徐大富

2019年春節(jié)檔最火爆的電影非《流浪地球》莫屬，票房已經(jīng)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(chuàng)作團隊對相關(guān)航天技術(shù)方面做了大量功課，整部電影中有著豐富的場景展現(xiàn)。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(yè)的角度，向家人和朋友科普行星發(fā)動機、空間站和引力彈弓等航天知識。

行星發(fā)動機為啥是核動力的？

電影中，為了驅(qū)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(fā)動機。發(fā)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(jìn)行核聚變反應(yīng)，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(jìn)。行星發(fā)動機為啥采用核動力？航天飛行中使用的發(fā)動機有化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、脈沖爆震、核動力（核熱推進(jìn)、核聚變推進(jìn)）等多種形式，更科幻的還有反物質(zhì)推進(jìn)等概念。對于發(fā)動機，推力和比沖是兩個重要的參數(shù)，使用最多的化學(xué)推進(jìn)推力比較大、比沖相對較低，這就導(dǎo)致航天器需要攜帶大量推進(jìn)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(xué)推進(jìn)中比沖最高的是液氫液氧發(fā)動機，美國的RL-10B發(fā)動機真空比沖可以達(dá)到466.8s。星際飛行需要大比沖的推進(jìn)方式，電推進(jìn)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(jìn)是未來較為理想的動力模式。核動力主要包含核熱推進(jìn)和核聚變推進(jìn)兩種，核熱推進(jìn)是利用核裂變的熱能將工質(zhì)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(chǎn)生推力的火箭發(fā)動機系統(tǒng)。美國的NERVA型核熱發(fā)動機和俄羅斯的RD -0410型核熱發(fā)動機都做出了試驗樣機，進(jìn)行了除飛行試驗之外的大量試驗。核聚變推進(jìn)原理是兩個輕核聚合在一起，由于生成核的質(zhì)量比原始兩核子的質(zhì)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(fā)動機比沖可以高達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于后三者。

空間站為啥是摩天輪形的？

電影中的“領(lǐng)航員”空間站是一個摩天輪形狀、圍繞中心自轉(zhuǎn)的構(gòu)型，與現(xiàn)實中的空間站差別比較大，受限于現(xiàn)有的技術(shù)水平和空間運輸能力，現(xiàn)有的空間站都是核心艙連接另外幾個艙段，串聯(lián)和并聯(lián)形成“十”字型構(gòu)型。摩天輪式的空間站在科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)，它的主要優(yōu)點是通過旋轉(zhuǎn)離心力創(chuàng)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(shè)計了一個直徑76米、轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)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(jìn)行過一項名為“鸚鵡螺”的概念研究，設(shè)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(xiàn)改變速度方向和大小的一種靈活的、不消耗推進(jìn)劑的方式。到目前為止，人類發(fā)射的所有深空探測器都利用過行星引力進(jìn)行飛行。當(dāng)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(biāo)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?zāi)菢铀Τ鋈?，從而獲得速度增量。當(dāng)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(wèi)星、甚至直接撞擊的可能。引力彈弓效應(yīng)在現(xiàn)實中真的參與過“救援行動”，阿波羅13號登月任務(wù)中，飛船前往月球途中發(fā)生意外爆炸導(dǎo)致氧氣泄漏，三名宇航員不得不進(jìn)行緊急撤離。救援方案是進(jìn)入地月自由返回軌道，巧妙利用月球的引力彈弓效應(yīng)，完成轉(zhuǎn)彎并返回地球，走出了一個“8”字型軌跡，最終成功返回地球。