追尋新型飛船的腳步

王　嵩

1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校尤里·加加林乘坐“東方”號宇宙飛船進(jìn)入地球軌道，成為有史以來第一個太空人，從此人類進(jìn)入了太空時代。自那以后的四十多年里，人類不僅在近地球軌道頻繁活動，還把足跡留在了月球，中國也在太空取得了一席之地。而無人駕駛的探測器則飛得更遠(yuǎn)，它們不僅飛向了火星，甚至還飛出了太陽系。探測器雖然無人駕駛，但它們是人類的產(chǎn)物，代表了人類。

人類走向宇宙的過程，如同我們的祖先駛?cè)氪笱?。開始的時候依靠獨(dú)木舟和小舢板在海邊摸索，進(jìn)而是岸邊的小島，最后才是整個大洋。而目前的太空科技，相當(dāng)于小舢板在海邊小心翼翼探索的階段，人類的太空活動都是借助宇宙飛船或者航天飛機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，那么，今天我們看到的飛船和航天飛機(jī)能夠成為馳騁太空的明日之星嗎?

傳統(tǒng)化學(xué)燃料飛船的局限性

迄今為止，所有的載人飛船和航天飛機(jī)，以及絕大部分的無人飛船都是以化學(xué)燃料為動力的?；瘜W(xué)燃料飛船的原理和沖天炮沒有本質(zhì)上的區(qū)別，都是通過化學(xué)燃料的燃燒產(chǎn)生向后高速噴出的氣流產(chǎn)生推力，從而克服地球的束縛?；瘜W(xué)燃料能夠在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生巨大的力量，讓飛船在短短十幾分鐘內(nèi)進(jìn)入地球軌道，但它的耗費(fèi)是相當(dāng)驚人的。拿普通的飛船發(fā)射來說，為了讓小小的飛船進(jìn)入距地球表面只有幾百千米的近地軌道，要在十幾分鐘之內(nèi)消耗掉上百噸燃料。所以飛船或者航天飛機(jī)發(fā)射時，最壯觀的就是那洶涌澎湃的烈火，和裝載著產(chǎn)生這些烈火所需燃料的巨大的燃料罐。

化學(xué)燃料能夠產(chǎn)生巨大的力量，但是效率卻不見得高，當(dāng)距離成為太空旅行的主要矛盾時，這一點(diǎn)就成了致命傷。從地球到近地軌道需要十多分鐘，“阿波羅11”號去月球則花了近4天時間，現(xiàn)在普通的火星探測器到達(dá)火星需要半年多。在茫茫太空，沒有了空氣阻力，各種星體間的引力也小了許多，但飛船的速度是有限的，如果要在短時間之內(nèi)到達(dá)目的地，就要在起飛之后不斷地加速，等速度非常高的時候再保持勻速，到達(dá)目的地之后再減速，就像我們在高速公路上一樣。化學(xué)燃料飛船的低效率決定了它不能提供長時間穩(wěn)定的加速度，因為它的胃口實(shí)在是太大了。在現(xiàn)有的星際探測器上，化學(xué)火箭只用作調(diào)整姿態(tài)和制動，至于探測器的動力，還是主要依賴離開地球時火箭給的速度。

太陽系內(nèi)的水漂

行星的引力也是可以利用的資源之一，目前的星際探測器都或多或少利用了這一點(diǎn)。當(dāng)火箭把探測器送上軌道之后，探測器沿著精心設(shè)計好的軌道前進(jìn)，直到某顆星球附近，探測器到這顆星球的距離不能太遠(yuǎn)否則引力無法給探測器加速，也不能太近以免被捕獲成為衛(wèi)星。在宇宙空間利用別的星球加速后，探測器改變軌道飛向目標(biāo)或者下一個加速點(diǎn)，就像在太陽系內(nèi)打水漂一樣。利用星體的引力加速是一種廉價的方式，然而也是一種費(fèi)時和復(fù)雜的方式，這樣設(shè)計出來的軌道通常都很復(fù)雜，還需要精確的發(fā)射窗口，飛船要走很多彎路，花費(fèi)很長的時間，例如“先驅(qū)者10”號無人探測器飛出太陽系就花了十多年。

更重要的是，這樣的方式對于無人探測器也許是有效的，但用于載人飛船卻讓人充滿恐懼感，因為它需要準(zhǔn)確地設(shè)計軌道，不允許有閃失。不難想象，如果一艘載人飛船因為某種失誤錯過了某次加速的機(jī)會，那么它將很可能在茫茫宇宙處于孤立無援的悲慘境地，并因為軌道改變而永遠(yuǎn)無法抵達(dá)目的地或者回到地球。

太陽帆

茫茫太空并非一無所有，在太陽系，太陽不斷向四周發(fā)射帶電粒子流，這就是太陽風(fēng)，太陽風(fēng)會對物體產(chǎn)生作用力，不僅如此，陽光照射在物體上也會產(chǎn)生光壓，強(qiáng)度比太陽風(fēng)大1000倍。因此，只要有一面足夠大的光帆，就可以乘著太陽光前進(jìn)。當(dāng)然，要制造一面足夠巨大而又十分輕巧的光帆并非易事，不過材料科學(xué)的進(jìn)步使這成為可能，未來的光帆很可能采用納米技術(shù)制造。

太陽帆已經(jīng)不只是人們腦海中的構(gòu)想了，2005年6月21日，美國Planetary Society公司和俄羅斯合作的“宇宙1”號飛船發(fā)射，雖然由于火箭的原因發(fā)射失敗了，但并不說明太陽帆是不可行的?！坝钪?”號是第一艘企圖以太陽光為動力的飛船，按照計劃，它被發(fā)射到預(yù)定位置之后會自動打開一個面積為600平方米的花瓣形太陽帆，并進(jìn)行將太陽光壓變?yōu)轱w船驅(qū)動力的試驗。

離子發(fā)動機(jī)

離子發(fā)動機(jī)被認(rèn)為是最有希望取代化學(xué)燃料發(fā)動機(jī)的現(xiàn)實(shí)技術(shù)。和燃料燃燒不同，離子發(fā)動機(jī)通過制造電場把帶正電的離子加速向后面噴出來獲得推動力。離子發(fā)動機(jī)的推力很小，僅僅和一張紙的重力差不多，但卻極為高效。在地球上離子發(fā)動機(jī)是不值一提的，但在太空中卻可以用很小的代價長時間地提供穩(wěn)定的加速度。離子發(fā)動機(jī)已經(jīng)得到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用了，1998年美國發(fā)射的“深空1”號探測器就以離子發(fā)動機(jī)作為主動力，“深空1”號的離子發(fā)動機(jī)創(chuàng)造了電能向推力轉(zhuǎn)化效率的紀(jì)錄。

離子發(fā)動機(jī)通過電能加速帶電離子獲得動力，因此需要通過其他方式為其提供電能，核電池是一種途徑。但飛船能夠攜帶的核燃料有限，目前，幾乎所有飛往太陽系周邊地區(qū)的星際探測器都使用的是核燃料，速度非常有限，飛往冥王星要十年左右的時間。

太陽的能源幾乎是無窮無盡的，把太陽帆和離子發(fā)動機(jī)結(jié)合起來就有可能創(chuàng)造出一種新的星際航行方式。洛杉磯大學(xué)的一名教授提出了這種設(shè)想，通過把太陽帆換成巨大的太陽能電池陣，可以給離子發(fā)動機(jī)提供充足的能源，這樣到達(dá)冥王星只需一年時間。當(dāng)然，和太陽帆面臨的問題是一樣的，那就是如何制造那又大又輕的太陽能電池陣。

更健壯的飛船

飛船在太空面臨的環(huán)境是非常險惡的，除了有先進(jìn)的發(fā)動機(jī)，還需要在出現(xiàn)故障的時候能夠及時修復(fù)，就像在地理大發(fā)現(xiàn)時代一樣，水手們要隨時對出現(xiàn)問題的船只進(jìn)行修理?，F(xiàn)在，科學(xué)家們甚至開始設(shè)想建造具有部分自修復(fù)功能的飛船，這樣飛船在太空惡劣環(huán)境下的生存能力將大大提高。飛船在太空會經(jīng)常受到一些微粒撞擊，或者由于溫度變化產(chǎn)生一些小裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度就會危及飛船安全。科學(xué)家們設(shè)想在飛船結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中采用部分空心的纖維，在纖維中注滿液體樹脂，一旦飛船表面受損產(chǎn)生小裂紋，這些樹脂就流出來修復(fù)這些小裂紋。這種修復(fù)原理類似于軍用飛機(jī)上采用的自密封油箱。

不管是什么飛船，缺點(diǎn)都是明顯的。太陽光只在太陽系內(nèi)有足夠的強(qiáng)度，因此太陽帆和任何以太陽為能源的飛船只能在太陽系內(nèi)飛行。如果人類想到太陽系外去只能依賴別的方式。核能能夠提供獨(dú)立于太陽的能源，但相對于宇宙來說核電池的效率太有限了。直接采用核裂變或者核聚變會好一些，但這目前只是人們的大膽想象。

不管技術(shù)多么先進(jìn)，星際旅行總是漫長和孤獨(dú)的，目前的技術(shù)水平下宇航員前往火星來回就需要兩年。距離太陽最近的恒星是4．3光年外的半人馬座南門二，這是最有可能出現(xiàn)第二個太陽系文明的地方，是無數(shù)科幻小說中人類飛出太陽系之后的首選目的地。如果飛船達(dá)到三分之一光速，到達(dá)那里也需要十多年。人類能夠經(jīng)受住這樣的考驗嗎?

答案是肯定的，麥哲倫環(huán)球航行花了三年，并且付出了生命。帶領(lǐng)人前往茫茫宇宙的，并不是飛船本身，而是人類對未知世界永不停歇的探索，無論是深邃的大海，還是浩瀚的宇宙。

[責(zé)任編輯]唐宇