使命,正致力于研制先进的载人宇宙飞船。

  为什么半个世纪过去了,人类没能在太空探索中再迈进一步呢?除了财政预算削减和政治意愿减弱外,我们没能到宇宙更深处去的主要障碍是——糟糕的技术!目前发射和驱动飞船所使用的化学燃料火箭无法满足我们太空旅行的远距离要求。虽然美国已经把火星探测器发射到了火星,但是它们从地球到火星,在路上都要花费几个月甚至几年的时间。

  请注意:地球与火星的距离只是太阳系中两颗邻近行星之间的距离,用这种火箭去访问其他的星系?算了吧。阿波罗10号月球探测器是迄今为止速度最快的载人飞行器,最大速度达到了每小时39895千米。以这个速度飞行,要到达距离太阳系最近的4光年之外的恒星星系——半人马座阿尔法星,需要12万年的旅程。

  因此,如果我们想要到太空深处旅行,比如去半人马座阿尔法星或更远的地方,我们就必须采用更高级的技术。现在,请允许我来给大家介绍10种超现实的航天技术,它们将帮助我们实现在宇宙中自由遨游的梦想。而且,我们还将对这些技术的可行性做出点评。

  首先登场的是目前已经逐渐成熟的技术——离子推进器。传统的火箭依靠向后高速喷出气体而获得向前的推力,这是作用力与反作用力的原理。离子推进器使用了相同的物理学原理,但它不是喷出炽热的气体,而是喷射一束带电粒子或者离子,获得反作用力向前飞去。

  离子推进器给火箭提供的推力其实很弱,但它要获得相同的推力,所使用的燃料却要比普通的燃料火箭少得多,而且还可以非常稳定地工作很长时间。一开始,离子推进器火箭就像乌龟爬,但是最终,它的速度会超过传统火箭这只“兔子”(具体见我刊2010年11期《乘乌龟火箭观光太空》一文)。

  如今,离子推进器已经开始装备在航天器上,比如日本的隼鸟号探测器和欧洲的SMART-1探月器,而且这种技术还在不断完善中。比如有一种特别有前途的新式离子推进器,它的工作原理和其他的离子推进器略有不同,它是用一个强的电场来加速离子的。这种推进器能够让离子以固定的频率盘旋,然后推进器把自身无线电信号发射器的频率调整到和离子一致,于是向离子注入了更多的能量,甚至可以把离子加热到100万度,当离子被喷出时,产生的推力大大增加了。

  离子推进器适合慢性子的星际旅客,对于急性子的旅客,下面这款一定会令他们满意的,它就是核脉冲推进器。

  核脉冲推进器是通过周期性地向后扔出一颗爆炸的核弹的方式,提供给飞船足够的推力。这个听上去很恐怖的技术其实很早就有人研究了。在上世纪50年代末,美国就启动了研究核动力飞船的猎户座计划,目的是设计出一种能够星际旅行的高速飞船。当时的设计在现在看来过于简陋了,核脉冲推进器设计得很庞大,里面将放置一个巨大的减震器,附带还有重型的辐射屏蔽装置,以保障乘客的健康。

  这种令人生畏的推进器从原理看是没有问题的,猎户座计划的设计图是可以利用现有的技术实现的。但是如果我们在地球上发射它,在它穿越大气层的过程中,我们不得不忍受几颗爆炸核弹带来的冲击波和辐射。从理论上讲,核动力飞船的速度最高可达光速的10%,可以让我们在40年内到达距离太阳系最近的恒星,也就是说,我们可以在一代人的寿命期内到达太阳系外的星系。单看旅行时间,这是个不错的主意。

  如果不断地向后扔核弹让你心存畏惧,那么我们建议您选择下面这一款——聚变火箭。虽然它也是利用核动力推进的,但在安全性上会好一些。

  核动力火箭的设想早已有之,利用核反应堆产生的能量提供火箭推力,但是过去的设想和如今设计的聚变火箭相比,推力要差许多。

  核聚变是把不同的原子核结合到一起,从而产生巨大能量的物理过程。大多数聚变反应堆的设计都通过磁场来控制核燃料,这种叫做“托卡马克”的设备是一种控制核聚变的环形容器,它能够保证反应堆安全运行,旅客不必担心反应堆失控。

  可惜的是,托卡马克设备极为沉重,所以研究人员正在考虑用另一种触发聚变的方式来控制反应堆,比如利用高能激光控制核燃料颗粒,让其发生微型爆炸,再利用磁场把产生的热等离子气体喷向飞船的后方,获得推动力。

  在上世纪70年代,英国曾启动了一个代达罗斯计划,对这种类型的火箭进行了研究。他们的目标是制造一个聚变火箭飞行器,能够在50年内到达另一颗恒星处。美中不足的是,尽管研究工作已经开展了几十年,研究人员也没有让一个这种核聚变反应堆实现正常运转。

  我得坦白地告诉诸位,前面包括聚变火箭在内的所有火箭,都有一个根本性的难题:为了获得更多的加速度,就必须携带更多的燃料;更多的燃料让飞船更重了,于是加速度无法提高。

  如果要进行漫长的星际旅行,最好的方案是不带任何燃料上路。我说这句话的时候,没有发高烧,而物理学家罗伯特·巴萨德同样也没有发高烧。1960年,他提出了巴萨德冲压发动机的设想,巧妙地解决了燃料问题。虽然他设计的发动机看起来和前面的聚变火箭的发动机很相似,但却并不携带核燃料,而是电离周围空间存在的氢,然后通过一种巨大的“电磁场铲子”,把捕获的氢放入核反应堆中使用,推动火箭前进。真是一个绝妙的主意!

  可惜,冲压发动机也存在一个难题,除了需要携带能够工作的聚变反应堆外,它还需要一个庞大的电磁场。道理很简单,星际空间中单位体积内氢的含量是非常非常低的,而且其他物质的密度更低,所以为了推动一艘很小的飞船,发动机也要配备直径达数百甚至数千千米空间的超大磁场。

  还好我们可以“作弊”,事先仔细计算好飞船将要经过的太空轨道,把冲压发动机的燃料先从地球发射到太空中的轨道位置,等到飞船升空后,在太空中采集这些燃料,于是就不需要使用巨大的电磁场了。不过如果我们这么干,冲压发动机推动的火箭就不能想去哪里就去哪里了,必须根据事先预定的轨道运动。而且更糟糕的是,即使我们通过这种作弊的方式让飞船抵达了外星球,它返航时的燃料怎么办呢?

  诸位不要沮丧,也不是所有的未来技术的可行性都这么差,比如太阳帆就是可行性很好的星际旅行技术。

  正如传统的船帆借助了地表风的力量,太阳帆则借助了太阳光能量流的力量。太阳帆不需要额外携带燃料,仅利用太阳光对帆的光压,就可以达到很高的速度,虽然它花费的时间也会很长。

  太阳帆已经在地球的实验室条件下获得了成功,但是试图在轨道上测试太阳帆的行动却屡屡受挫。例如2005年,世界行星协会发射了“宇宙一号”飞行器,以太阳帆作为太空动力,但是火箭在把它带入太空时失败并坠毁了;第二次尝试发射太阳帆飞行器时也因为火箭故障而失败。

  尽管如此,太阳帆仍然是非常被人看好的技术,至少在太阳系内部的旅行上是可行的,因为太阳光可以提供很强的推力。但是人类若使用太阳帆来推动飞船做星际旅行,光压的推力还是有些力不从心。

  磁帆是利用太阳风来推动飞船的,而不是太阳光。太阳风是一种带电粒子,具有自己的磁场。研究人员设想,用一个磁场把飞船包围,让这个磁场和太阳风相互排斥,从而推动飞船离开太阳系。制造磁场其实不难,只要先制造一个由离子和电子混合而成的等离子体,然后让它像气球一样膨胀,就可以制造出包裹飞船的磁场。

  磁帆这种技术比太阳帆的推力更强,还可以让飞船在行星周围的磁场里冲浪,通过磁场的相互作用改变轨道,甚至逃逸到星际空间中去,实现星际旅行的梦想。

  然而完全依靠太阳帆和磁帆做星际旅行,并不是一个好主意。在太阳系中,距离太阳越远,太阳光和太阳风的强度就越弱,而且强度的衰减非常快。所以我们不能指望着撑起一张帆就实现去别的恒星观光的计划。

  既然太阳无法提供给飞船足够的能量,我们是否可以凭借自己的力量,推动一艘星际飞船实现高速飞行呢?比如说,把一束具有足够能量的强光照向在太空中穿梭的飞船。

  这个光束动力推进器的设想很有创意,激光烧蚀就是这样的一种技术:从地面发出强度很大的激光,照射到飞船的一块金属板上,高温让金属逐渐地汽化,产生的金属蒸气提供给飞船推力。另一种类似的技术是,用一种特殊配方的涂料来覆盖太阳帆,把经过改装的太阳帆装备在飞船上。然后从地球发出微波光束,照射到太阳帆,让涂料分子蒸发,产生推力。

  未来的星际旅行,很可能会采用激光推动的光帆,或者用离子束推动的磁帆来实现。几种设想组合在一起,就能取长补短,让飞船高速而经济地飞出太阳系。

  当然,光束动力推进器也面临着几个技术难点,比如光束必须能保证在很远的距离外精确地对准飞船;飞船要尽量吸收光束所有的能量,不能让能量散逸掉;光束发射装置必须非常强大,这就要求地面上对装置的能量供给将是天文数字。

  宇宙总是会带给我们惊奇,而科技的发展总是超出我们的想像。也许一百年后,前面所说的这些技术,我们的后代根本看不上眼。他们会有更加梦幻般的星际航行利器,比如说——曲速发动机。

  所谓曲速发动机,就是利用让时空弯曲的技术实现超光速飞行的设备,这基本上是科幻电影《星际迷航》中的技术。在1994年,英国物理学家米格尔·阿尔库别雷首次提出了这种概念的发动机。它将使用至今还没有被发现的宇宙物质——“奇异物质”,这些粒子具有负质量,可以产生负压力,或者说是拉力。奇异物质能够扭曲时空,使飞船前方的空间被压缩,而飞船后面的空间被拉伸,于是飞船好像被包裹在空间扭曲的“泡泡”中。在曲速泡泡中飞船能够以超过光速的速度飞行,却并不违反相对论的原理。星系与星系之间的遥远距离在这种发动机面前,不过是一道沟渠的宽度而已。

  站在目前技术的角度看,这种梦幻般的发动机还存在许多技术难题。比如,维持曲速泡泡的能量可能会大到难以想像,即使对泡泡的形状进行调整,所需的能量依然不是今天的地球人能承受的。曲速发动机在扭曲时空时,会产生大量的辐射,将会威胁宇航员的生命。更糟糕的是,目前还没有确切的证据表明,那种古怪的奇异物质确实躲在宇宙深处。2002年,科学家经过理论计算后认为,这种飞船向泡泡的前方发出信号是不可能的,这意味着宇航员根本不能控制和驾驶泡泡加速或减速,因此这样的飞船不造也罢。

  在物理学上,制造这样的泡泡还是天方夜谭。但如果宇宙真给我们奉献出奇异物质,我们的后代又解决了技术难题,星际旅行就将成为现实。

  自从爱因斯坦的广义相对论被广泛接受,人们开始承认,虫洞可能真的存在于宇宙中。这些管子似的快速通道穿越了时空,把宇宙相隔甚远的地区连通了起来。现在我们要问的问题是,这些洞真的存在吗?如果它们确实存在,我们能否通过它们穿越时空呢?

  就目前的理论看,这两个问题的答案都是令人沮丧的。虫洞若要存在,就需要类似前面谈到的奇异物质的东西来维持它的稳定,而宇宙中也许并不存在奇异物质。此外,任何进入了一个虫洞的物质或能量将立即导致虫洞关闭。

  幸好,理论上宇宙中还存在一种奇怪的负能量场,这种被称为幽灵辐射的东西可以让虫洞始终保持开放状态。而且在20世纪90年代,俄罗斯物理学家谢尔盖·克拉斯尼科夫提出了一种不同类型的虫洞,它能够自行产生维持其开放的奇异物质,于是即使我们在虫洞来往穿梭,也不必担心虫洞会突然关闭。

  由于我们还没有发现虫洞,因此还谈不上虫洞有什么技术问题,它首先面对的是一个理论难题:如果虫洞能够让物质穿越时空到达宇宙的另一个角落,那么它也可以用于制造出一种时间机器,让我们回到过去或进入未来,这将违反因果律,即先出现原因后产生结果的宇宙基本规律。

  如果宇宙空间不仅是三维的长、宽、高,还有其他的维度,比如四维空间、五维空间,也许我们可以驾驶飞船经过高维空间的中转,以极快的速度到达宇宙的另一边。

  比如说对于一个二维空间的球面,从球面的北极到南极,要走过一个半圆的长度,但在三维空间中的我们看来,直接穿过球的球心连线,球面上北极和南极的距离只是一个直径的长度。所以二维空间中两个地点的距离,在三维空间中可能离的很近。我们三维空间的距离在更高维的空间中也会很近。

  这是目前我们能够设想的最快速的星际旅行方式,它已经远远超出我们现在时空的技术了,而且是否存在高维空间,也还是不确定的事情。让我们拭目以待吧。

  以上这些航天技术中,有一些只要我们愿意,就可以在明天制造出相应的设备,部分地满足我们太空旅行的愿望;而另一些在目前根本实现不了,它们是属于未来的技术,让我们一起期待吧。


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