《星球大戰(zhàn)》中的星艦可能成真嗎？

饅頭老妖，南京大學(xué)化學(xué)博士、西華大學(xué)生物工程學(xué)院講師?！兑曈X之旅：化學(xué)世界的分子奧秘（彩色典藏版）》《地球簡(jiǎn)史》等圖書譯者、吳大猷科學(xué)普及著作獎(jiǎng)獲得者（譯著類），撰寫過大量科普文章，熱衷于寫偵探小說。

對(duì)于科幻迷來說，電影《星球大戰(zhàn)》和《星際迷航》系列中宏偉的星艦群一直是他們對(duì)航天科技發(fā)展的期待。最近，我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委發(fā)不了一份研制一千米長(zhǎng)的巨型宇宙飛船的研究大綱，這似乎是科幻迷們即將“美夢(mèng)成真”的印證。如果巨型宇宙飛船被建成，能有更多的航天員和科研設(shè)備在太空中工作，這自然是一件好事。但是，今年年初發(fā)射的“天和”核心艙全長(zhǎng)才16.6米，以目前的科技水平而言，我們真的能造出一千米長(zhǎng)的宇宙飛船嗎？

千米飛船，難送上青天

一千米長(zhǎng)的宇宙飛船確實(shí)令人向往，但是巨型宇宙飛船并不是那么好建成的，需要解決很多問題。第一個(gè)問題就是如何運(yùn)輸這樣的巨型宇宙飛船進(jìn)入太空。

當(dāng)然，我們可以用“搭積木”的方式，通過常規(guī)的運(yùn)載火箭，把巨型宇宙飛船的零件分批次送入太空，再在太空中進(jìn)行組裝。但是，多次運(yùn)輸所需要的火箭發(fā)射成本是非常高的。哪怕是馬斯克極力鼓吹的“獵鷹”火箭（該火箭可以回收并重復(fù)使用一部分箭體），每次發(fā)射成本也要數(shù)千萬美元。一千米長(zhǎng)的巨型宇宙飛船想要在太空中組裝，幾十次的分批運(yùn)輸成本就足以讓人望而卻步了。

更大的問題，是如何把這些艙段精確地組裝成我們所需要的形態(tài)。的確，我國(guó)航天工業(yè)，已經(jīng)掌握了航天器的精確對(duì)接技術(shù)，能組合成空間站。然而，這種組合體能夠?qū)崿F(xiàn)的形式，非常有限，幾乎不可能組成復(fù)雜的形狀。

具體來說，目前的艙段連接，都是采用預(yù)設(shè)接口機(jī)械嚙合的形式。這種連接，相對(duì)于火箭制造中常用的焊接、鉚接等形式，價(jià)格非常昂貴，適應(yīng)性也較弱。而現(xiàn)有的技術(shù)，還不足以在太空中完成較大規(guī)模的艙外焊接、鉚接工作——哪怕有機(jī)械臂來幫忙，航天員在太空行走中能完成的機(jī)械加工，也非常有限。

千里之堤，易潰于蟻穴

即使我們解決了運(yùn)載火箭的成本問題，成功將巨型宇宙飛船在太空中組裝起來，飛船的巨大體型也會(huì)給后續(xù)的檢測(cè)、維護(hù)帶來挑戰(zhàn)。

航天設(shè)備是相當(dāng)精密、復(fù)雜的裝置，當(dāng)裝置中的某個(gè)零件損壞，其影響往往牽一發(fā)而動(dòng)全身。為了避免這種影響，在航天設(shè)備發(fā)射前，技術(shù)人員都會(huì)巨細(xì)無遺地反復(fù)檢查。盡管我們可以用精益求精的態(tài)度，讓航天設(shè)備的零件故障概率無限降低，但我們永遠(yuǎn)也無法讓概率徹底為零。而航天設(shè)備的規(guī)模越是龐大，其所需的零件就越多，整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率也就越大。

假設(shè)建造一千米長(zhǎng)的宇宙飛船需要100個(gè)艙段，那么連接艙段就需要99套連接裝置;如果每個(gè)連接裝置中含有100個(gè)零件，那么連接裝置中零件總數(shù)就接近10000個(gè)。假設(shè)每個(gè)零件出現(xiàn)故障的概率，都是百萬分之一，則這99套連接裝置中，至少有一套出現(xiàn)故障的概率，就上升到了百分之一。百分之一的概率看似很低，卻是航天工業(yè)無法承受的：一次連接裝置的故障，很可能意味著飛船轟然斷裂，造成無法挽回的悲劇。

末大必折，尾大不掉

建造巨型宇宙飛船要面臨的第三個(gè)問題就是飛船的運(yùn)動(dòng)控制問題。

我們都知道，太空并不是真正的“空”，反而有許多的太空垃圾，也就是人類歷次發(fā)射的航天器、人造衛(wèi)星等人造物體留下的殘骸。這些殘骸體積都不大，但飛行速度很快，如果它們的運(yùn)動(dòng)方向恰好與宇宙飛船的運(yùn)行方向相反，那么相對(duì)速度就會(huì)變得更大。按照動(dòng)能定理公式（E =1/2mv 2），哪怕一個(gè)只有幾十克的碎片，都足以產(chǎn)生一萬牛頓以上的沖擊力（相當(dāng)于拎起1噸物體的力），這足以撞碎航天器的外壁。

因此航天器想要在太空中安全航行，只有兩種方案：給航天器裝上非常堅(jiān)固的裝甲，或是讓航天器躲避這些致命的碎片。

第一種方案，給航天器裝上堅(jiān)固的裝甲，這需要厚重的裝甲材料，同時(shí)，也意味著航天器的有效載荷會(huì)被大量侵占，留給航天員進(jìn)行科研和生活的空間會(huì)被大量壓縮，那制造這個(gè)“太空堡壘”的意義也就不大了。

第二種方案，則需要在發(fā)現(xiàn)太空垃圾后，及時(shí)調(diào)整飛船的姿態(tài)加以躲避。

然而，這個(gè)方案依然面臨著問題：這些太空垃圾的體積并不大，遠(yuǎn)距離不容易被觀測(cè)到;而一旦近距離觀測(cè)到它們，留給飛船轉(zhuǎn)向的時(shí)間也不多了。要迅速改變飛船的方向，就必須提升飛船的速度，對(duì)于加速度（a ）的要求自然也很大。雖然在太空中，宇宙飛船會(huì)處于失重狀態(tài)，但是其質(zhì)量（m ）所需的推動(dòng)力依然巨大。根據(jù)牛頓第二定律（F =ma ），一千米長(zhǎng)的宇宙飛船所需要的推動(dòng)力之大，可想而知。

而這樣巨大的推動(dòng)力從何而來呢？在太空之中，這個(gè)力量只能來自火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。而推力并不會(huì)憑空產(chǎn)生，需要消耗大量的燃料或電能。如此一來，這個(gè)巨大的飛船，就必然會(huì)把大量的載荷用于儲(chǔ)備能源，留給航天員的科研、生活空間依然會(huì)大大縮水。

夢(mèng)想還是要有的，萬一實(shí)現(xiàn)了呢？

綜上所述，以目前人類的科學(xué)技術(shù)水平而言，制造一個(gè)巨大的飛船，不僅不現(xiàn)實(shí)，也不劃算。不如換成幾十艘小型飛船，分別執(zhí)行不同任務(wù)，這相對(duì)于巨型宇宙飛船來說技術(shù)難度更低，效率卻更高。

但是，研制一千米長(zhǎng)的巨型宇宙飛船并不是沒有意義的。巨型宇宙飛船可以提供一個(gè)地球上有，而宇宙里沒有的東西：地心引力，也就是我們熟悉的重力。

在宇宙空間中，失重是航天員的常態(tài);但長(zhǎng)期待在失重環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致航天員的肌肉力量流失，回到地球之后需要很長(zhǎng)時(shí)間來適應(yīng)環(huán)境。況且，長(zhǎng)時(shí)間的失重狀態(tài)也會(huì)給航天員的工作帶來各種麻煩。

那么，能不能人工制造出地心引力呢？目前認(rèn)為比較可行的一種方案，就是讓大型空間站保持一定速度的自轉(zhuǎn)，通過離心作用來模擬地心引力。這就要求空間站的尺寸必須足夠大，半徑至少在一百米以上;它的尺寸越大，模擬出來的引力就越是貼近地球上的真實(shí)情況。從這個(gè)角度來說，制造一千米長(zhǎng)的宇宙飛船還是具備巨大的科研價(jià)值的。

因此，雖然目前的科學(xué)技術(shù)并不支持我們制造如此龐大的飛船，但這并不影響我們對(duì)巨型宇宙飛船的研發(fā)。要知道，人類的科技發(fā)展是永不止步的?；蛟S，在不遠(yuǎn)的未來，我們就能克服這些障礙，讓巨大的太空堡壘變成現(xiàn)實(shí)。畢竟，夢(mèng)想還是要有的，萬一實(shí)現(xiàn)了呢？