劉安立

1936年10月31日，被稱為“火箭男孩組”的6名年輕學(xué)者在一次掙脫地球引力的嘗試中差點讓自己焚身。當(dāng)時，他們聚集在美國加州圣加布里埃山腳下的一個沖溝里，測試一部以酒精為燃料的噴氣發(fā)動機。他們想證明火箭發(fā)動機能夠進入太空，而當(dāng)時這種理念被認為荒唐可笑。在這次實驗中，一根氧氣管著火后猛烈擺動，噴發(fā)火焰——實驗失敗。

“火箭男孩組”的大膽嘗試引起了空氣動力學(xué)家卡門的注意。實際上，卡門在加州理工學(xué)院已經(jīng)和這個男孩組的兩名成員共事過。后來，在“火箭男孩組”這次實驗現(xiàn)場不遠處，卡門建立了一個小型實驗區(qū)，“火箭男孩組”在這里重新進行實驗。1943年，這里變成了“噴氣推進實驗室”（即今天美國宇航局中的同名部門，簡稱JPL），卡門是該實驗室第一任主任。今天的JPL規(guī)模宏大，雇員數(shù)千，但其創(chuàng)立目的一直沒變，那就是——摒棄傳統(tǒng)，挑戰(zhàn)探索極限。

多年來，JPL獲得了許多成功。JPL工程師在20世紀70年代初建造的先鋒10號，是達到太陽系逃逸速度的第一艘飛船。在這之后幾年，他們建造的旅行者1號和2號飛船成為速度最快的星際空間探索飛行器。從太空時代開始到兩艘旅行者號飛船發(fā)射之間僅僅經(jīng)過了20年，而火箭科學(xué)家就己實現(xiàn)了飛船速度翻倍。但在這之后幾十年，只有一艘飛船跟隨旅行者號的步伐向太陽系外沖去，而在提高飛船速度方面則停步不前?，F(xiàn)在，JPL的火箭工程師們再度躍躍欲試，謀劃下一次大飛躍。

這些工程師認為，只在太陽系以內(nèi)轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去是不夠的，飛到已知行星以外去、甚至飛往其他恒星的時間已到。JPL飛行工程師布羅非正在研發(fā)的一種新型發(fā)動機，有可能讓太空飛行速度增加10倍。JPL任務(wù)構(gòu)建工程師阿爾卡來正在策劃以飛行器飛向太陽為開端的遠程旅行。而JPL科學(xué)家圖瑞謝夫的理念恐怕是最狂野的，那就是讓一部太空望遠鏡看清太陽系外類地（類似地球）行星的表面細節(jié)。

上述任務(wù)都有半科幻性質(zhì)，但就算其中只有一項能夠成功，其意義也非同凡響?！盎鸺泻⒔M”及其同事幫助人類進入了太空，而新一代JPL人則可能讓人類進入星際空間。

“突破攝星”

布羅非的靈感來源于“突破攝星”計劃。這個大膽過頭的計劃由英國科學(xué)家霍金和俄羅斯億萬富翁米爾納在2016年提出。該計劃的終極目的是建造一個1.6千米寬的激光陣列，用它把一部微型飛船加速到光速的20%，從而讓飛船僅用20年時間就飛到半人馬座阿爾法星系（與地球距離最近的另一個恒星系統(tǒng)）。

布羅非對“突破攝星”掙懷疑態(tài)度，但他同時又認為這個設(shè)想有趣。離奇的想法對布羅非來說并不新鮮，因為JPL向來鼓勵突破傳統(tǒng)思維，所以JPL內(nèi)部包括布羅非本人的設(shè)想越來越新奇、膽大。但就算以這個標準來看，布羅非仍然覺得“突破攝星”太過遠離技術(shù)現(xiàn)實。不過，他還是開始思考：縮小版的“突破攝星”計劃是否可能在百年內(nèi)變成現(xiàn)實？

布羅非最感興趣的理念是，使用“突破攝星”風(fēng)格的激光束來對付“火箭等式”。該等式把飛船運動與飛船搭載的推進劑數(shù)量聯(lián)系起來。如果想飛得更快，就需要更多燃料，而更多燃料意味著飛船更重。這就是要用一枚超大型火箭發(fā)射一艘816千克的旅行者號飛船的原因。

從20世紀70年代末的研究生階段開始，布羅非一直在研發(fā)一種有效性大大提高的火箭技術(shù)——離子推進。離子發(fā)動機運用電能把帶正電的原子（稱為離子）高速噴出推進器。每個原子只能提供很小的推力，但所有原子合起來能比常規(guī)化學(xué)燃料把火箭推至快得多的速度。更好的是，運轉(zhuǎn)離子發(fā)動機所需的電能可以來自太陽能電池板，這樣就無需船載燃料或發(fā)電機。通過從較少推進劑中獲得更快的速度，離子發(fā)動機在馴服“火箭等式”方面前進了一步。

但離子發(fā)動機也有自身缺陷。它們離太陽越遠，它們的太陽能電池板發(fā)電量越少。當(dāng)然可以把電池板做得更大，但離子發(fā)動機的重量也大大增加。此外，離子發(fā)動機自身推力太小，離子火箭根本就飛不起來。離子發(fā)動機驅(qū)動的飛船升空后，要經(jīng)過長時間才能讓自己加速到破紀錄的速度。布羅非深知這些問題。他參與設(shè)計了美國宇航局“黎明號”飛船上的離子發(fā)動機設(shè)計，該飛船最近完成了為期11年、對小行星灶神星和矮行星谷神星的造訪。就算“黎明號”的太陽能電池板直徑達20米，該飛船的速度從每秒0千米加速到60千米也花了4天時間。

離子發(fā)動機

正當(dāng)布羅非為發(fā)動機效率與太陽能電力限制之間的矛盾而苦惱時，“突破攝星”計劃公布。布羅非頓悟：如果用高強度激光束代替陽光對準飛船，會怎樣呢？在效率更高的激光推動下，離子發(fā)動機運轉(zhuǎn)更有力，但同時又降低自身重量，因為飛船無須搭載電源。

在有了這一頓悟的兩年后，布羅非在JPL的小型實驗室中制造了一部高性能離子發(fā)動機。它使用的鋰離子比“黎明號”使用的氙離子輕得多，因此達到較高速度所需的能量也較少。新離子發(fā)動機的運轉(zhuǎn)電壓為6000伏特，而“黎明號”的為1000伏特。布羅非指出，如果采用激光來為新離子發(fā)動機供電，那么發(fā)動機的效率會更驚人。