□ 宇　宏

尋找恒星間航行的方法

□ 宇宏

旅行者-1空間探測器的美術(shù)圖

乘坐宇宙飛船探索宇宙，到遙遠的太空去旅行，這是人類的夢想。如今，人類駕駛的宇宙飛船已到訪過月球。無人駕駛的宇宙飛船已經(jīng)飛臨過更多的太陽系內(nèi)天體。水星、金星和火星這些距離地球較近的類地行星已接待過較多的探測器光臨，木星和土星以及它們的個別衛(wèi)星也被卡西尼——惠更斯號探測器近距離訪問過。2015年7月14日，新視野號探測器飛掠遙遠的冥王星，這是人造探測器目前訪問的最遠天體。而1977年9月5日發(fā)射的旅行者1號空間飛行器，現(xiàn)在正處在遙遠的太陽系外部區(qū)域，2015年秋天，它距離地球約133天文單位，是目前飛離地球最遠的人造探測器。

人類期望有朝一日離開太陽系，到另外的恒星附近去旅行，也許，還會遇到可居住的系外行星。不過，太陽以外的其他恒星距離地球都非常遙遠，要想到那里去，不是一件容易的事情。就拿距離我們太陽系最近的恒星比鄰星來說，它處在半人馬座，距離地球4.24光年。利用人類現(xiàn)有的技術(shù)，我們是否可以到達比鄰星？到達那里要花多長時間？在這方面，長期以來科學(xué)家們一直在努力尋找實現(xiàn)星際航行的方法。

現(xiàn)有的太空航行手段

化學(xué)燃料助推

截至目前，人類發(fā)射的絕大部分宇宙航行器是采用火箭的原理實現(xiàn)飛行的。在宇宙航行器上安裝若干個推進器，每個推進器實際上就是一個火箭，其中盛有化學(xué)燃料，化學(xué)燃料燃燒并高速噴出，它的反沖力推動航天器運動。飛向冥王星的新視野號探測器裝有16個推進器，它的化學(xué)燃料是聯(lián)氨，新視野號從地球飛到月球附近只用了8小時35分鐘。這種飛行方式的效果，關(guān)鍵在于火箭推進技術(shù)的高低和所應(yīng)用的燃料種類。

新視野號探測器與冥王星及其衛(wèi)星卡戎，美術(shù)概念圖

離子推進技術(shù)

什么是離子推進技術(shù)呢？先將離子推進器中的氣體工作物質(zhì)電離，然后在強電場作用下，將離子物質(zhì)高速噴出，推動航天器前進，當然這種方法也可讓高速運動的航天器減速，這就是離子推進技術(shù)的原理。在數(shù)十年前，離子推進技術(shù)還只是科幻小說中的一種描述，如今，它已成為太空航行的新興手段之一。這種方式的推進效率高，因此，可減少所攜帶的推進劑，進而減少整個航天器的重量。

1998年10月，美國國家航空航天局發(fā)射了深空1號（Deep Space 1）探測器，前往博雷利（Borrelly）彗星進行探測，它是第一批采用離子推進技術(shù)進行深空航行的航天器。深空1號經(jīng)過20個月的飛行，消耗了81.5千克氙推進劑，到達博雷利彗星身旁，飛行速度為56000千米/小時。

2003年9月，歐洲空間局發(fā)射的斯馬特-1（SMART-1）月球探測器裝配的是離子推進器，離子推進器需要的電能來自該飛行器上的太陽能電池板。斯馬特-1只攜帶了82千克的氙推進劑。在離子推進器的推動下，SMART-1由地球飛行到月球附近，花了13個月零兩周的時間。與前述化學(xué)燃料助推的新視野號到達月球附近相比，盡管所需的推進劑減少了許多，但是飛行時間卻大大增加了。2007年，美國國家航空航天局發(fā)射的前往探測灶神星和谷神星的曙光號探測器，也采用了離子推進技術(shù)。

相對于其他的恒星，太陽系內(nèi)的天體距離我們非常近，乘坐配備離子推進器的航天器在太陽系內(nèi)飛行，是一個可行的辦法。如果我們飛往其他的恒星，這種辦法是否還行得通呢？我們拿深空一號的最大速度56000千米/小時作為參考，假設(shè)去往距離我們4.24光年的比鄰星，不難計算出需要花費81000年的時間，按照每30年人類繁衍一代，宇航員在航天器上大概需要繁衍2700代?？梢姡M管離子推進技術(shù)有許多優(yōu)點，但是，它在進行星際旅行時看來難當重任。

深空1號探測器飛臨博雷利彗星，美術(shù)概念圖

重力助推技術(shù)

太陽系中的大行星都有穩(wěn)定的運動軌道和周期。利用大行星的運動規(guī)律，科學(xué)家可以將空間飛行器發(fā)射到大行星附近，在大行星的引力作用下，空間飛行器改變自己的運行軌跡和速度，這樣可以達到加速（或減速）的目的，使空間飛行器更快（或更慢）地在太空飛行，這就是太空飛行中的重力助推技術(shù)。目前，最快的太空飛行速度是通過這一方法達到的。尤其利用地球或氣體巨行星（如木星和土星）等天體來提升飛行器的速度是非常好的辦法。

水手10號經(jīng)過金星附近，實現(xiàn)重力助推，前往水星。示意圖

1973年11月，美國發(fā)射的水手-10宇宙飛船是前往水星的探測器。1974年2月，它來到金星附近，在其引力作用下，水手-10得到加速并朝向水星快速飛奔。1977年9月美國發(fā)射的旅行者-1宇宙飛船目的是研究外太陽系天體。20世紀80年代，它利用木星和土星的重力助推，達到了它的最大運動速度，每小時60000千米，至今，它仍以這一速度向星際空間飛行。1976年美國和德國合作發(fā)射了太陽神-2探測器，它用來探測距離太陽0.3～1天文單位的行星際空間介質(zhì)。最終，太陽神-2探測器以非常扁的橢圓軌道繞太陽運動，每190天運動一周。在太陽的引力作用下，它在近日點附近的最大運動速度為240000千米/小時，這一速度是直至目前所有航天器中的最大飛行速度。

試想，如果旅行者-1宇宙飛船朝向比鄰星運動，它何時才能到達目的地呢？以目前60000千米/小時的速度計算，需要76000年。如果某個宇宙飛船通過重力助推，達到了太陽神-2的最大速度240000千米/小時，要到達比鄰星，仍然需要19900年。由此看來，重力助推的方法在恒星際旅行中也顯得無能為力。

有望實現(xiàn)的兩個新途徑

電磁驅(qū)動技術(shù)

2001年，英國科學(xué)家羅杰·紹耶爾（Roger K Shawyer）提出了一種新的驅(qū)動技術(shù)，即“電磁驅(qū)動技術(shù)”（Electromagnetic Drive)。他認為電磁微波腔可以將其中微波的電磁能量轉(zhuǎn)化為推力，當然需要額外的電磁能量來維持電磁微波腔的工作。如果將來能將這種驅(qū)動技術(shù)用于宇宙飛船上，那么，可以不用攜帶化學(xué)推進劑或離子推進劑，減輕飛行器的重量，大大提高宇宙飛船的效率，它將是太空推進技術(shù)的一次飛躍。

羅杰·紹耶爾提出這一設(shè)想，并開展科學(xué)試驗力圖使之變成現(xiàn)實。不過，初期受到了許多科學(xué)家的各種質(zhì)疑。有人認為，這一技術(shù)的原理違反物理學(xué)的動量守恒定律。近年來，隨著該項技術(shù)研究的深入，科學(xué)家們?nèi)〉昧艘恍┲匾M展。2014年，在美國俄亥俄州克利夫蘭市召開的推進技術(shù)會議上，美國國家航空航天局的研究人員宣布他們成功試驗了電磁驅(qū)動技術(shù)。緊接著在2015年，美國約翰遜航天中心鷹工廠（Eagleworks of Jhonson space center）的研究人員成功試驗真空中的電磁驅(qū)動技術(shù)，結(jié)果表明它在太空中可以利用。在這方面，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Dresden University of Technology）和中國西北工業(yè)大學(xué)（西安）的科研人員也取得了可喜的研究進展。

看來，有朝一日電磁推進技術(shù)有望在太空飛行中應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有的實驗結(jié)果，美國國家航空航天局的研究人員認為，使用電磁推進技術(shù)的宇宙飛船從地球飛往冥王星需要不到18個月的時間，這是新視野號探測器所用時間的六分之一。這樣一來，電磁驅(qū)動技術(shù)必將使人類太空探索的面貌煥然一新。那么，利用該技術(shù)進行恒星際的旅行，去往最近的比鄰星需要多長時間？根據(jù)估算，大概需要13000年，這一結(jié)果盡管優(yōu)于其他方法，但是，對人類來說還是一個漫長的時間。

裝備有電磁驅(qū)動引擎的星際飛行器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA Spaceflight center

使用核熱火箭技術(shù)的飛行器，它可以將科學(xué)家送到火星附近，美術(shù)概念圖，Credit：NASA

核動力推進技術(shù)

核反應(yīng)推進是指利用天然放射性元素的核聚變反應(yīng)或者核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量作為動力，推進宇宙飛船做空間航行。目前，科學(xué)家主要研究兩種核反應(yīng)推進技術(shù)，一個是核熱推進（Nuclear Thermal Propulsion）技術(shù)，另一個是核電推進（Nuclear Electric Propulsion）技術(shù)。天然放射性元素鈾原子或氘原子進行核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，加熱氫氣并使之高速噴出，推動飛行器前進，這是核熱推進技術(shù)。將核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化為電能并利用電引擎推進宇宙飛船，這是核電推進技術(shù)。

核反應(yīng)推進技術(shù)不需要現(xiàn)在常用的化學(xué)燃料推進劑，與相同質(zhì)量的化學(xué)燃料推進相比，核反應(yīng)推進技術(shù)可提供更多的能量，產(chǎn)生更大的推力。按照美國國家航空航天局科學(xué)家的估算，在火星距離地球5500萬千米的最近距離時，使用這種技術(shù)可以在90天的時間內(nèi)抵達火星。如果同樣利用核反應(yīng)推進技術(shù)奔赴比鄰星，考慮到初期的加速過程和末期的減速過程，全程需要大約1000年的時間。顯然，這項各國科學(xué)家正在努力研究的推進技術(shù)，對于恒星際航行，仍不能在宇航員的有生之年完成。

更大膽的設(shè)想

如今，無人駕駛宇宙飛船到太陽系內(nèi)主要天體的太空飛行，已不是一件困難的事情。宇宙飛船的推進技術(shù)也不斷發(fā)展和多樣化。特別是兩種新的方式，電磁驅(qū)動技術(shù)和核反應(yīng)推進技術(shù)，一旦它們得以在實際飛行中應(yīng)用，對于人類的太空航行是一個巨大的利好。不過，通過粗略的技術(shù)估計，如果要進行恒星際太空航行，這些方式還不能滿足人類的要求。那么有沒有更好的辦法呢？實際上，在長期的科學(xué)技術(shù)活動中，科學(xué)家們提出了許多大膽的設(shè)想。

核爆炸脈沖推進空間飛行器

1945年7月，世界第一顆原子彈成功爆炸后，參加過原子彈研制工作的波蘭裔美國科學(xué)家斯坦尼斯勞·烏拉姆（Stanislaw Ulam）認識到原子彈爆炸沖擊波的巨大威力，提出了利用這種核反應(yīng)脈沖作為推力建造太空飛船的設(shè)想。1958年至1963年美國成立了“獵戶座工程”（Orion Project）進行這項研究。當時，科學(xué)家們設(shè)計的宇宙飛船非常龐大和笨重，它的后部是體積巨大的推進裝置，推進裝置里有若干個核彈，該裝置可有效地把核彈爆炸的沖擊波脈沖能量轉(zhuǎn)化為飛船的推力，使得宇宙飛船高速前進。

“獵戶”宇宙飛船離開地球，美術(shù)圖，Credit：bisbos.com/Adrian Mann

獵戶座工程中核爆炸脈沖作為推力的宇宙飛行器，美術(shù)圖，Credit：silodrome.co

科學(xué)家估算，建造這種飛船的費用過于龐大，且當時核爆炸實驗會帶來核輻射及核污染等問題，再加上這種飛船過于龐大和笨重，這種推進技術(shù)的研究很早就終止了。

激光帆

太陽帆太空飛行技術(shù)是科學(xué)家正在實驗中的一項新技術(shù)，它有望不久被正式用于人類的太陽系內(nèi)航行。這種技術(shù)利用太陽光作為推力，不用攜帶化學(xué)推進劑，因此，它是一種性能優(yōu)良的太空飛行方式。1984年，美國休斯飛機公司的科學(xué)家羅伯特·佛沃德（Robert Forward）提出激光帆太空飛行技術(shù)，它與太陽帆的原理相似，只是推力來自方向性強且不發(fā)散的激光。據(jù)美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的研究人員估算，帆板直徑320千米的飛行器可在12年左右抵達比鄰星，直徑965千米的帆板到達比鄰星則只需要9年左右。顯然這是人類渴望的飛行方式，可惜的是，憑現(xiàn)有的技術(shù)人類還不能制造這樣的激光帆飛行器。

日本空間探測局研制的飛行中的太陽帆飛行器（IK A R O S，Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun），美術(shù)概念圖，Credit：Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki

反物質(zhì)引擎

反物質(zhì)由反粒子組成，一個反氫原子由一個正電子和一個反質(zhì)子構(gòu)成，反物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用可以釋放出巨大的能量，產(chǎn)生一些高速運動的更小粒子，這些粒子反向沖出，其巨大的推力可以推動航天器高速前進。美國亞利桑那大學(xué)的科技人員估算，裝配反物質(zhì)引擎的宇宙飛船可以加速到1/2光速，去往比鄰星只需要8年多的時間，它可以滿足人們時間上的要求。不過，飛船的重量可能高達400噸，其中需要的反物質(zhì)為170噸。反物質(zhì)燃料釋放的能量比核反應(yīng)的效率還高，產(chǎn)生的推力更大，是一種理想的推進方式。但是，目前科學(xué)家還不能大量生產(chǎn)反物質(zhì)，且制造反物質(zhì)的成本相當昂貴。再加上其他技術(shù)難題，利用反物質(zhì)引擎做太空飛行還只是人類的一個設(shè)想。

飛往火星的反物質(zhì)發(fā)動機推動的宇宙飛船，美術(shù)概念圖，Credit：NASA

采用翹曲方式（阿爾庫別雷驅(qū)動）航行的宇宙飛船，美術(shù)概念圖，Credit：Mark Rademaker/flickr. com

阿爾庫別雷（翹曲）驅(qū)動

1994年，墨西哥物理學(xué)家米格爾·阿爾庫別雷（Miguel Alcubierre）根據(jù)廣義相對論，提出將來人類可以制造一種驅(qū)動設(shè)備，它可以將宇宙飛船前方的時空壓縮，而使得飛船后面的時空膨脹，借此可以實現(xiàn)快速宇宙飛行。在局部區(qū)域坐標系內(nèi)飛船的運動不超過光速，由于其周圍時空的變化，在更寬廣的普通時空的觀察者看來飛船的運動已經(jīng)超過光速。從物理上講，這種驅(qū)動需要產(chǎn)生負質(zhì)量的物質(zhì)。從原理到實際，這種驅(qū)動方式還存在大量的困難，不過，有科學(xué)家估算，通過這種驅(qū)動的宇宙飛船飛到比鄰星，只需要不到4年的時間，顯然這正是科學(xué)家們夢想的快速飛行方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們期望有朝一日阿爾庫別雷（翹曲）驅(qū)動方式的宇宙飛船可以搭載人類在宇宙中遨游。

（責任編輯張長喜）