踏上星辰大海的征途

董志川 王科超

地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里，开始他们将小心翼翼地冲出大气层，然后去征服太阳系。”正如“火箭之父”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基所说的那样：只要人类可以仰望星空，就绝不会甘于禁锢在地球上，人类迟早会征服太阳系，并且还会走得更远，因为我们的目标是星辰大海。我们将如何让人类飞出太阳系，向下一个恒星进军呢？今天我们就来了解一下目前人类有哪些征服星辰大海的技術和原理。

火箭摆脱地球的束缚

在人类的航天史上，俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的名字将被永远铭记。

“在宇宙空间中自由航行”一直是齐奥尔科夫斯基的梦想。1883年，26岁的齐奥尔科夫斯基通过自学，写就了自己的第一篇题为《自由空间》的论文，在文中他首次提出宇宙飞船的运动必须利用喷气原理，并在之后关于喷气式发动机整套理论的论文《利用喷气式器械探测宇宙空间》中，详细阐述了火箭飞行理论，论述了将火箭用于星际交通的可能性。通过计算，他证明了可以用多级火箭飞出地球的可能，并提出了用煤油和液态氧等液体燃料代替固体燃料作为火箭推进剂的设计思想，论证了火箭采取流线形的必要性，而且画出了火箭结构示意图。最重要的是，他给出了日后成为宇宙航行基本公式的火箭速度公式：v= vo×1n（m。/m。）。其中，v是火箭最终速度，vo是燃料燃烧生成的工质相对火箭的速度，m。和mk分别是火箭初始和最终的质量，二者之差即是消耗的燃料的质量。在人类宇航史上，齐奥尔科夫斯基作为理论奠基人的地位由此确立。

其实火箭的工作原理并不难理解。火箭是基于动量守恒原理，通过给予工质反方向的动量，获得前进方向的动量，从而使得自身在原有运行速度上，获得加速。

从公式中我们可以看到，火箭的最终速度与工质相对火箭喷出的速度vo成正比。但是一般的火箭都使用化学燃料作为工质，燃烧后的工质速度只有几千米/秒。要想使火箭的速度达到脱离地球引力的第一宇宙速度（即7.9千米/秒），需要尽可能增大mo，m，k。人们通过设计多级火箭，抛弃耗尽的燃料罐和引擎等无用的质量，减小m，来实现载荷的入轨。

从理论上讲，火箭的级数越高越好。级数越高，意味着抛掉的多余质量越多，火箭的质量比就越大，能达到的飞行速度就越快。但是级数太多，每级之间的连接和分离机构部分也要相应增多，这也会影响火箭的整体重量和强度，并带来一些复杂的技术问题，可靠性也会降低。所以，现在一般普遍采用三级火箭发射人造地球卫星，第一级用于快速离开最稠密底层大气，第二级用于抬升轨道远地点，第三级用于积攒水平速度，抬高近地点。

根据火箭原理“火箭前进的推力来自燃料的反向动量”，在人们费尽心思设计火箭结构以减少火箭无用质量时，有人却另辟蹊径，通过增加火箭工质的速度vo提升火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量（即比冲），进而实现运载能力的提升。于是，等离子体火箭（又称“可变比冲磁等离子火箭”）应运而生。与普通火箭运用化学燃料作为工质不同，它是使用等离子体加速器作为推力的火箭。利用核反应堆将氩或氙转化成高温离子，然后用回旋加速器不断给离子加速，最终以极大的速度从火箭尾部喷出，从而获得动力。等离子体火箭技术目前只能实现极小的推力，但是已经在一些航天器中得到应用，有望成为下一代的航天利器。2019年春节档期的国产科幻影片《流浪地球》中所描绘的等离子体发动机正是运用该种技术。我们可以将整个地球视为一枚大火箭，那么齐奥尔科夫斯基公式仍然适用。

不过，等离子体发动机仍然不是比冲最高的火箭。根据质能方程可以得知：抛掉的燃料也是能量。爱因斯坦的能量公式：E2= P2.C2+m，0 2.C2，P是动量，c是光速，m，o是粒子的静止质量，E是总能量。当总能量E不变时，粒子的静止质量m，o越小，获得的动量P越大。物理中光子的静止质量是O，因此将能量全部转化成电磁波辐射出去，才会获得最大的动量，能量使用效率最高。而等离子体是原子核和电子组成的，它们的静止质量都不为0，因此若能将工质全部转化为激光，利用激光推进技术才能减少物质浪费。

目前，除了已知的正反物质湮灭可以百分之百地将物质转化成辐射以外，尚无其他方法可实现这一点。而且，存在的最大问题是，光会把绝大部分的能量带走，非常消耗能量。不过，在宇宙航行中有免费的光可以被我们利用，那就是太阳光。

太阳光帆扬帆远航

从15世纪开始，人类进入大航海时代，帆船成了征服新大陆的标识物，驾驭着帆船的船长和水手，迎着贸易风和洋流往返于新旧世界，成为那个时代的英雄。在即将开启的星际大航海时代，利用光帆的飞船可以算是最接近传统帆船形象的宇宙航行方式。

光帆的原理与帆船航行的原理类似。光同样具有压力，当光子照射在物体表面被反射以后，会给物体以相应的作用力。但这个压强极小，地球附近太阳光压只有9×l0-6Pa。不过光帆飞船有一个巨大的优势：可以省掉庞大质量的推进剂和引擎，动力完全从外部提供，让飞船本身的重量得到极大的削减。因此，只需要制造质量轻、面积大的航天器，就可以获得足够的加速度。2016年，霍金就曾宣布过一项突破摄星的计划，希望用激光驱动“纳米飞行器”达到亚光速飞行。在刘慈欣的科幻小说《三体》之中，就有用巨大的光帆飞船快速到达数光年外的三体舰队的构思。

伊卡洛斯太阳帆

这些伟大的构想和尝试虽饱受质疑，但并没有任何背离基本科学原理的地方。令人惊喜的是，光帆飞船已不再是“纸上谈兵”，已逐渐变成切实可行的方案。已有多个航天器利用太阳光压产生的推力完成了在轨变姿、轨道修正等动作。2010年，日本发射了“伊卡洛斯号”飞船，它凭借着厚度仅为7.5微米，面积为196平方米的轻盈的巨帆，平安地运行到了距地球1.1亿千米、距太阳1.3亿千米处，成为世界上首艘同时利用太阳能电力和光子反推力进行星际旅行的光帆宇宙飞船。

引力弹弓效应加速飞行

国产科幻影片《流浪地球》让人们对引力弹弓效应有了深刻的印象。其实，这不仅仅是科幻作家的想象，而且是经常被应用到实际航天飞行中的原理。

引力弹弓效应的原理相当于物体之间发生了弹性碰撞。太阳系中的大行星以不同的速度绕日运行，当航天器靠近行星后，受它的引力影响改变轨道。航天器相对行星的速度矢量大小前后并未改变，但是方向发生了改变。以太阳作为参考系来看，航天器经过大行星以后，速度变为该行星的速度矢量叠加了航天器离开行星时相对行星的速度矢量（即v=v行星V相对），从而获得速度的改变。

1977年，美国发射的“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器，便是充分利用了176年一遇的“大航路”的机遇，进行了“轨道优化”。它们利用包括木星和土星在内的数个大行星的引力弹弓效应为自己加速，使其逃离太阳系时的速度达到了令人匪夷所思的1.7万米/秒，成为迄今人类航行得最远的宇宙飞船。如今，它们已经驶出了太阳系，航行到了广袤的星际空间。

黑科技层出不穷

人们对高速飞行器的追求永无止境，各种科幻作品，如《星际旅行》系列科幻影片中出现的许多赋予幻想的超光速飞行器，以及《三体》和《星际迷航》中的曲率引擎等，皆是期待的目标。它们能让人们在星际间自由穿梭，让飞船可以安全地以快于光速几个数量级的速度航行，瞬间跨越数百万光年的距离。

纪念币：引力弹弓的原理

曲率推进与现有火箭原理不同。现有的物理理论中完全不存在动量守恒之外的火箭原理。曲率推进则是建立在“阿库别瑞推进模型”的基礎上，通过对时空本身的改造来驱动的。这是理论物理学家米基尔·阿库别瑞在1994年推出的模型，该模型在爱因斯坦引力场方程和广义相对论的框架下，通过将空间拉伸，使飞船前方的空间收缩，而后方的空间拉伸，空间便产生了类似于水面上的波浪的褶皱。飞船乘着这波浪前进，速度甚至可以超过光速。飞船所处的区域叫作“曲速泡”，里面是一块平坦时空，飞船在里面并非真的在移动，而是空间的涟漪带着它前进，所以也不违反物理学中的“光速最快”的原则。

此外，对于未来的宇宙航行，人们还设想出了“虫洞”、“空间折叠”等多种方式。但是，目前包括曲率推进在内的种种新方式也仅停留在科幻和充满争议的理论之中，能否成为现实，仍需要深入研究，甚至需要物理学基本原理的突破。

新的时代已然开启，希望聪明的你能够在未来征服星辰大海的航行中贡献力量。

    “旅行者2号”探测器利用各大行星引力弹弓效应获得加速。

名词卡片

工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

曲率推进：一种可以极大提高航天器速度（光速水平）的推进方式。