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《星战7》已然霸道来袭，你怎能允许自己不懂宇宙飞船的牛X动力 2016-01-18 太空梦想
2015年3月，NASA网站刊登一篇名为《曲率引擎是真的？》的文章，该文认为在当前物理理论和技术条件下，利用曲速引擎实现光速或者超光速旅行是不可能的。然而这盆冷水刚泼完不久，5月，国内媒体纷纷报道“NASA成功试验了曲速引擎”，并声称如果该技术应用于航天领域，只需4小时就可到达月球。那么曲速引擎究竟是什么样的技术？这一概念到底是真是假？作为航天系统中最重要的推进系统，目前的分类和发展又如何呢？ 曲速引擎的真伪 事实上，早在20世纪60年代，美国科幻剧《星际迷航》中就曾出现这一概念。剧中超光速飞船的推进装置被称为曲速引擎，并设计了不同的曲速层级——飞船飞行速度与曲速（根据时空扭曲或压缩的程度，分为0-10级）层级的三次方呈倍数关系，即曲速1级刚好达到光速，2级是光速的8倍，3级是光速的27倍。无独有偶，风靡国内的科幻小说《三体》也提到了曲速引擎：一艘处于太空中的飞船，如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平，减小其曲速，那么飞船会被前方曲速更大的空间拉过去，这就是曲速引擎，可使飞船以无限接近光速的速度航行”。
按照小说和电影中的设计原理，曲速引擎是通过压缩和拉伸空间实现的。其实，《三体》中的概念相对比较保守，曲速引擎的速度只是无限接近光速，并没有违背爱因斯坦狭义相对论中光速最快的限制。但是《星际迷航》的设定似乎超越了上述限制。1994年，物理学家米基尔·阿库别瑞发表一篇论文，在广义相对论下得到了一个数学模型，被称为阿库别瑞引擎。该模型可仿造出《星际迷航》中的超光速航行工具，即曲速引擎。阿库别瑞提出可用波动方式拉伸空间，使飞船前方的空间收缩而后方空间扩张，飞船乘着空间波浪前进，这个波浪区间叫做“曲速泡”，里面是一块平坦空间，飞船在泡内并非真的移动，而是被曲速泡带着走。
依据阿库别瑞的模型，虽然曲速引擎符合爱因斯坦的场域等式，但其计算结果可能没有物理学上的意义，也不确定真的能建造这种装置。首先，该模型的推导结果中需要负质量，而负质量只是一个物理学上的假设概念，目前还没有明显的证据证明其存在。此外，这种扭曲时空的方式需要巨大能量，曾有研究估算拉伸和压缩空间的能量相当于木星的质量（根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，质量和能量是对等的），而这样大规模的质量且是负质量，可想而知其难度有多大。因此，目前曲速引擎仍然是一个假设，一个数学模型，距离实现还有非常遥远的距离。 那么国内媒体多次报道的NASA成功试验的“曲速引擎”究竟是什么呢？其实，这是一种无工质电磁推进装置，工质即推进剂。根据动量守恒定律，推进剂从发动机高速喷射出后，产生推力，而NASA这种推进装置不需工质就能产生推力，违背了动量守恒定律，虽然试验结果得到支撑，但其物理学原理还没有得到普遍认同，所以受到了比较广泛的关注，以至于有媒体将其误解为曲速引擎。
目前，该项目研究人员称，电磁推进装置的推力来自量子真空的虚粒子，相当于把普通电推进系统中的离子换成了虚粒子。不过，这一理论还需要进一步验证。 现实版火箭发动机 事实上，目前航天领域广泛应用的推进系统既不是假设中的曲速引擎，也不是仅仅停留在实验阶段的无工质电磁推进装置，而是利用工质推进的火箭发动机。航天推进系统，是一整套动力输出装置，包括发动机（或引擎）、推进剂输送系统、控制系统等，而引擎只是其中一个部分，但却是核心部分，因此引擎也习惯上常被用以指代推进系统。火箭发动机，利用不同能源将工质变为高速射流喷出后产生推力，其过程类似子弹从枪膛中高速射出后，手枪会产生一个很强的后坐力一样。根据采用的能源不同，目前，火箭发动机可分为化学推进、电力推进和核动力推进等类型。 化学推进技术，至今发展时间最长、应用范围最广的推进技术。当前世界的运载火箭和大多数卫星都采用化学发动机作为主动力。该技术利用化学反应加热推进剂使其膨胀，从发动机喷管高速喷出形成推力。按照推进剂类型，其可分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机等。 其中，液体火箭发动机的比冲（单位质量推进剂产生的冲量，用于衡量发动机效率）最高，能多次点火，也是当前航天应用和发展的主流。该类型发动机采用液体推进剂，包括四氧化二氮/偏二甲肼（二者分别是氧化剂/燃料）等常温推进剂和液氧/液氢、液氧/煤油等低温推进剂。常温推进剂在接触后就可自燃，不需单独的点火设备，易于实现多次点火，且可长期存放，对工作时间很长的卫星而言是非常必要的，而这种特征还可应用于战略导弹武器。但是常温推进剂一般都有剧毒，且在比冲上和低温推进剂相比存在劣势。因此，近年来无毒低温推进剂成为了液体火箭发动机发展的方向，尤其是航天运输系统的动力都在朝着无毒污染的液氧/液氢、液氧/煤油以及液氧/甲烷等低温推进剂发展。不过，低温推进剂温度极低（航天飞机主发动机所使用的液氢温度达到零下253摄氏度），因此也给存贮、运输和处理带来了一定难度。
固体火箭发动机则是将推进剂（氧化剂和燃料）预混并浇铸成特定形状的药柱，药柱点燃后产生推力，直到燃烧完毕才停止工作，因此不能多次点火。该类发动机的推进剂类型包括聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯（HTPB）等，具有结构简单、操作安全性高、成本低、推力大等特点，但是该发动机的比冲低。目前，其主要应用于快速机动发射的小型运载火箭、大型运载火箭的捆绑助推器以及战略导弹等。而混合推进剂火箭发动机，顾名思义采用的是固液混合推进剂——液体氧化剂和固体燃料。相比而言，混合发动机比固体发动机的比冲高，比液体火箭发动机更简单、更廉价，属两者的折中方案。 还有一类组合循环发动机，也属于化学推进类型，是用于未来可重复使用航天运输系统的前沿动力技术，这类航天推进系统可充分利用大气层内的氧气，减少携带的氧化剂重量，实现像飞机一样操作进出空间。该发动机由两种或两种以上不同类型的热力循环发动机组合而成，可充分发挥不同类型发动机的优点，实现优化组合，拓宽使用范围。例如，火箭基组合循环发动机（RBCC）是将火箭发动机和吸气式发动机组合在一起，涡轮机组合循环发动机（TBCC）是涡轮喷气发动机和双模态冲压吸气发动机的有机组合。 电推进系统，是将电能转化为工质（推进剂）动能喷射产生推力的一种技术。由于突破了传统化学推进喷射动能受限于推进剂化学内能的约束，电推进很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能，但是该类发动机所需推进剂少，工作时间长，推力非常小。通常化学火箭发动机的推力范围从几十到几千kN（千牛顿，力的单位），而部分电推进（如离子推进）的推力则是以mN（毫牛顿，1kN=1×106mN）为单位。所以，目前电推进只适合于卫星、深空探测器等长时间工作的航天器。
根据电能转化动能的方式不同，电推进类系统大致可分为电热型、静电型和电磁型。 核动力推进技术，则是利用核反应能量产生的推力，包括核热推进火箭、核脉冲推进以及聚变推进技术等。与化学推进技术类似，核热推进火箭利用核反应堆产生的能量加热推进剂，经喷管喷射后产生推力，一般都采用氢作为推进剂。事实上，上世纪60年代初，美国就曾研制了名为NERVA的核热火箭发动机，并开展了反应堆试验，但由于应用受限，该计划于1973年结束。目前，其他核动力推进技术的实现方法也各不相同，但都需要利用核反应堆的裂变和聚变反应，也都存在比较大的安全性问题。
航天推进技术除了这些类型外，其实还有很多先进的概念以及正在进行试验的方案，例如太阳帆推进技术、太空天梯等等。不过，上面提到的这三类技术已基本涵盖了目前最常见的航天引擎类型，也是当前及未来航天推进系统发展的最主要路径。目前，人类太空活动的动力仍是以化学推进技术为主，并逐步扩展电推进技术在卫星、深空探测器等航天器上的应用，而运载火箭正积极探索组合动力式推进方式，核动力技术则和其他先进推进技术一样仍处于前沿技术研究阶段，相信未来科研人员在航天推进系统的发展之路上会越走越远。 -END- |
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