追尋新型飛船的腳步

王　嵩

1961年4月12日，蘇聯空軍少校尤里·加加林乘坐“東方”號宇宙飛船進入地球軌道，成為有史以來第一個太空人，從此人類進入了太空時代。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，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，但它們是人類的產物，代表了人類。

人類走向宇宙的過程，如同我們的祖先駛入大洋。開始的時候依靠獨木舟和小舢板在海邊摸索，進而是岸邊的小島，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來實現的，那么，今天我們看到的飛船和航天飛機能夠成為馳騁太空的明日之星嗎?

傳統化學燃料飛船的局限性

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

化學燃料能夠產生巨大的力量，但是效率卻不見得高，當距離成為太空旅行的主要矛盾時，這一點就成了致命傷。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，現在普通的火星探測器到達火星需要半年多。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到達目的地，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，到達目的地之后再減速，就像我們在高速公路上一樣。化學燃料飛船的低效率決定了它不能提供長時間穩定的加速度，因為它的胃口實在是太大了。在現有的星際探測器上，化學火箭只用作調整姿態和制動，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。當火箭把探測器送上軌道之后，探測器沿著精心設計好的軌道前進，直到某顆星球附近，探測器到這顆星球的距離不能太遠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或者下一個加速點，就像在太陽系內打水漂一樣。利用星體的引力加速是一種廉價的方式，然而也是一種費時和復雜的方式，這樣設計出來的軌道通常都很復雜，還需要精確的發射窗口，飛船要走很多彎路，花費很長的時間，例如“先驅者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，因為它需要準確地設計軌道，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無法抵達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，太陽不斷向四周發射帶電粒子流，這就是太陽風，太陽風會對物體產生作用力，不僅如此，陽光照射在物體上也會產生光壓，強度比太陽風大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。當然，要制造一面足夠巨大而又十分輕巧的光帆并非易事，不過材料科學的進步使這成為可能，未來的光帆很可能采用納米技術制造。

太陽帆已經不只是人們腦海中的構想了，2005年6月21日，美國Planetary Society公司和俄羅斯合作的“宇宙1”號飛船發射，雖然由于火箭的原因發射失敗了，但并不說明太陽帆是不可行的。“宇宙1”號是第一艘企圖以太陽光為動力的飛船，按照計劃，它被發射到預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，并進行將太陽光壓變為飛船驅動力的試驗。

離子發動機

離子發動機被認為是最有希望取代化學燃料發動機的現實技術。和燃料燃燒不同，離子發動機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。離子發動機的推力很小，僅僅和一張紙的重力差不多，但卻極為高效。在地球上離子發動機是不值一提的，但在太空中卻可以用很小的代價長時間地提供穩定的加速度。離子發動機已經得到現實應用了，1998年美國發射的“深空1”號探測器就以離子發動機作為主動力，“深空1”號的離子發動機創造了電能向推力轉化效率的紀錄。

離子發動機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，把太陽帆和離子發動機結合起來就有可能創造出一種新的星際航行方式。洛杉磯大學的一名教授提出了這種設想，通過把太陽帆換成巨大的太陽能電池陣，可以給離子發動機提供充足的能源，這樣到達冥王星只需一年時間。當然，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境是非常險惡的，除了有先進的發動機，還需要在出現故障的時候能夠及時修復，就像在地理大發現時代一樣，水手們要隨時對出現問題的船只進行修理。現在，科學家們甚至開始設想建造具有部分自修復功能的飛船，這樣飛船在太空惡劣環境下的生存能力將大大提高。飛船在太空會經常受到一些微粒撞擊，或者由于溫度變化產生一些小裂紋，裂紋擴展到一定程度就會危及飛船安全。科學家們設想在飛船結構的復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生小裂紋，這些樹脂就流出來修復這些小裂紋。這種修復原理類似于軍用飛機上采用的自密封油箱。

不管是什么飛船，缺點都是明顯的。太陽光只在太陽系內有足夠的強度，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。

不管技術多么先進，星際旅行總是漫長和孤獨的，目前的技術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，這是最有可能出現第二個太陽系文明的地方，是無數科幻小說中人類飛出太陽系之后的首選目的地。如果飛船達到三分之一光速，到達那里也需要十多年。人類能夠經受住這樣的考驗嗎?

答案是肯定的，麥哲倫環球航行花了三年，并且付出了生命。帶領人前往茫茫宇宙的，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。

[責任編輯]唐宇