踏上星辰大海的征途

董志川 王科超

地球是人類的搖籃，但是人類不會永遠(yuǎn)生活在搖籃里，開始他們將小心翼翼地沖出大氣層，然后去征服太陽系。”正如“火箭之父”康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基所說的那樣：只要人類可以仰望星空，就絕不會甘于禁錮在地球上，人類遲早會征服太陽系，并且還會走得更遠(yuǎn)，因為我們的目標(biāo)是星辰大海。我們將如何讓人類飛出太陽系，向下一個恒星進軍呢？今天我們就來了解一下目前人類有哪些征服星辰大海的技術(shù)和原理。

火箭擺脫地球的束縛

在人類的航天史上，俄國科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基的名字將被永遠(yuǎn)銘記。

“在宇宙空間中自由航行”一直是齊奧爾科夫斯基的夢想。1883年，26歲的齊奧爾科夫斯基通過自學(xué)，寫就了自己的第一篇題為《自由空間》的論文，在文中他首次提出宇宙飛船的運動必須利用噴氣原理，并在之后關(guān)于噴氣式發(fā)動機整套理論的論文《利用噴氣式器械探測宇宙空間》中，詳細(xì)闡述了火箭飛行理論，論述了將火箭用于星際交通的可能性。通過計算，他證明了可以用多級火箭飛出地球的可能，并提出了用煤油和液態(tài)氧等液體燃料代替固體燃料作為火箭推進劑的設(shè)計思想，論證了火箭采取流線形的必要性，而且畫出了火箭結(jié)構(gòu)示意圖。最重要的是，他給出了日后成為宇宙航行基本公式的火箭速度公式：v= vo×1n（m。/m。）。其中，v是火箭最終速度，vo是燃料燃燒生成的工質(zhì)相對火箭的速度，m。和mk分別是火箭初始和最終的質(zhì)量，二者之差即是消耗的燃料的質(zhì)量。在人類宇航史上，齊奧爾科夫斯基作為理論奠基人的地位由此確立。

其實火箭的工作原理并不難理解。火箭是基于動量守恒原理，通過給予工質(zhì)反方向的動量，獲得前進方向的動量，從而使得自身在原有運行速度上，獲得加速。

從公式中我們可以看到，火箭的最終速度與工質(zhì)相對火箭噴出的速度vo成正比。但是一般的火箭都使用化學(xué)燃料作為工質(zhì)，燃燒后的工質(zhì)速度只有幾千米/秒。要想使火箭的速度達(dá)到脫離地球引力的第一宇宙速度（即7.9千米/秒），需要盡可能增大mo，m，k。人們通過設(shè)計多級火箭，拋棄耗盡的燃料罐和引擎等無用的質(zhì)量，減小m，來實現(xiàn)載荷的入軌。

從理論上講，火箭的級數(shù)越高越好。級數(shù)越高，意味著拋掉的多余質(zhì)量越多，火箭的質(zhì)量比就越大，能達(dá)到的飛行速度就越快。但是級數(shù)太多，每級之間的連接和分離機構(gòu)部分也要相應(yīng)增多，這也會影響火箭的整體重量和強度，并帶來一些復(fù)雜的技術(shù)問題，可靠性也會降低。所以，現(xiàn)在一般普遍采用三級火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星，第一級用于快速離開最稠密底層大氣，第二級用于抬升軌道遠(yuǎn)地點，第三級用于積攢水平速度，抬高近地點。

根據(jù)火箭原理“火箭前進的推力來自燃料的反向動量”，在人們費盡心思設(shè)計火箭結(jié)構(gòu)以減少火箭無用質(zhì)量時，有人卻另辟蹊徑，通過增加火箭工質(zhì)的速度vo提升火箭發(fā)動機單位重量推進劑產(chǎn)生的沖量（即比沖），進而實現(xiàn)運載能力的提升。于是，等離子體火箭（又稱“可變比沖磁等離子火箭”）應(yīng)運而生。與普通火箭運用化學(xué)燃料作為工質(zhì)不同，它是使用等離子體加速器作為推力的火箭。利用核反應(yīng)堆將氬或氙轉(zhuǎn)化成高溫離子，然后用回旋加速器不斷給離子加速，最終以極大的速度從火箭尾部噴出，從而獲得動力。等離子體火箭技術(shù)目前只能實現(xiàn)極小的推力，但是已經(jīng)在一些航天器中得到應(yīng)用，有望成為下一代的航天利器。2019年春節(jié)檔期的國產(chǎn)科幻影片《流浪地球》中所描繪的等離子體發(fā)動機正是運用該種技術(shù)。我們可以將整個地球視為一枚大火箭，那么齊奧爾科夫斯基公式仍然適用。

不過，等離子體發(fā)動機仍然不是比沖最高的火箭。根據(jù)質(zhì)能方程可以得知：拋掉的燃料也是能量。愛因斯坦的能量公式：E2= P2.C2+m，0 2.C2，P是動量，c是光速，m，o是粒子的靜止質(zhì)量，E是總能量。當(dāng)總能量E不變時，粒子的靜止質(zhì)量m，o越小，獲得的動量P越大。物理中光子的靜止質(zhì)量是O，因此將能量全部轉(zhuǎn)化成電磁波輻射出去，才會獲得最大的動量，能量使用效率最高。而等離子體是原子核和電子組成的，它們的靜止質(zhì)量都不為0，因此若能將工質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為激光，利用激光推進技術(shù)才能減少物質(zhì)浪費。

目前，除了已知的正反物質(zhì)湮滅可以百分之百地將物質(zhì)轉(zhuǎn)化成輻射以外，尚無其他方法可實現(xiàn)這一點。而且，存在的最大問題是，光會把絕大部分的能量帶走，非常消耗能量。不過，在宇宙航行中有免費的光可以被我們利用，那就是太陽光。

太陽光帆揚帆遠(yuǎn)航

從15世紀(jì)開始，人類進入大航海時代，帆船成了征服新大陸的標(biāo)識物，駕馭著帆船的船長和水手，迎著貿(mào)易風(fēng)和洋流往返于新舊世界，成為那個時代的英雄。在即將開啟的星際大航海時代，利用光帆的飛船可以算是最接近傳統(tǒng)帆船形象的宇宙航行方式。

光帆的原理與帆船航行的原理類似。光同樣具有壓力，當(dāng)光子照射在物體表面被反射以后，會給物體以相應(yīng)的作用力。但這個壓強極小，地球附近太陽光壓只有9×l0-6Pa。不過光帆飛船有一個巨大的優(yōu)勢：可以省掉龐大質(zhì)量的推進劑和引擎，動力完全從外部提供，讓飛船本身的重量得到極大的削減。因此，只需要制造質(zhì)量輕、面積大的航天器，就可以獲得足夠的加速度。2016年，霍金就曾宣布過一項突破攝星的計劃，希望用激光驅(qū)動“納米飛行器”達(dá)到亞光速飛行。在劉慈欣的科幻小說《三體》之中，就有用巨大的光帆飛船快速到達(dá)數(shù)光年外的三體艦隊的構(gòu)思。

伊卡洛斯太陽帆

這些偉大的構(gòu)想和嘗試雖飽受質(zhì)疑，但并沒有任何背離基本科學(xué)原理的地方。令人驚喜的是，光帆飛船已不再是“紙上談兵”，已逐漸變成切實可行的方案。已有多個航天器利用太陽光壓產(chǎn)生的推力完成了在軌變姿、軌道修正等動作。2010年，日本發(fā)射了“伊卡洛斯號”飛船，它憑借著厚度僅為7.5微米，面積為196平方米的輕盈的巨帆，平安地運行到了距地球1.1億千米、距太陽1.3億千米處，成為世界上首艘同時利用太陽能電力和光子反推力進行星際旅行的光帆宇宙飛船。

引力彈弓效應(yīng)加速飛行

國產(chǎn)科幻影片《流浪地球》讓人們對引力彈弓效應(yīng)有了深刻的印象。其實，這不僅僅是科幻作家的想象，而且是經(jīng)常被應(yīng)用到實際航天飛行中的原理。

引力彈弓效應(yīng)的原理相當(dāng)于物體之間發(fā)生了彈性碰撞。太陽系中的大行星以不同的速度繞日運行，當(dāng)航天器靠近行星后，受它的引力影響改變軌道。航天器相對行星的速度矢量大小前后并未改變，但是方向發(fā)生了改變。以太陽作為參考系來看，航天器經(jīng)過大行星以后，速度變?yōu)樵撔行堑乃俣仁噶刊B加了航天器離開行星時相對行星的速度矢量（即v=v行星V相對），從而獲得速度的改變。

1977年，美國發(fā)射的“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器，便是充分利用了176年一遇的“大航路”的機遇，進行了“軌道優(yōu)化”。它們利用包括木星和土星在內(nèi)的數(shù)個大行星的引力彈弓效應(yīng)為自己加速，使其逃離太陽系時的速度達(dá)到了令人匪夷所思的1.7萬米/秒，成為迄今人類航行得最遠(yuǎn)的宇宙飛船。如今，它們已經(jīng)駛出了太陽系，航行到了廣袤的星際空間。

黑科技層出不窮

人們對高速飛行器的追求永無止境，各種科幻作品，如《星際旅行》系列科幻影片中出現(xiàn)的許多賦予幻想的超光速飛行器，以及《三體》和《星際迷航》中的曲率引擎等，皆是期待的目標(biāo)。它們能讓人們在星際間自由穿梭，讓飛船可以安全地以快于光速幾個數(shù)量級的速度航行，瞬間跨越數(shù)百萬光年的距離。

紀(jì)念幣：引力彈弓的原理

曲率推進與現(xiàn)有火箭原理不同。現(xiàn)有的物理理論中完全不存在動量守恒之外的火箭原理。曲率推進則是建立在“阿庫別瑞推進模型”的基礎(chǔ)上，通過對時空本身的改造來驅(qū)動的。這是理論物理學(xué)家米基爾·阿庫別瑞在1994年推出的模型，該模型在愛因斯坦引力場方程和廣義相對論的框架下，通過將空間拉伸，使飛船前方的空間收縮，而后方的空間拉伸，空間便產(chǎn)生了類似于水面上的波浪的褶皺。飛船乘著這波浪前進，速度甚至可以超過光速。飛船所處的區(qū)域叫作“曲速泡”，里面是一塊平坦時空，飛船在里面并非真的在移動，而是空間的漣漪帶著它前進，所以也不違反物理學(xué)中的“光速最快”的原則。

此外，對于未來的宇宙航行，人們還設(shè)想出了“蟲洞”、“空間折疊”等多種方式。但是，目前包括曲率推進在內(nèi)的種種新方式也僅停留在科幻和充滿爭議的理論之中，能否成為現(xiàn)實，仍需要深入研究，甚至需要物理學(xué)基本原理的突破。

新的時代已然開啟，希望聰明的你能夠在未來征服星辰大海的航行中貢獻力量。

? ? “旅行者2號”探測器利用各大行星引力彈弓效應(yīng)獲得加速。

名詞卡片

工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。

曲率推進：一種可以極大提高航天器速度（光速水平）的推進方式。