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浏览次数:121 时间:2019-07-06

在科幻小说里,人类是注定要上太空的,无论是因为地球的生存空间不够,还是人类内心深处的那种探索未知的欲望。然而现实世界的人类只能勉强到月球上而已,而且近四十年来都没有再回去过,只能在离地数百公里的近地轨道中徘徊,但如果这个系列告诉了我们什么的话,那就是科幻小说差不多是世上最准的预言书了,因此小姜并不怀疑人类会有「Boldly go where no one has gone before」的一天。打造一艘宇宙飞船对现在的科技来说挑战还是太多了,从动力系统,到维生,到通讯,到乘客的生理心理健康,有非常多的面向可以讨论,但小姜准备把重点放在动力系统上,因为相较之下其它的都还算好解决,或甚至可以说动力系统如果够好的话,其它几样的相对负担就会低得多(想象一下飞机上和船上的乘客对食物的需求量)。目前人类已经掌握技术和理论上可行,但尚未掌握的推进技术有许多种,但在谈这些技术前,小姜想先分析一下从地球到宇宙的尽头,所需要的四种不同的宇宙飞船:第 一种,是爬出地球的重力井,进入宇宙所要用的宇宙飞船,也是目前大部份在用的宇宙飞船。这个部份要求的是强大的瞬间爆发力,将飞行载具加速到地球的脱逃速率。技术上,目前的主流是化学能的火箭 -- 无论是从地面直接发射,还是靠飞机 带到大气层上缘,再用火箭飞完剩余的部份 -- 但用化学能不仅危险(基本上就是把自已绑在颗大炸弹上),而且准备这些燃料在资源上是很大的浪费。但这部份是非做不可的,只有当人类在外层空间建立了桥头堡之后,才有可能从比较浅的重力井中获得进一步发展的原料。目前听起来化学能火箭最可行的替代方案有两个,一个是太空电梯,另一个是电磁炮。第二种,是在太阳系内使用的宇宙飞船。短时间的爆发力在这里帮助不大,这种宇宙飞船需要有一定的速度,但也不须要太高。虽然化学能在这里是能使用的,但在初始的加速后,接下来大部份的时间宇宙飞船都在定速滑行,并不是很有效率。现行的技术前往太阳系各处都要数年到十数年的时间不等,但随着科技的进步,希望这个数字可以降低到数周,最多不超过数个月。第三种,是前往邻近的星球。这类的宇宙飞船动力最好是要能持续提供的,以维持固定的加速,而且宇宙飞船本身还要有减速的能力,并在抵达目的地之后,还要能回头。第四种,是星际旅行,直到宇宙的尽头。这种就无所谓了,引擎开到底,冲吧!

史上最大的两架化学能火箭 -- 左边是阿波罗计划的 Saturn V,右边是苏联的 N-1。四次 N-1 发射皆失败。化学能宇宙飞船- 是目前绝大部份宇宙飞船的动力源,主要是靠化学反应产生的爆炸的反作用力,推动宇宙飞船飞行。化学能宇宙飞船最大的缺点,就是每单位质量产生的推力(称为 Specific Impulse)并不高,看起来凶猛,但一下子就烧光了。所以化学能宇宙飞船相当适合作为逃脱地球重力井的手段(短时间内须要大量的加速度),在太阳系中也算是有用,但要靠化学能宇宙飞船进行星际旅行,却是力有未逮了。Saturn V

美国海军试射电磁炮电磁炮- 电磁炮靠强大的电磁铁加速物体,被加速物体的速度理论上是没有上限的,只要有能量,和一根很长的炮管,就能将宇宙飞船加速到可以脱离地心引力的程度,然后直 接射上太空,或是建在太空中,直接将宇宙飞船射向目的地的星球。这种方式的最大问题,就是加速度会非常猛,可能有上百 G 之谱 -- 快是快没错,但没有多少东西能撑得过这么高的加速度吧?人类是肯定不行的 :p。因为电磁炮只有在炮管中的那一段短短的时间有加速度,离开之后就是定速飞行,所以不适合星际旅行。

不怎么清楚的离子推进器影片(毕竟是 98 年拍的)离子推进器 - 离子推进器已经研发了许久,是一种低推力,但高效率的引擎,一启动之后可以持续提供推力数年之久,因此适合太阳系内的长途旅行。离子推进器有很多种,但基本上的原理,是先将携带的燃料离子化,再靠着产生出来的电磁场,将这个离子从引擎后方推出去,产生动力。离子推进器除了燃料携带有限之外,将燃料离子化的过程也需要相当程度的能量。在太阳系内离子化燃料的能量可以来自于太阳能板,但长途星际旅行的话,宇宙飞船还必须要携带这部份所需的燃料,因此离子引擎也不适合星际旅行。Deep Space 1

太阳帆张开的假想影片太阳帆- 太阳帆是在太空中张开一面大铝箔当作「帆」来提供动力的技术。很多人都以为太阳帆是以太阳风为动力的,其实不然。太阳风(由太阳上层吹出的电浆)的确是能推动宇宙飞船,但和太阳帆真正的动力源 -- 阳光的幅射压 -- 相比,只有其 1/5000,因此太阳帆主要的动力源就是阳光。太阳帆宇宙飞船不需要自带燃料,因此虽然幅射压提供的推力不大,还是足以推动小型的宇宙飞船,可惜距离太阳愈远,幅射压就愈弱,因此单纯的太阳帆只适合在太阳系内使用。想用太阳帆做星际旅行的话,有科学提出可以在太空中建造巨型的激光光数组,由巨型的太阳能板提供能源。如此一来旅行中的宇宙飞船就有了持续的动力源,据估计可以如此加速到 1/3 光速之谱。唯一的问题,就是宇宙飞船的回程要靠在目的地建立另一组激光才行,麻烦啊!Cosmos 1美高梅APP 1核子脉冲动力- 或应该叫它「核弹动力」才对?这种推进方式,是在宇宙飞船后方引爆迷你核弹,宇宙飞船再「骑」着爆炸产生的震波向前加速。这种宇宙飞船的想法很好,同时拥有高推力和高 Specific Impulse,但核弹?这两个字一出现,就注定了核子脉冲动力火箭很难有成真的一天。不过科学家还是不排除以核子脉冲动力火箭作为星际宇宙飞船动力的可能性,理论上可以将直径 400m,质量 8,000,000 吨的宇宙飞船推到 1/10 光速 -- 在这种速度下,到最近的星球大约要 44 年。Carl Sagan 认为,这是个消耗人类核弹库存的好办法 XD。Project Orion反物质引擎(II、III、IV) - 人类目前还没有掌握反物质火箭的技术 -- 严格来说,人类手上连反物质也没有几颗,但反无质无敌高的能量密度,让反物质成为相当诱人的发展方向。在合理的能源利用效率下,据信 4mg的反物质就足以将宇宙飞船在数周内送到火星,但问题是依现有的技术生产起反物质实在太困难了,要有足够的产量供宇宙飞船常态使用,还有很长一段路要走。美高梅APP 2巴萨德冲压引擎- 巴萨德冲压引擎的想法,是利用一个巨型的电磁场「网」收集太空中的氢气,再将这些氢气进行核融合反应,产生动力。当然这样的描述是过于简单了,但基本上收集的氢气量足不足够是关键,如果能维持 1G 的加速度的话,一年就能加速到 77% 光速。不过这东西还很遥远,毕竟人类连核融合的技术都还没掌握呢 XD。Bussard Ramjet美高梅APP 3曲速引擎(Alcubierre Drive)- 这大概是少数科幻能直接跟科学结合在一起的例子吧 XD。墨西哥物理学家 Miguel Alcubierre 从 Star Trek 中获得灵感,想用数学的方式试试看 Star Trek 中的曲速引擎(Warp Drive)是不是真的可行的,结果还真的在 1994 年被他算出了一个不违反现在物理定律的解来。简单来说,Alcubierre Drive 是在宇宙飞船的周围形成一个扭曲空间的泡泡,以压缩泡泡前方的空间,同时拉长泡泡后面的空间以达到移动的效果。理论上这样的系统是可以超光速的,但是如果产生出这样的一个泡泡目前还未知。有一说是建立这样的引擎须要「奇异物质」、有一说进了泡泡内的物质永远都出不来,也有一说是需要一个曲速泡泡才能产生一个曲速泡泡(即现实中这是办不到的)。无论如何,这都是个非常理论性的太空航行方式,但好想要它实现啊 XD。Alcubierre Drive

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