《流浪地球》中的航天知識解析

徐大富

2019年春節檔最火爆的電影非《流浪地球》莫屬，票房已經突破40億，這部中國科幻電影里程碑式作品改編自劉慈欣的同名小說，為了打造中國第一部真正的硬科幻電影，可以看出創作團隊對相關航天技術方面做了大量功課，整部電影中有著豐富的場景展現。對于我等一眾從事航天科研的理工男女來說，和電影的酷炫場景一樣激動人心的是：看完電影我們終于有機會從專業的角度，向家人和朋友科普行星發動機、空間站和引力彈弓等航天知識。

行星發動機為啥是核動力的？

電影中，為了驅動地球逃離太陽系、踏上尋找新落腳點的流浪之旅，人類在地球上建造了一萬座行星發動機。發動機利用真空巖石重核聚變作為動力源，具體來說就是利用硅元素進行核聚變反應，獲得高溫高壓等離子流，高能等離子流通過定向噴射的反作用力推動地球前進。行星發動機為啥采用核動力？航天飛行中使用的發動機有化學推進、電推進、脈沖爆震、核動力（核熱推進、核聚變推進）等多種形式，更科幻的還有反物質推進等概念。對于發動機，推力和比沖是兩個重要的參數，使用最多的化學推進推力比較大、比沖相對較低，這就導致航天器需要攜帶大量推進劑，比重甚至占到總重的90%以上，不適合長航時的星際飛行。目前常見的化學推進中比沖最高的是液氫液氧發動機，美國的RL-10B發動機真空比沖可以達到466.8s。星際飛行需要大比沖的推進方式，電推進雖然比沖較大（1200～3000s），但是推力量級仍然在1N以下、不足以推動大型航天器，同時具有大推力、大比沖的核推進是未來較為理想的動力模式。核動力主要包含核熱推進和核聚變推進兩種，核熱推進是利用核裂變的熱能將工質加熱到很高的溫度，然后通過收縮擴張噴管加速到超音流而產生推力的火箭發動機系統。美國的NERVA型核熱發動機和俄羅斯的RD -0410型核熱發動機都做出了試驗樣機，進行了除飛行試驗之外的大量試驗。核聚變推進原理是兩個輕核聚合在一起，由于生成核的質量比原始兩核子的質量小而釋放出的能量，核聚變理想的燃料是氘一氦3或者氘一氚組合，發動機比沖可以高達5000s甚至10000s以上。電影中使用硅而不使用氘、氚、氦3，主要是來源于巖石的硅原料制備難度遠遠低于后三者。

空間站為啥是摩天輪形的？

電影中的“領航員”空間站是一個摩天輪形狀、圍繞中心自轉的構型，與現實中的空間站差別比較大，受限于現有的技術水平和空間運輸能力，現有的空間站都是核心艙連接另外幾個艙段，串聯和并聯形成“十”字型構型。摩天輪式的空間站在科幻電影中經常出現，它的主要優點是通過旋轉離心力創造出“人工重力”，減少長期失重對宇航員健康造成的不利影響。馮·布勞恩很早就提出過這種想法，設計了一個直徑76米、轉速為3轉每分鐘的航天器，能提供人造重力約為地球重力的1/3。NASA前幾年進行過一項名為“鸚鵡螺”的概念研究，設計了一個帶有輪型的離心重力艙，可供宇航員星際旅行時居住。

引力彈弓是咋回事？

引力彈弓是航天器飛行過程中借助于較大天體的引力實現改變速度方向和大小的一種靈活的、不消耗推進劑的方式。到目前為止，人類發射的所有深空探測器都利用過行星引力進行飛行。當年的旅行者一號、二號就借助了木星的引力彈弓，獲得了極高的速度飛向目標軌道。正如電影中所說，地球接近木星時，木星引力會使地球加速，然后向擲鐵餅那樣甩出去，從而獲得速度增量。當然，地球的速度不能太小、距離也不能太近，否則有被木星捕獲成為其衛星、甚至直接撞擊的可能。引力彈弓效應在現實中真的參與過“救援行動”，阿波羅13號登月任務中，飛船前往月球途中發生意外爆炸導致氧氣泄漏，三名宇航員不得不進行緊急撤離。救援方案是進入地月自由返回軌道，巧妙利用月球的引力彈弓效應，完成轉彎并返回地球，走出了一個“8”字型軌跡，最終成功返回地球。