尋找恒星間航行的方法

□ 宇　宏

尋找恒星間航行的方法

□ 宇宏

旅行者-1空間探測(cè)器的美術(shù)圖

乘坐宇宙飛船探索宇宙，到遙遠(yuǎn)的太空去旅行，這是人類的夢(mèng)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(cè)器光臨，木星和土星以及它們的個(gè)別衛(wèi)星也被卡西尼——惠更斯號(hào)探測(cè)器近距離訪問過。2015年7月14日，新視野號(hào)探測(cè)器飛掠遙遠(yuǎn)的冥王星，這是人造探測(cè)器目前訪問的最遠(yuǎn)天體。而1977年9月5日發(fā)射的旅行者1號(hào)空間飛行器，現(xiàn)在正處在遙遠(yuǎn)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(yuǎn)的人造探測(cè)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(huì)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(yuǎn)，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(dá)比鄰星？到達(dá)那里要花多長時(shí)間？在這方面，長期以來科學(xué)家們一直在努力尋找實(shí)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(shí)現(xiàn)飛行的。在宇宙航行器上安裝若干個(gè)推進(jìn)器，每個(gè)推進(jìn)器實(shí)際上就是一個(gè)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(dòng)航天器運(yùn)動(dòng)。飛向冥王星的新視野號(hào)探測(cè)器裝有16個(gè)推進(jìn)器，它的化學(xué)燃料是聯(lián)氨，新視野號(hào)從地球飛到月球附近只用了8小時(shí)35分鐘。這種飛行方式的效果，關(guān)鍵在于火箭推進(jìn)技術(shù)的高低和所應(yīng)用的燃料種類。

新視野號(hào)探測(cè)器與冥王星及其衛(wèi)星卡戎，美術(shù)概念圖

離子推進(jìn)技術(shù)

什么是離子推進(jìn)技術(shù)呢？先將離子推進(jìn)器中的氣體工作物質(zhì)電離，然后在強(qiáng)電場作用下，將離子物質(zhì)高速噴出，推動(dòng)航天器前進(jìn)，當(dāng)然這種方法也可讓高速運(yùn)動(dòng)的航天器減速，這就是離子推進(jìn)技術(shù)的原理。在數(shù)十年前，離子推進(jìn)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(jìn)效率高，因此，可減少所攜帶的推進(jìn)劑，進(jìn)而減少整個(gè)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(hào)（Deep Space 1）探測(cè)器，前往博雷利（Borrelly）彗星進(jìn)行探測(cè)，它是第一批采用離子推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深空航行的航天器。深空1號(hào)經(jīng)過20個(gè)月的飛行，消耗了81.5千克氙推進(jìn)劑，到達(dá)博雷利彗星身旁，飛行速度為56000千米/小時(shí)。

2003年9月，歐洲空間局發(fā)射的斯馬特-1（SMART-1）月球探測(cè)器裝配的是離子推進(jìn)器，離子推進(jìn)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(jìn)劑。在離子推進(jìn)器的推動(dòng)下，SMART-1由地球飛行到月球附近，花了13個(gè)月零兩周的時(shí)間。與前述化學(xué)燃料助推的新視野號(hào)到達(dá)月球附近相比，盡管所需的推進(jìn)劑減少了許多，但是飛行時(shí)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(cè)灶神星和谷神星的曙光號(hào)探測(cè)器，也采用了離子推進(jìn)技術(shù)。

相對(duì)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(jìn)器的航天器在太陽系內(nèi)飛行，是一個(gè)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(hào)的最大速度56000千米/小時(shí)作為參考，假設(shè)去往距離我們4.24光年的比鄰星，不難計(jì)算出需要花費(fèi)81000年的時(shí)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。可見，盡管離子推進(jìn)技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，它在進(jìn)行星際旅行時(shí)看來難當(dāng)重任。

深空1號(hào)探測(cè)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(yùn)動(dòng)軌道和周期。利用大行星的運(yùn)動(dòng)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(yùn)行軌跡和速度，這樣可以達(dá)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(dá)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(hào)經(jīng)過金星附近，實(shí)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(cè)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(jì)80年代，它利用木星和土星的重力助推，達(dá)到了它的最大運(yùn)動(dòng)速度，每小時(shí)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(cè)器，它用來探測(cè)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(cè)器以非常扁的橢圓軌道繞太陽運(yùn)動(dòng)，每190天運(yùn)動(dòng)一周。在太陽的引力作用下，它在近日點(diǎn)附近的最大運(yùn)動(dòng)速度為240000千米/小時(shí)，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(yùn)動(dòng)，它何時(shí)才能到達(dá)目的地呢？以目前60000千米/小時(shí)的速度計(jì)算，需要76000年。如果某個(gè)宇宙飛船通過重力助推，達(dá)到了太陽神-2的最大速度240000千米/小時(shí)，要到達(dá)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(shí)現(xiàn)的兩個(gè)新途徑

電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)，即“電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)”（Electromagnetic Drive)。他認(rèn)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(dāng)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(dòng)技術(shù)用于宇宙飛船上，那么，可以不用攜帶化學(xué)推進(jìn)劑或離子推進(jìn)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(jìn)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(yàn)力圖使之變成現(xiàn)實(shí)。不過，初期受到了許多科學(xué)家的各種質(zhì)疑。有人認(rèn)為，這一技術(shù)的原理違反物理學(xué)的動(dòng)量守恒定律。近年來，隨著該項(xiàng)技術(shù)研究的深入，科學(xué)家們?nèi)〉昧艘恍┲匾M(jìn)展。2014年，在美國俄亥俄州克利夫蘭市召開的推進(jìn)技術(shù)會(huì)議上，美國國家航空航天局的研究人員宣布他們成功試驗(yàn)了電磁驅(qū)動(dòng)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(yàn)真空中的電磁驅(qū)動(dòng)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(jìn)展。

看來，有朝一日電磁推進(jìn)技術(shù)有望在太空飛行中應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，美國國家航空航天局的研究人員認(rèn)為，使用電磁推進(jìn)技術(shù)的宇宙飛船從地球飛往冥王星需要不到18個(gè)月的時(shí)間，這是新視野號(hào)探測(cè)器所用時(shí)間的六分之一。這樣一來，電磁驅(qū)動(dòng)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(jìn)行恒星際的旅行，去往最近的比鄰星需要多長時(shí)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(duì)人類來說還是一個(gè)漫長的時(shí)間。

裝備有電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

核反應(yīng)推進(jìn)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(dòng)力，推進(jìn)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(jìn)技術(shù)，一個(gè)是核熱推進(jìn)（Nuclear Thermal Propulsion）技術(shù)，另一個(gè)是核電推進(jìn)（Nuclear Electric Propulsion）技術(shù)。天然放射性元素鈾原子或氘原子進(jìn)行核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，加熱氫氣并使之高速噴出，推動(dòng)飛行器前進(jìn)，這是核熱推進(jìn)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(jìn)宇宙飛船，這是核電推進(jìn)技術(shù)。

核反應(yīng)推進(jìn)技術(shù)不需要現(xiàn)在常用的化學(xué)燃料推進(jìn)劑，與相同質(zhì)量的化學(xué)燃料推進(jìn)相比，核反應(yīng)推進(jìn)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(shí)，使用這種技術(shù)可以在90天的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)火星。如果同樣利用核反應(yīng)推進(jìn)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(shí)間。顯然，這項(xiàng)各國科學(xué)家正在努力研究的推進(jìn)技術(shù)，對(duì)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(jìn)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(dòng)技術(shù)和核反應(yīng)推進(jìn)技術(shù)，一旦它們得以在實(shí)際飛行中應(yīng)用，對(duì)于人類的太空航行是一個(gè)巨大的利好。不過，通過粗略的技術(shù)估計(jì)，如果要進(jìn)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(shí)際上，在長期的科學(xué)技術(shù)活動(dòng)中，科學(xué)家們提出了許多大膽的設(shè)想。

核爆炸脈沖推進(jìn)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(rèn)識(shí)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(jìn)行這項(xiàng)研究。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)的宇宙飛船非常龐大和笨重，它的后部是體積巨大的推進(jìn)裝置，推進(jìn)裝置里有若干個(gè)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(jìn)。

“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(fèi)用過于龐大，且當(dāng)時(shí)核爆炸實(shí)驗(yàn)會(huì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)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(jìn)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(jī)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(qiáng)且不發(fā)散的激光。據(jù)美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dá)比鄰星，直徑965千米的帆板到達(dá)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(cè)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(gè)反氫原子由一個(gè)正電子和一個(gè)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(yùn)動(dòng)的更小粒子，這些粒子反向沖出，其巨大的推力可以推動(dòng)航天器高速前進(jìn)。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(shí)間，它可以滿足人們時(shí)間上的要求。不過，飛船的重量可能高達(dá)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(jìn)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(dāng)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(gè)設(shè)想。

飛往火星的反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)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(dòng)）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(dòng)

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(duì)論，提出將來人類可以制造一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備，它可以將宇宙飛船前方的時(shí)空壓縮，而使得飛船后面的時(shí)空膨脹，借此可以實(shí)現(xiàn)快速宇宙飛行。在局部區(qū)域坐標(biāo)系內(nèi)飛船的運(yùn)動(dòng)不超過光速，由于其周圍時(shí)空的變化，在更寬廣的普通時(shí)空的觀察者看來飛船的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)超過光速。從物理上講，這種驅(qū)動(dòng)需要產(chǎn)生負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)。從原理到實(shí)際，這種驅(qū)動(dòng)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(dòng)的宇宙飛船飛到比鄰星，只需要不到4年的時(shí)間，顯然這正是科學(xué)家們夢(mèng)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(dòng)方式的宇宙飛船可以搭載人類在宇宙中遨游。

（責(zé)任編輯張長喜）