未来星际飞行的10项新技术

时间:20-05-16 栏目:天文科学 作者:wenkula 评论:0 点击: 201 次




离子推进器


1961年,苏联宇航员尤里•加加林成为人类进入太空第一人。8年以后,美国宇航员尼尔•阿姆斯特朗和巴茨•奥尔德林成功地登上了月球的表面。这是至今为止人类所到过的最远距离。


除了经济预算和政治意愿等问题以外,主要的障碍是目前的化学燃料火箭无法用于长距离的深空飞行。虽然已经可以把机器人探测器送往太阳系外行星,但它们需要几年时间才能到达那里。


至于造访其他的恒星,可以说是不可能的。例如美国的“阿波罗10号”宇宙飞船是迄今速度最快的载人航天器,其最高速度达到了每小时39895公里。但即使以这个速度飞行,那么到达距离地球最近的恒星系统——4光年远的半人马座阿尔法星系,也需要12万年的时间。


因此,如果人类真的想进行深空星际旅行并且前往比半人马座阿尔法星系更遥远的地方,那么就需要采用一些新的技术。下面就是专家们提出的未来星际飞行的10项新技术。这些技术范围广泛,其可行性大不相同,其中一些也许不久就能够实现,而有一些也许根本就不可能实现。


离子推进器


常规火箭是通过尾部喷出高速的热气体来产生推力的。离子推进器采用相同的原理,但与喷射高温气体不同,它所喷出的是一束带电粒子或离子。离子推进器产生的推力虽然比较小,但关键的一点是,产生相同的推力所需的燃料,离子推进器要比常规火箭少得多。只要离子推进器能够长期稳定地工作,最终也能够把飞行器加速到极高的速度。


目前一些航天器已经使用了离子推进器,例如日本的“隼鸟” 号小行星探测器和欧洲航天局的SMART-1月球探测器,而且这一技术也正在逐步地完善。


未来最有希望成为更远太空旅行飞船推进器的,可能就是可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)。与通常采用强电场加速离子的离子推进器有所不同,VASIMR使用射频发生器(而不是像用于无线电广播的发射器),把离子加热到100万摄氏度。


VASIMR的工作原理是:在强大的磁场中,离子会以固定的频率旋转,将射频发生器调谐到这个频率,为离子注入额外的能量,从而大幅度增加推力。初步的测试结果相当好。专家们认为,如果一切顺利,VASIMR将能够推动载人飞船在39天内到达火星。


可行性:数年后可能实现。


核脉冲推进技术


这种技术的基本思想是:在推进火箭的尾部定期扔出一个核弹,用作推动力的来源。


美国国防部高级研究计划局(DARPA)曾经于1955年在代号为“猎户座计划”的项目中认真地研究了核脉冲推进,其目的是设计出一种快速的星际旅行方案。即使按照今天的标准来看,DARPA的设计也非常“巨大”,它需要建造一个很大的减震器,外加一个用于保护乘客的辐射防护罩。这种方案看起来可行,但它可能会对大气层造成严重的辐射问题。当首批核试验禁令颁布以后,这一计划最终于20世纪60年代被取消。


尽管存在许多担忧,一些科学家仍然在继续提出新的核脉冲推进方案。从理论上来说,一艘由核弹驱动的飞船速度可以达到光速的十分之一,以这样的速度到达最近的恒星只需要40年。


可行性:完全有可能实现,但存在风险。


核聚变动力火箭


除了核脉冲推进,还有其他依靠核能的推进技术。例如,在火箭上安装一个裂变反应堆,利用其产生的热量来喷射气体提供推力,这就是核裂变动力火箭。但是就威力而言,核裂变动力火箭根本无法和核聚变动力火箭相比。


在核聚变反应中,核子被迫进行聚合从而产生巨大的能量。大多数的核聚变反应堆都是利用被称为“托卡马克”的装置,将燃料限制在一个磁场之中来驱动聚变反应的。但是,托卡马克装置极为笨重,并不适用于火箭。因此,核聚变动力火箭必须采用另一种触发聚变的方法,即惯性约束核聚变。这种设计以高功率能量束(通常是激光)来取代托卡马克装置中的磁场,通过剧烈引爆小颗粒燃料导致外层爆炸,进而推动内层物质触发核聚变。当核聚变反应发生后,磁场会引导所产生的高温离子从火箭尾部喷出,实现核聚变火箭的推进力。


在20世纪70年代,英国星际学会详细地研究了这一类型的核聚变动力火箭,它们可以在50年内(对于人类来说这一时间跨度尚可承受)把人类送往另一颗恒星。


美中不足的是,尽管研究人员已经努力了几十年,但是至今还没有一个可以工作的核聚变反应堆。


可行性:有可能,但最少还要几十年。


巴萨德冲压式喷气发动机


所有的火箭,包括核聚变动力火箭,都存在一个相同的关键难题:为了获得更高的加速度,就必须携带更多的燃料,这就会使火箭变得更重,最终又降低了加速度。因此,如果真想进行星际旅行,就应该避免携带任何燃料。


1960年美国物理学家罗伯特•巴萨德提出的冲压式喷气发动机,或许可以解决这一难题。它的原理和上述核聚变动力火箭一样,但是它并不需要携带核燃料,它首先是将周围太空中的氢物质进行电离,然后利用强大的磁场吸收这些氢离子作为燃料。


虽然冲压式喷气发动机没有上述核聚变动力火箭中的反应堆问题,但是它所面临的是磁场大小的问题。由于星际空间中氢物质很少,因此它的磁场必须要足够大才行,甚至要延伸到数百乃至数千公里之外。除非是发射前进行精密的计算,设计出飞船飞行的精确轨道,这样就不需要巨大的磁场。不过这种想法又出现另外一个问题,那就是飞船必须要按既定轨道飞行,不得偏离,而且也使得往返其他恒星变得极为困难。


可行性:存在巨大的技术挑战。


太阳帆


这是另一项不需要携带足够燃料并且可以达到极高速度的技术,不过它需要一个时间过程。


正如传统的利用地球大气层中风能的风帆,太阳帆汲取的是太阳光中的能量。太阳帆推进技术已经在地球上的真空室中成功地进行了测试,但在太空轨道上的测试却遭到不幸。例如,2005年,总部设在加利福尼亚州帕萨迪纳的美国行星协会订制的世界第一艘太阳帆飞船“宇宙1号”,因为火箭推进器出现故障而发射失败。


尽管在初期出现了各种问题,但是太阳帆仍然是一个非常有前途的未来太空技术,至少它可以保证在太阳系内飞行,太阳的光线可以为它提供最强大的推进力。


可行性:完全有可能,但适应空间有限。


磁场帆


磁场帆是太阳帆的一个“变种”。与太阳帆不同的是,磁场帆是由太阳风提供推动力,而不是由太阳光提供推动力。


太阳风是一种拥有自己磁场的带电粒子流。科学家的一种想法是,在太空飞船周围制造一个与太阳风磁场相排斥的磁场,这样就可利用磁场的排斥力推动飞船飞行。


另一个变种是“太空蜘蛛网”,这种技术就是在太空飞船周围延伸出一个带正电的电网,这样的电网可以与太阳风中的大量的正离子相排斥,从而获得推进力。


磁场帆或者类似的技术还可以利用行星的磁场来使飞船改变自身的轨道,甚至驶离行星际空间。


然而,太阳帆和磁场帆都不适合星际旅行。当它们远离太阳的时候,阳光和太阳风的强度就会急剧下降,因此它们无法达到飞往其他恒星所必需的速度。


可行性:只适合太阳系内旅行。


能量束推进技术


如果太阳没有足够的能量来推动真正的高速星际飞船,那么也许可以通过向飞船发射能量束来做到这一点。


这项技术之一就是激光烧蚀,即利用从地面上发射出的强大的激光来烧蚀飞船尾部的特殊金属,金属逐渐蒸发形成蒸汽,从而提供推进力。


另一种相似的技术就是由美国物理学家和科幻小说家格雷戈里•本福德提出的,为飞船装配涂有特殊涂料的太阳帆。从地球上发出的微波束可以蒸发这些涂料,从而产生推力。这可以加快星际旅行的速度。


进行星际旅行,最好的方法可能是使用激光来推动光帆。美国物理学家罗伯特•福沃德在1984年的一篇论文中首次提出了这一设想。


能量束推进技术也存在许多重大挑战。首先,能量束必须在远距离上精确地对准目标;其次,飞船必须要能够极为高效地利用所提供的能量;另外,产生能量束装置的功率必须非常强大——在某些情况下,所需的能量甚至超过了目前人类的总能量输出。


可行性:存在极大的技术挑战。


时空扭曲技术


1994年,英国威尔士卡迪夫大学物理学家米格尔•阿尔库比雷首次提出了类似《星际迷航》中的时空扭曲技术。这一技术将使用尚未被发现的、具有负质量和负压力的“奇异物质”。它可以扭曲时空,从而使飞船快速接近前方的空间,而后方的空间在不断扩张。飞船就好像处于一个不断膨胀的“弯曲泡”中,可以飞得比光速快,而且不会违背相对论的原理。


然而,这种技术存在许多问题。首先,为了维持这种时空扭曲,需要巨大的能量,这种能量或许会比整个宇宙的全部能量都要大。其次,它会产生大量威胁宇航员生命的辐射。另外,也没有证据表明存在这样一种特殊的物质。


更为关键的是,2002年发表的计算证明,飞船无法往“弯曲泡”的前方发送信号,这就意味着宇航员将无法操控飞船。事实上,无论能提供多少能量,从物理学上讲似乎都不可能产生这样的“弯曲泡”。


可行性:显然不可能。


虫洞利用技术


自从爱因斯坦的广义相对论被广泛接受以来,人们已经从理论上证明虫洞可能存在。“虫洞”这个概念是创造了“黑洞”一词的美国著名物理学家约翰•惠勒提出的,意思是宇宙中可能存在连接两个不同时空的狭窄隧道。


关键的问题是,虫洞确实存在吗?如果存在,我们是否能够从中穿过?遗憾的是,这两个问题的答案很可能都是“不”。


如果虫洞要存在,就必须要由上文中阿尔库比雷所提出的“奇异物质”来稳定,但是目前还没有发现这样的物质。另外,虽然可以用特殊的负能量场来维持虫洞处于张开的状态,但进入虫洞的任何物质或者能量都会立即使它关闭。不过,20世纪90年代俄罗斯物理学家谢尔盖•克拉斯尼可夫提出了一种不同类型的虫洞。由于自身可以制造出“奇异物质”,因此这一类型的虫洞可以自我维持。


另一个明显反对虫洞的理由是,如果虫洞可以用于穿越空间,那么它也可以被用来创建一种时间机器。这将违反因果规律。


可行性:几乎肯定不可能。


多维空间技术


通常能够看到的宇宙空间是三维的。德国物理学家布克哈德•海姆提出,如果宇宙存在更多的空间维度,飞船则可以穿行其中,实现极端速度。不过布克哈德•海姆的这一想法在很大程度上是不可理解的,也从来没有得到过同行们的认可。


可行性:难以理解。



自然与科技 李有观



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