怎样飞向半人马座？

恒星际宇宙飞行，直到今天仍只是科幻小说、电影中的情节。现在为数不少的科学家开始探讨这种可能性，并着手设计宇宙飞船。当然，他们中一些人只是异想天开，实现的可能性不大，但是利用反物质和激光束等来实现恒星际宇宙飞行的设想，将来很有可能成为现实。

　　美国物理学家杰拉德·史密斯近十几年来一直在追寻反物质，全心贯注于用磁场把反物质“囚禁”于一种特殊容器中。史密斯此举的目的是利用反物质，将反物质作为燃料用于亚光速宇宙飞船。依靠最新的技术成果，认为实现恒星际宇宙飞行是可能的科学家不只史密斯一人，他们提出了从搭载原子反应堆、反物质反应堆的载人飞船，到利用激光束和粒子束加速到亚光速的探测器等形形色色的方案。

　　利用航天飞机不能实现恒星际宇宙飞行

　　如果前往离太阳最近的半人马座γ星的恒星际宇宙飞行能够成功，我们就能得到解开宇宙年龄等宇宙之谜的大量线索。但是航天飞机这样的化学燃料火箭加速度为1．7g，也就是只有地球重力1．7倍的加速能力。使用航天飞机要用10年时间到达4．3光年之遥的半人马座γ星，必须持续加速两个月以上，这是不可能的。为了持续加速两个月，航天飞机就得装载更多的燃料，这使它的重量之大以至根本离不开发射台。

　　不仅如此，为了用10年时间到达半人马座γ星，必须维持0．5倍以上的光速，然而随着接近光速，等在前面的一个难关便出现了，这就是“爱因斯坦狭义相对论”指出的速度越快质量越大的规律。当速度达到光速的0．75倍左右时，质量将变成1．5倍。由于质量增大推进力即使加大也无法加速，所以航天飞机必须造得尽可能轻些。

　　在恒星际宇宙飞行的情况下，需要的能量与今天的一般飞行相比简直是天壤之比。如果要让载人宇宙飞船以三分之一的光速飞行，就需要相当于让全世界发电厂工作几年的能量。如果采用原子反应堆，单位质量燃料的推进力将增大1000万倍。理论上说，可以期待的办法是用激光束照射核燃料在燃烧室内发生核聚变反应。但是为此就得建造相当复杂的反应堆，技术上是十分困难的。基于上述理由，根本不能考虑使用化学燃料火箭去实现恒星际宇宙飞行。

对反物质的期待与现实

　　杰拉德·史密斯认为，反物质能够带来解决问题的办法。反质子和正电子一类反物质，就存在于物理学家的身边。在各种各样的粒子中，存在着一类除电性相反而具有共同性质的反粒子，各种成对的粒子与反粒子一旦相遇，在释放出γ射线和π中间子及极大能量的同时将同归于尽。杰拉德·史密斯注意到成对的粒子与反粒子消失时释放的极大能量，理论上说，粒子与反粒子消失时产生的能量是核裂变和核聚变的100倍。要把一般质量为1000千克的宇宙飞船加速到0．1倍光速，经计算只需9千克的反物质燃料就够了。不过情况并不这么乐观。

　　问题之一是，怎样才能把反物质富集起来。杰拉德·史密斯在其中从事研究的位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心，在那里的巨型加速器中，10分钟里产生10亿个反质子。然而反质子以0．1倍光速（不可思议的高速）飞迸，要捕捉住它们谈何容易。史密斯在反质子的前方设置全金属箔和气体，以降低反质子的速度，力图将反质子封闭在一个用磁场构成的容器内。如果他成功了，10分钟里就能富集到100万个左右的反质子。遗憾的是，100万个反质子作为火箭燃料实在是杯水车薪微不足道，而且这项工作得不断反复进行，即便如此仍存在两个难题。

　　首先，反物质是带电性的粒子，彼此会产生排斥力，反物质的密度越高，用来约束反物质的磁场强度就越大，这就需要能让磁场强度之大超乎想象的超导材料，于是杰拉德·史密斯想到，让反质子与质子结合“制造”反氢原子，由于反氢原子不带电荷，就不需要形成超强磁场的超导材料了。

　　1996年1月，德国、意大利、瑞士等国科学家组成的国际研究小组宣布，他们利用欧洲核子研究中心的加速器，成功地制造出反氢原子。他们让反质子以高速运动，与氙气碰撞产生电子和正电子，在正电子与反质子速度相当的情况下，就能组成反氢原子。在他们的实验中，反氢原子约存在了40纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。

　　其次是数量的问题。即使建造高效率、规模巨大的反物质生产厂，要生产1克反物质就需要长得异乎寻常的时间。前面提到的国际研究小组在欧洲核子研究中心制造反氢原子，在三个星期的实验中只制造出9个，即使有了杰拉德·史密斯提出的10年内或许能问世的设施，每年也只能生产出1微克反物质，要把9千克反物质火箭燃料弄到手，必须得90亿年。

　　90亿年后，人类打算前往的目的地恒星还存在与否都不好说了。看来只利用反物质让火箭飞行的念头得放弃了。杰拉德·史密斯又提出，能否把反物质利用于核裂变和核聚变反应呢？如果利用反物质就能实现装置的小型化，让火箭便于搭载。利用反物质连续几天引发每秒钟一次相当150吨TNT当量的小爆炸，三年时间就可以把载人宇宙飞船送上冥王星。

现在我们正朝武仙座飞去……

用太阳帆不可能实现太阳系外飞行

　　杰拉德·史密斯的设想说到底，都是依靠使用燃料的火箭实现恒星际宇宙飞行。对他的设想提出质疑的人们中有一个人便是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美国航空航天局的委托，进行利用反物质可行性的研究。反物质火箭必须使搭载的反物质发生反应，将超高温能量向火箭后方喷出。波普·佛沃德的结论是，对反物质火箭来说，火箭的质量和发动机的耐热性是根本问题所在。

　　1960年，佛沃德第一次提出了撑开巨大的铝箔制成的帆，利用太阳风推进飞行──“乘坐”从太阳不断喷发出的带电粒子流，也就是“坐蹭车”的“太阳帆”的构想。但是利用太阳帆在恒星际间飞行存在重大的缺陷。离开太阳系后，带电粒子流便变得稀薄，宇宙飞船在“无风”的状态下会停驶，利用太阳帆前往其他恒星显然是不可能的。

对激光束寄以厚望

　　稍后，佛沃德了解到利用红宝石产生的激光比太阳光更明亮，于是他又产生了一个新念头：用激光束鼓起宇宙飞船的光帆由此获得推进力。由于激光束几乎不会发散，激光束可以从太阳系中射出，所以能够实行必要的操纵和管理，设备的更新也有了可能。更重要的是，宇宙飞船再没有搭载燃料的必要了，宇宙飞船便能造得更轻。在加速到亚光速的情况下，宇宙飞船的质量不大是一个非常大的优势。

　　为了把宇宙飞船送至半人马座γ星，得用激光束加速约一年，使宇宙飞船的速度达到光速的三分之一左右，此后切断激光束，宇宙飞船转入惯性飞行。在接近半人马座γ星时，光帆的外圈逐次断开，形成同心圆状的三部分，把光帆的最外侧移至宇宙飞船的前部，同时再次发射强大的激光束，于是宇宙飞船后部的光帆便被罩在强光之中，宇宙飞船便获得了制动力。当然，来自宇宙飞船身后的激光束仍照射在光帆上构成推进力。但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9倍，制动力比推进力起到更大的作用。对半人马座γ星的探测结束准备踏上归途，处在中间的环状光帆被取下，此时光帆仍在反射激光束，并使宇宙飞船获得与来路相反的推进力得以飞返地球。

　　巨大光帆的设想现实吗？

　　美中不足的是，虽然具有无须搭载燃料的优点，但是宇宙飞船依靠激光束获得的推进力实在小得无济于事，于是优点便被这缺陷抵消了。要利用激光束来实现恒星际飞行，就必须有更强有力的激光束，光帆也必须大得超出想象。

　　佛沃德认为，在水星轨道上利用太阳能设置约1000台激光发射装置，如果把这些激光束用巨型装置合为一股，那么不开发巨型激光发射装置也行。不过要获得必要的推进力，理想的激光发射装置要比现在利用太阳能的激光发射装置强大1000亿倍！而且还得在土星附近设置巨大的透镜，以纠正激光束的发散。光帆的直径必须达到1000千米之巨，真是一个想入非非的计划。但是佛沃德说，若不从大处着眼就会一事无成。

　　对于佛沃德的雄心壮志，美国明尼苏达大学的数学家埃得·贝尔布鲁诺说了这么一番话：“即使让质量为1000千克的无人探测器飞行，就需要直径1000千米的光帆和巨大的透镜，这不过是异想天开。”

粒子束对单程飞行有效？

　　贝尔布鲁诺强调，利用激光束的设想存在难以解决的难题，他更关心粒子束。重粒子，比如质子，它没有光的速度却有质量，对于推进力而言，有质量的质子比没有质量的光子更有效。

　　提出“粒子束设想”的是霍普·萨普林和达纳·安得留，他们说，宇宙飞船的光帆采用超导体制成的巨环更有效。超导体环可形成面包圈状的磁场，粒子束射向磁场就会产生推进力。可用在小行星上设置的核聚变反应堆，超高温加热而等离子体化的气体，向一定方向喷射获得粒子束。

　　粒子束的缺点是很容易扩散──由于粒子之间彼此碰撞使粒子束扩散，距离增大效率就会降低，但是仍比激光束更具推进力。根据安得留的计算，他的“粒子束设想”只需使用佛沃德构想所需能量的六分之一，就能把载人宇宙飞船加速到三分之一的光速。不过，他也遇到了难题──宇宙飞船的乘员必须耐受高达1000g的加速度。

　　在“粒子束设想”中还有一个重大的不足，前往恒星这样遥远的地方，根本不可能传递能量，也就是说有去无回。安得留自信地说，虽说是“自杀”，估计还是会有志愿者的，毕竟有了新发现，可以用他的名字命名。不过，安得留被怀疑有“封闭恐惧症”的倾向，他本人恐怕是不会去当志愿者的。

　　余下的难题和形形色色的构思

　　贝尔布鲁诺坚持认为，目前用粒子束发送无人探测器是可能的。贝尔布鲁诺现在正在构想针尖大小的探测器，要是探测器只有1克质量，以亚光速飞行，质量就是增加也不是什么大不了的事。但是针尖这么小的东西要是丢失不见了怎么办呢？能在那上面搭载通讯装置什么的吗？难题不少。

　　此外，也有人提出了利用连接黑洞和白洞的“虫洞”，以及使用反重力让时间发生弯曲高速移动等方案。近来形形色色五花八门的方案更是层出不穷。就人类目前的科技水平而言，恒星际宇宙飞行本质上是不可能的，这也说明，我们还没有掌握能实现这一梦想的具体知识和技术，人类还得像以往那样探索相当长的时间。

星际旅行的发动机

　　看过星球大战的朋友都会对帝国的领结式战斗机有印象，而领结式(TIE)这个名字就来自双离子引擎的缩写(Twin Ion Engine)，离子发动机在科幻作品中相当常见，经常被用作小型飞船的引擎。但和我们要介绍的其它种类发动机不同的是，离子发动机是一种现实的发动机，在今天，除了传统的化学火箭发动机外，就属离子发动机在宇航中的应用最广。

离子发动机的能量来自电力，可以来自太阳能电池板，或者核电池，通过从发动机尾部喷射出阳离子来推动飞船前进，所以离子发动机的驱动方式也被叫做电力驱动方式。
　　
　　目前的离子发动机的最大缺点是推重比太小，其推力只相当于一张纸对于你的手的压力，显然这样的发动机无法让飞船和探测器脱离地球的重力场，也无法携带大的负载。但这个缺点却被这种发动机在太空中的表现弥补了，由于它优越的比冲量，它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。换句话说，就是尽管传统的火箭发动机有更高的推重比，但是却以很低的比冲量把燃料在很短的时间内消耗光；而现在的离子发动机能持续运转好多月甚至数年，这样，尽管推力小，但能通过长时间的积累达到更高的总冲量(impulse，等于力的平均值与它的作用时间相乘的结果)，并最终达到更高的速度。
　　
　　提到离子发动机，就不能不提美国的深空1号探测器。虽然离子发动机过去在卫星上经常使用，但都是作为辅助发动机，用于姿态调整或者轨道维持；而深空1号第一次将离子发动机作为主发动机使用。深空1号的离子发动机也是迄今为止将电能向推力转化效率最高的，在太空中运行寿命最长的，也是比冲量最高的，比冲量超过3,000秒。

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未完待续，太多了，明天继续

我喜欢这种效果！ ^^

这种离子发动机追根溯源可以推到上个世纪的60年代，但到现在仍可以满足美国宇航局的两个目标，也就是大大减少旅程时间和初重，以低成本更快地完成行星际任务。而1998年10月24日发射的深空1号探测器的任务除了测试12项先进科技(其中包括作为主发动机的离子发动机)，就是为了完成探测小行星Braille和遥远的彗星Borrelly这样的行星际任务。在圆满完成任务后，深空1号于2001年12月18日报废。
　　





　　上图就是深空1号的离子发动机结构图。离子发动机工作的核心就是对喷出的气体进行离子化，这一般是以电子轰击的方式来实现。通过加热和电场加速的方式将电子从阴极向阳极发射并进入放电室，气体推进剂氙同样被注入放电室，并在放电室施加磁场，增加氙原子和电子碰撞的可能性。碰撞后，氙原子核周围的部分电子将被击开，使得氙原子被电离，带上正电。这种离子非常活跃并且移动得非常快。
　　
　　位于放电室后边的高压栅极将最后产生推力，方式是制造静电场，对离子生成拉力让它们向栅极方向加速，当它们通过后，速度将达到每秒31.5公里，并被集中成一个离子束最终从飞船尾部喷出去，下图就是深空1号尾部喷射出的蓝色离子火焰。
　　
　　需要注意的是，在最后阶段一个中和器收集多余的电子并把它们注入喷出的离子束，这样可以避免飞船被带上大量的负电荷。

呵呵 太长了 先顶了 :mrgreen:

boyfbi, 朋友糊弄我啊，这样燃料消耗是平方倍的，送燃料上天要消耗燃料的

　　深空1号探测器是美国宇航局新千年项目的第一艘飞船，它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量是3,300秒，每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25-32公里。深空1号由德耳塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。最初发动机只开动了4小时就突然停机，但后来恢复了运转并从此一直顺利运行，其最终的工作时间超过14,000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。而最初发射深空1号时，只计划运转200个小时以证明这种离子发动机是可行的。美国宇航局在地球上实验室中，和深空1号发动机一样的离子发动机甚至持续工作了更长的时间。

　深空1号离子发动机的工作方式只是许多方式中的一种而已，这种方式被称为Ion Engine，作为离子发动机的代表，但使用电来产生离子浆并进一步推动飞船的具体方式还有好多：

霍尔推进器(Hall Thruster)：利用轴向电场(axial electric field)来加速离子。一个辐射磁场和轴向电场相互作用来产生方位角霍尔电流(azimuthal Hall current)，这个电流部分限制电子，让放电室中电离化效率比较高。这是个在苏联发展成熟的技术，一般用于卫星姿态稳定。

脉冲离子浆推进器(Pulsed plasma thrusters，PPT) ：这种方式利用电流弧光，在固体推进剂(几乎总是用特氟隆)中产生快速而可靠的脉冲燃烧。PPT用于姿态控制效果很好，不过它是利用电来推进的系统中效率最低者之一，推进效率不到10%。

磁致离子浆动力推进器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD)：也被称为洛伦兹力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛伦兹力(磁场和电场共同对带电粒子施加的力)来推动离子。MPD技术已经在实验室中被开发出来，但对它的商业兴趣很低，尽管在理论上它能产生极高的比冲量，因为它和Ion、Hall以及PPT方式不同，不使用电级，使用电级对离子进行加速的方式会使喷出的加速流被位于出口的电子源中性化，从而减低效率。MPD可以稳定运行，也可以脉冲运行。
　　
　　可变比冲磁致离子浆火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR)：《北京青年报》2000年的一篇文章《打造星际飞船新引擎》把这个方式大大吹嘘了一番，认为是未来的方向。其实这种系统只是介于高推力低比冲的传统发动机和低推力高比冲的离子发动机之间的类型，可以在这两者之间调整参数。它也不用电极，而是在发动机前室使用电波来对氢推进剂进行离子化，然后在中室用磁场让其按自然频率绕磁场旋转，并使用无线电按照同一频率轰击，让温度上升到1千万K，再从后室把旋转变成轴向运动并释放出去。

最后，在离子化方面，日本设想用微波的方式来进行，用微波来击活推进剂气体的电子，之后就是和深空1号一样把离子聚集成束并以静电场加速喷射出去。美国宇航局也采用了日本人的办法测试了新的微波离子发动机，并得出结论认为这种方式可以让发动机工作得更久。
　　
　　上述各离子发动机的共同特点都是使用电能，利用电来直接电离，或者用电来制造磁场、电波、微波等，然后用它们来对推进剂进行离子化。所以它们也被称为电动推进发动机。
　　
　　离子发动机超长时间的持续工作固然是优点，可以逐渐积累到很高的速度，但这同样是缺点，因为这要求超长时间的持续电力供应。这要求携带一个电力供应装置，目前的方式是使用一个巨大的太阳能电池板，不仅加重重量，而且随着探测器远离太阳，其效率也不断下降。
　　
　　可以说，目前限制离子发动机发展的瓶颈因素就是电力，由于目前的太阳能电力系统缺乏效率，离子发动机的设计也就只能在低电能的基础上进行。如果我们想往外围的深空继续进发，或者运送更大的载重，就必须解决这个问题，获得更大的电能，至少应该达到以兆瓦计算的规模，而目前的深空1号最多仅仅能产生2.5千瓦，其中能提供给离子发动机的是2.1千瓦。
　　
　　对太阳能电力系统进行改进以增加太阳能的利用效率，目前唯一可预期的方式是使用纳米技术，但并不知道需要多久才能发展出有用的技术。所以对于近期来说，唯一的选择就是使用核电系统，目前的技术也能让船载核电系统产生数百千瓦的电能，而且在不远的将来能发展到兆瓦的级别。
　　
　　在核电系统中，来自原子反应堆的热量可以通过热电转化方式或者热离子转化方式变成电能，这种办法在上世纪60年代就被看作是可以让人类开拓太阳系的技术，而这个方式也有可能提供一个低成本的系统用于太空商业化。

核电系统比太阳能电力系统产生更高的电力，从而可以让离子发动机获得更高的推力，更高的比冲量。虽然推力仍旧比不上传统的火箭发动机那么高，但比冲量方面的优势则很明显，传统的化学燃料火箭发动机的比冲量是大约400秒上下，深空1号通过太阳能电力系统获得的比冲量在3,300秒左右，而利用核电系统的离子发动机可以达到13,000秒。
　　
　　由于电力充足，核电系统可以让发动机和仪器分享和调配电力。当仪器不需要电力的时候，可以把全部的电力都送给发动机，但需要读取、检测、发送信息时，可以关掉发动机，把电力都调给仪器。这就提供了节约大量重量的可能性。而最大的好处自然是核电系统即使远离太阳也不影响工作效率，从而能在深空工作。
　　
　　今年9月又有消息，对于核能的热电转换率又找到更好的办法可以进一步提高。美国加州大学在洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos)工作的科学家利用一种称为传送波发动机(traveling-wave engine)的概念，可以将热量转换成电能的效率从过去的7%提高到18%。这意味着同样的核反应堆提供的电力能够增大一倍半。
　　
　　目前的核发电机是使用热电转换方式(thermoelectric)而新办法使用热声转换方式(thermoacoustic)，具体做法是将氦气送过一叠322个不锈钢金属丝网制成的碟子，它们被叫做交流换热器，交流换热器同热源连接。而吸热设备则让氦气膨胀和收缩，这样的膨胀和收缩能产生强大的声波，这就如同大气层中闪电会导致热膨胀从而产生雷声一样。震荡的声波在发电机中就驱动活塞，产生电流。如前所述，用这样的热—声—电方式产生的电流比热—电方式效率更高。
　　
　　在核电系统方面，我们需要取得的进展不仅是需要高效率，以获得兆瓦级别的电力，还需要制造出质量轻的电力系统。而最主要的缺点是需要对核辐射进行保护，以确保船上的成员和载货不受辐射以及来自反应堆的高热的影响，这将会增加船体重量。

不过就目前来说，还没有将离子发动机用于有人驾驶的飞船的计划，而是将继续用于探测器。近期配备离子发动机的探测器的任务包括到彗星采样，探测土星环，以及在木星的卫星欧罗巴上着陆。在这些远程飞行中离子发动机将比常规火箭发动机更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任务中如果选择配备离子发动机的探测器，可以在大约5年左右的时间内取样并返回，而用传统的火箭发动机，单到达那颗彗星就需要花费9年时间。