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当人类要走出太阳系时,最有可能驾驶什么动力的飞船?

2021-10-07  科学船坞

Gliese 581c是人类发现的首颗可能适合人类居住的太阳系外行星,它距离我们20.5光年,表面可能有水,这颗星球引发了诸多美好的想象,但是想到达那里,却充满幻想。传统的火箭推进到达那里需要35万年,35万年啊,20.5光年在宇宙中不过咫尺。就算是使用速度等于3000km/s的光帆飞船,也仍需要两千年之久。宇宙这么大,人类速度又那么慢,任重而道远,充满挑战。

在过去十几年里,人类借助望远镜发现了很多太阳系外的星球,距离地球最近的是比邻星,只有4光年,这在宇宙中算是紧紧挨着的。就是这样的距离,我们现在也是可望而不可及。传统的化学燃料火箭无法胜任,还有什么办法?“太阳光帆”、“离子推进”、“星际冲压推进”、“曲率驱动引擎”。下面分别介绍一下这几种。

太阳光帆,这个大家应该不陌生。2019年6月25日,“光帆2号”发射升空,在到达预定轨道后展开部署,它是一个面积为32平方米的方形薄膜,表面光滑平整,光帆依靠光压获得推进力,在太空中由于没有阻力,持久不间断的加速度会使得飞行器到达极高的速度。在光帆2号之前的伊卡洛斯号、宇宙一号、纳米飞行-D已经验证了这项技术。原理是没问题的,关键就是如何用它来实现星际远航,要想具有较高的速度的话,光帆的展开面积肯定要足够大。

即便是面积达到七万平方米的光帆,它能够通过光压获得的推力也仅为0.034吨,若展开面积达到三百万平方米的话,就能够获得大约1.5吨的推力,这种推力就很可观了,就可以把重约5吨的载荷送到太阳系之外,当然,光帆要想具有很高的速度,就必须经历漫长的加速过程。

在初始,如果利用地面激光阵列照射展开后的光帆表面,那么就可以更快的获得速度,这种办法可以使得光帆达到极高的速度,甚至是光速的五分之一。在三体中,阶梯计划利用的是核爆产生的辐射,使得辐射帆的速度达到了光速的百分之一。

离子推进是近些年在航天领域中应用较为广泛的,在现实中,要比光帆更贴近现实。不少轨道器已经采用离子推进来调整轨道高度与自身姿态。离子推进的含义,先将气态工质电离,电离产生的离子经由强电场加速喷出,从而获得反作用力,推动航天器。如何将气态工质电离呢?还是得用电,电推进方式的一种。我国空间站天和核心舱配备了4台霍尔电推进器,这就是应用的实际例子。

目前,电推进技术正逐渐成熟,未来未必不会成为主流的太空探索动力,假以时日,技术使得电能的获得更容易,电推进完全可以做得足够大,用它来推动星际飞船也不是不可。

星际冲压引擎颇具科幻色彩,它能够实现的关键要素是核聚变推进的实现,如果聚变推进没有实现,那么它也不可能实现。星际冲压什么意思,它不要带任何工质,全靠在飞行过程中从星际介质中获得原材料来使聚变引擎工作,这种推进动力可以使航天器达到接近光速,是属于未来的星际引擎。

曲率驱动更具有未来科幻性质,大量的科幻影视剧中都提过曲率驱动,这是一种利用时空存在曲率而设计出来的推进系统,它利用的是时空的结构。1994年,墨西哥一位物理学家阿库别瑞设计出来一款超光速曲率引擎,他深度研究了爱因斯坦的广义相对论,运用其中对于时空阐述的原理,提出了阿库别瑞度规,这个度规符合爱因斯坦广义相对论的数学形式,阿库别瑞超光速引擎不受真空光速制约,可以超光速航行,不会出现钟慢尺缩效应,飞船的动质量也不会增加,飞船的时间流逝与外界观察者的时间流逝一样。

飞船的前方空间收缩,后方空间扩张,一收缩一扩张,空间的曲率变化拉动着飞船往前进。但是,实现这一设想,需要制造出来一个“曲率泡”,需要负能量来制造它,但是负能量怎么获得,未有真相。虽然阿库别瑞提出的设想在数学方程中是可行的,但在现实中,目前来看,并不具备可行性。

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