董志川 王科超

地球是人類的搖籃，但是人類不會(huì)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(yáng)系?！闭纭盎鸺浮笨邓固苟　R奧爾科夫斯基所說(shuō)的那樣：只要人類可以仰望星空，就絕不會(huì)甘于禁錮在地球上，人類遲早會(huì)征服太陽(yáng)系，并且還會(huì)走得更遠(yuǎn)，因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是星辰大海。我們將如何讓人類飛出太陽(yáng)系，向下一個(gè)恒星進(jìn)軍呢？今天我們就來(lái)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(guó)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(mèng)想。1883年，26歲的齊奧爾科夫斯基通過(guò)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(yùn)動(dòng)必須利用噴氣原理，并在之后關(guān)于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)整套理論的論文《利用噴氣式器械探測(cè)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(guò)計(jì)算，他證明了可以用多級(jí)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(jìn)劑的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)火箭的工作原理并不難理解。火箭是基于動(dòng)量守恒原理，通過(guò)給予工質(zhì)反方向的動(dòng)量，獲得前進(jìn)方向的動(dòng)量，從而使得自身在原有運(yùn)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(duì)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(guò)設(shè)計(jì)多級(jí)火箭，拋棄耗盡的燃料罐和引擎等無(wú)用的質(zhì)量，減小m，來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的入軌。

從理論上講，火箭的級(jí)數(shù)越高越好。級(jí)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(jí)數(shù)太多，每級(jí)之間的連接和分離機(jī)構(gòu)部分也要相應(yīng)增多，這也會(huì)影響火箭的整體重量和強(qiáng)度，并帶來(lái)一些復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，可靠性也會(huì)降低。所以，現(xiàn)在一般普遍采用三級(jí)火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星，第一級(jí)用于快速離開最稠密底層大氣，第二級(jí)用于抬升軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)，第三級(jí)用于積攢水平速度，抬高近地點(diǎn)。

根據(jù)火箭原理“火箭前進(jìn)的推力來(lái)自燃料的反向動(dòng)量”，在人們費(fèi)盡心思設(shè)計(jì)火箭結(jié)構(gòu)以減少火箭無(wú)用質(zhì)量時(shí)，有人卻另辟蹊徑，通過(guò)增加火箭工質(zhì)的速度vo提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量（即比沖），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(yùn)而生。與普通火箭運(yùn)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(dòng)力。等離子體火箭技術(shù)目前只能實(shí)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(guó)產(chǎn)科幻影片《流浪地球》中所描繪的等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)正是運(yùn)用該種技術(shù)。我們可以將整個(gè)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(guò)，等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(shí)，粒子的靜止質(zhì)量m，o越小，獲得的動(dòng)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(huì)獲得最大的動(dòng)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(jìn)技術(shù)才能減少物質(zhì)浪費(fèi)。

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(wú)其他方法可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。而且，存在的最大問(wèn)題是，光會(huì)把絕大部分的能量帶走，非常消耗能量。不過(guò)，在宇宙航行中有免費(fèi)的光可以被我們利用，那就是太陽(yáng)光。

太陽(yáng)光帆揚(yáng)帆遠(yuǎn)航

從15世紀(jì)開始，人類進(jìn)入大航海時(shí)代，帆船成了征服新大陸的標(biāo)識(shí)物，駕馭著帆船的船長(zhǎng)和水手，迎著貿(mào)易風(fēng)和洋流往返于新舊世界，成為那個(gè)時(shí)代的英雄。在即將開啟的星際大航海時(shí)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(huì)給物體以相應(yīng)的作用力。但這個(gè)壓強(qiáng)極小，地球附近太陽(yáng)光壓只有9×l0-6Pa。不過(guò)光帆飛船有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)：可以省掉龐大質(zhì)量的推進(jìn)劑和引擎，動(dòng)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(guò)一項(xiàng)突破攝星的計(jì)劃，希望用激光驅(qū)動(dòng)“納米飛行器”達(dá)到亞光速飛行。在劉慈欣的科幻小說(shuō)《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(duì)的構(gòu)思。

伊卡洛斯太陽(yáng)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(shí)可行的方案。已有多個(gè)航天器利用太陽(yáng)光壓產(chǎn)生的推力完成了在軌變姿、軌道修正等動(dòng)作。2010年，日本發(fā)射了“伊卡洛斯號(hào)”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(yùn)行到了距地球1.1億千米、距太陽(yáng)1.3億千米處，成為世界上首艘同時(shí)利用太陽(yáng)能電力和光子反推力進(jìn)行星際旅行的光帆宇宙飛船。

引力彈弓效應(yīng)加速飛行

國(guó)產(chǎn)科幻影片《流浪地球》讓人們對(duì)引力彈弓效應(yīng)有了深刻的印象。其實(shí)，這不僅僅是科幻作家的想象，而且是經(jīng)常被應(yīng)用到實(shí)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(yáng)系中的大行星以不同的速度繞日運(yùn)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(duì)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(yáng)作為參考系來(lái)看，航天器經(jīng)過(guò)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(shí)相對(duì)行星的速度矢量（即v=v行星V相對(duì)），從而獲得速度的改變。

1977年，美國(guó)發(fā)射的“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”探測(cè)器，便是充分利用了176年一遇的“大航路”的機(jī)遇，進(jìn)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(gè)大行星的引力彈弓效應(yīng)為自己加速，使其逃離太陽(yáng)系時(shí)的速度達(dá)到了令人匪夷所思的1.7萬(wàn)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(yáng)系，航行到了廣袤的星際空間。

黑科技層出不窮

人們對(duì)高速飛行器的追求永無(wú)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?cè)谛请H間自由穿梭，讓飛船可以安全地以快于光速幾個(gè)數(shù)量級(jí)的速度航行，瞬間跨越數(shù)百萬(wàn)光年的距離。

紀(jì)念幣：引力彈弓的原理

曲率推進(jìn)與現(xiàn)有火箭原理不同?，F(xiàn)有的物理理論中完全不存在動(dòng)量守恒之外的火箭原理。曲率推進(jìn)則是建立在“阿庫(kù)別瑞推進(jìn)模型”的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)時(shí)空本身的改造來(lái)驅(qū)動(dòng)的。這是理論物理學(xué)家米基爾·阿庫(kù)別瑞在1994年推出的模型，該模型在愛因斯坦引力場(chǎng)方程和廣義相對(duì)論的框架下，通過(guò)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(jìn)，速度甚至可以超過(guò)光速。飛船所處的區(qū)域叫作“曲速泡”，里面是一塊平坦時(shí)空，飛船在里面并非真的在移動(dòng)，而是空間的漣漪帶著它前進(jìn)，所以也不違反物理學(xué)中的“光速最快”的原則。

此外，對(duì)于未來(lái)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(jìn)在內(nèi)的種種新方式也僅停留在科幻和充滿爭(zhēng)議的理論之中，能否成為現(xiàn)實(shí)，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(shí)代已然開啟，希望聰明的你能夠在未來(lái)征服星辰大海的航行中貢獻(xiàn)力量。

? ? “旅行者2號(hào)”探測(cè)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(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。

曲率推進(jìn)：一種可以極大提高航天器速度（光速水平）的推進(jìn)方式。