寻找恒星间航行的方法

□ 宇　宏

寻找恒星间航行的方法

□ 宇宏

旅行者-1空间探测器的美术图

乘坐宇宙飞船探索宇宙，到遥远的太空去旅行，这是人类的梦想。如今，人类驾驶的宇宙飞船已到访过月球。无人驾驶的宇宙飞船已经飞临过更多的太阳系内天体。水星、金星和火星这些距离地球较近的类地行星已接待过较多的探测器光临，木星和土星以及它们的个别卫星也被卡西尼——惠更斯号探测器近距离访问过。2015年7月14日，新视野号探测器飞掠遥远的冥王星，这是人造探测器目前访问的最远天体。而1977年9月5日发射的旅行者1号空间飞行器，现在正处在遥远的太阳系外部区域，2015年秋天，它距离地球约133天文单位，是目前飞离地球最远的人造探测器。

人类期望有朝一日离开太阳系，到另外的恒星附近去旅行，也许，还会遇到可居住的系外行星。不过，太阳以外的其他恒星距离地球都非常遥远，要想到那里去，不是一件容易的事情。就拿距离我们太阳系最近的恒星比邻星来说，它处在半人马座，距离地球4.24光年。利用人类现有的技术，我们是否可以到达比邻星？到达那里要花多长时间？在这方面，长期以来科学家们一直在努力寻找实现星际航行的方法。

现有的太空航行手段

化学燃料助推

截至目前，人类发射的绝大部分宇宙航行器是采用火箭的原理实现飞行的。在宇宙航行器上安装若干个推进器，每个推进器实际上就是一个火箭，其中盛有化学燃料，化学燃料燃烧并高速喷出，它的反冲力推动航天器运动。飞向冥王星的新视野号探测器装有16个推进器，它的化学燃料是联氨，新视野号从地球飞到月球附近只用了8小时35分钟。这种飞行方式的效果，关键在于火箭推进技术的高低和所应用的燃料种类。

新视野号探测器与冥王星及其卫星卡戎，美术概念图

离子推进技术

什么是离子推进技术呢？先将离子推进器中的气体工作物质电离，然后在强电场作用下，将离子物质高速喷出，推动航天器前进，当然这种方法也可让高速运动的航天器减速，这就是离子推进技术的原理。在数十年前，离子推进技术还只是科幻小说中的一种描述，如今，它已成为太空航行的新兴手段之一。这种方式的推进效率高，因此，可减少所携带的推进剂，进而减少整个航天器的重量。

1998年10月，美国国家航空航天局发射了深空1号（Deep Space 1）探测器，前往博雷利（Borrelly）彗星进行探测，它是第一批采用离子推进技术进行深空航行的航天器。深空1号经过20个月的飞行，消耗了81.5千克氙推进剂，到达博雷利彗星身旁，飞行速度为56000千米/小时。

2003年9月，欧洲空间局发射的斯马特-1（SMART-1）月球探测器装配的是离子推进器，离子推进器需要的电能来自该飞行器上的太阳能电池板。斯马特-1只携带了82千克的氙推进剂。在离子推进器的推动下，SMART-1由地球飞行到月球附近，花了13个月零两周的时间。与前述化学燃料助推的新视野号到达月球附近相比，尽管所需的推进剂减少了许多，但是飞行时间却大大增加了。2007年，美国国家航空航天局发射的前往探测灶神星和谷神星的曙光号探测器，也采用了离子推进技术。

相对于其他的恒星，太阳系内的天体距离我们非常近，乘坐配备离子推进器的航天器在太阳系内飞行，是一个可行的办法。如果我们飞往其他的恒星，这种办法是否还行得通呢？我们拿深空一号的最大速度56000千米/小时作为参考，假设去往距离我们4.24光年的比邻星，不难计算出需要花费81000年的时间，按照每30年人类繁衍一代，宇航员在航天器上大概需要繁衍2700代。可见，尽管离子推进技术有许多优点，但是，它在进行星际旅行时看来难当重任。

深空1号探测器飞临博雷利彗星，美术概念图

重力助推技术

太阳系中的大行星都有稳定的运动轨道和周期。利用大行星的运动规律，科学家可以将空间飞行器发射到大行星附近，在大行星的引力作用下，空间飞行器改变自己的运行轨迹和速度，这样可以达到加速（或减速）的目的，使空间飞行器更快（或更慢）地在太空飞行，这就是太空飞行中的重力助推技术。目前，最快的太空飞行速度是通过这一方法达到的。尤其利用地球或气体巨行星（如木星和土星）等天体来提升飞行器的速度是非常好的办法。

水手10号经过金星附近，实现重力助推，前往水星。示意图

1973年11月，美国发射的水手-10宇宙飞船是前往水星的探测器。1974年2月，它来到金星附近，在其引力作用下，水手-10得到加速并朝向水星快速飞奔。1977年9月美国发射的旅行者-1宇宙飞船目的是研究外太阳系天体。20世纪80年代，它利用木星和土星的重力助推，达到了它的最大运动速度，每小时60000千米，至今，它仍以这一速度向星际空间飞行。1976年美国和德国合作发射了太阳神-2探测器，它用来探测距离太阳0.3～1天文单位的行星际空间介质。最终，太阳神-2探测器以非常扁的椭圆轨道绕太阳运动，每190天运动一周。在太阳的引力作用下，它在近日点附近的最大运动速度为240000千米/小时，这一速度是直至目前所有航天器中的最大飞行速度。

试想，如果旅行者-1宇宙飞船朝向比邻星运动，它何时才能到达目的地呢？以目前60000千米/小时的速度计算，需要76000年。如果某个宇宙飞船通过重力助推，达到了太阳神-2的最大速度240000千米/小时，要到达比邻星，仍然需要19900年。由此看来，重力助推的方法在恒星际旅行中也显得无能为力。

有望实现的两个新途径

电磁驱动技术

2001年，英国科学家罗杰·绍耶尔（Roger K Shawyer）提出了一种新的驱动技术，即“电磁驱动技术”（Electromagnetic Drive)。他认为电磁微波腔可以将其中微波的电磁能量转化为推力，当然需要额外的电磁能量来维持电磁微波腔的工作。如果将来能将这种驱动技术用于宇宙飞船上，那么，可以不用携带化学推进剂或离子推进剂，减轻飞行器的重量，大大提高宇宙飞船的效率，它将是太空推进技术的一次飞跃。

罗杰·绍耶尔提出这一设想，并开展科学试验力图使之变成现实。不过，初期受到了许多科学家的各种质疑。有人认为，这一技术的原理违反物理学的动量守恒定律。近年来，随着该项技术研究的深入，科学家们取得了一些重要进展。2014年，在美国俄亥俄州克利夫兰市召开的推进技术会议上，美国国家航空航天局的研究人员宣布他们成功试验了电磁驱动技术。紧接着在2015年，美国约翰逊航天中心鹰工厂（Eagleworks of Jhonson space center）的研究人员成功试验真空中的电磁驱动技术，结果表明它在太空中可以利用。在这方面，德国德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）和中国西北工业大学（西安）的科研人员也取得了可喜的研究进展。

看来，有朝一日电磁推进技术有望在太空飞行中应用。根据现有的实验结果，美国国家航空航天局的研究人员认为，使用电磁推进技术的宇宙飞船从地球飞往冥王星需要不到18个月的时间，这是新视野号探测器所用时间的六分之一。这样一来，电磁驱动技术必将使人类太空探索的面貌焕然一新。那么，利用该技术进行恒星际的旅行，去往最近的比邻星需要多长时间？根据估算，大概需要13000年，这一结果尽管优于其他方法，但是，对人类来说还是一个漫长的时间。

装备有电磁驱动引擎的星际飞行器，美术概念图，Credit：NASA Spaceflight center

使用核热火箭技术的飞行器，它可以将科学家送到火星附近，美术概念图，Credit：NASA

核动力推进技术

核反应推进是指利用天然放射性元素的核聚变反应或者核裂变反应产生的能量作为动力，推进宇宙飞船做空间航行。目前，科学家主要研究两种核反应推进技术，一个是核热推进（Nuclear Thermal Propulsion）技术，另一个是核电推进（Nuclear Electric Propulsion）技术。天然放射性元素铀原子或氘原子进行核反应产生的能量，加热氢气并使之高速喷出，推动飞行器前进，这是核热推进技术。将核反应产生的能量，转化为电能并利用电引擎推进宇宙飞船，这是核电推进技术。

核反应推进技术不需要现在常用的化学燃料推进剂，与相同质量的化学燃料推进相比，核反应推进技术可提供更多的能量，产生更大的推力。按照美国国家航空航天局科学家的估算，在火星距离地球5500万千米的最近距离时，使用这种技术可以在90天的时间内抵达火星。如果同样利用核反应推进技术奔赴比邻星，考虑到初期的加速过程和末期的减速过程，全程需要大约1000年的时间。显然，这项各国科学家正在努力研究的推进技术，对于恒星际航行，仍不能在宇航员的有生之年完成。

更大胆的设想

如今，无人驾驶宇宙飞船到太阳系内主要天体的太空飞行，已不是一件困难的事情。宇宙飞船的推进技术也不断发展和多样化。特别是两种新的方式，电磁驱动技术和核反应推进技术，一旦它们得以在实际飞行中应用，对于人类的太空航行是一个巨大的利好。不过，通过粗略的技术估计，如果要进行恒星际太空航行，这些方式还不能满足人类的要求。那么有没有更好的办法呢？实际上，在长期的科学技术活动中，科学家们提出了许多大胆的设想。

核爆炸脉冲推进空间飞行器

1945年7月，世界第一颗原子弹成功爆炸后，参加过原子弹研制工作的波兰裔美国科学家斯坦尼斯劳·乌拉姆（Stanislaw Ulam）认识到原子弹爆炸冲击波的巨大威力，提出了利用这种核反应脉冲作为推力建造太空飞船的设想。1958年至1963年美国成立了“猎户座工程”（Orion Project）进行这项研究。当时，科学家们设计的宇宙飞船非常庞大和笨重，它的后部是体积巨大的推进装置，推进装置里有若干个核弹，该装置可有效地把核弹爆炸的冲击波脉冲能量转化为飞船的推力，使得宇宙飞船高速前进。

“猎户”宇宙飞船离开地球，美术图，Credit：bisbos.com/Adrian Mann

猎户座工程中核爆炸脉冲作为推力的宇宙飞行器，美术图，Credit：silodrome.co

科学家估算，建造这种飞船的费用过于庞大，且当时核爆炸实验会带来核辐射及核污染等问题，再加上这种飞船过于庞大和笨重，这种推进技术的研究很早就终止了。

激光帆

太阳帆太空飞行技术是科学家正在实验中的一项新技术，它有望不久被正式用于人类的太阳系内航行。这种技术利用太阳光作为推力，不用携带化学推进剂，因此，它是一种性能优良的太空飞行方式。1984年，美国休斯飞机公司的科学家罗伯特·佛沃德（Robert Forward）提出激光帆太空飞行技术，它与太阳帆的原理相似，只是推力来自方向性强且不发散的激光。据美国国家航空航天局喷气推进实验室的研究人员估算，帆板直径320千米的飞行器可在12年左右抵达比邻星，直径965千米的帆板到达比邻星则只需要9年左右。显然这是人类渴望的飞行方式，可惜的是，凭现有的技术人类还不能制造这样的激光帆飞行器。

日本空间探测局研制的飞行中的太阳帆飞行器（IK A R O S，Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun），美术概念图，Credit：Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki

反物质引擎

反物质由反粒子组成，一个反氢原子由一个正电子和一个反质子构成，反物质和普通物质相互作用可以释放出巨大的能量，产生一些高速运动的更小粒子，这些粒子反向冲出，其巨大的推力可以推动航天器高速前进。美国亚利桑那大学的科技人员估算，装配反物质引擎的宇宙飞船可以加速到1/2光速，去往比邻星只需要8年多的时间，它可以满足人们时间上的要求。不过，飞船的重量可能高达400吨，其中需要的反物质为170吨。反物质燃料释放的能量比核反应的效率还高，产生的推力更大，是一种理想的推进方式。但是，目前科学家还不能大量生产反物质，且制造反物质的成本相当昂贵。再加上其他技术难题，利用反物质引擎做太空飞行还只是人类的一个设想。

飞往火星的反物质发动机推动的宇宙飞船，美术概念图，Credit：NASA

采用翘曲方式（阿尔库别雷驱动）航行的宇宙飞船，美术概念图，Credit：Mark Rademaker/flickr. com

阿尔库别雷（翘曲）驱动

1994年，墨西哥物理学家米格尔·阿尔库别雷（Miguel Alcubierre）根据广义相对论，提出将来人类可以制造一种驱动设备，它可以将宇宙飞船前方的时空压缩，而使得飞船后面的时空膨胀，借此可以实现快速宇宙飞行。在局部区域坐标系内飞船的运动不超过光速，由于其周围时空的变化，在更宽广的普通时空的观察者看来飞船的运动已经超过光速。从物理上讲，这种驱动需要产生负质量的物质。从原理到实际，这种驱动方式还存在大量的困难，不过，有科学家估算，通过这种驱动的宇宙飞船飞到比邻星，只需要不到4年的时间，显然这正是科学家们梦想的快速飞行方式。随着科学技术的发展，我们期望有朝一日阿尔库别雷（翘曲）驱动方式的宇宙飞船可以搭载人类在宇宙中遨游。

（责任编辑张长喜）